0

Для чего нужна коррекция коэффициента мощности в импульсном источнике питания

0Широкое распространение бытовых устройств оснащенных импульсным источником питания при­водит к заметному увеличению доли реактивной мощности в полной мощности питающей сети.

Рост реактивной мощности значительно увели­чивает нагрузку на генерирующие и распредели­тельные устройства и на соединительные элект­рические кабеля. Для преодоления этого недостатка предлагаются устройства повышаю­щие коэффициент мощности импульсного источ­ника питания.

Что такое коэффициент мощности?

Коэффициент мощности (КМ) определяется как отношение между активной (полезной) и полной (активной и реактивной) мощностью потребляе­мой нагрузкой, которая, например, питается от преобразователя напряжения (ИИП). Значение полезной мощности вычисляется как произведе­ние тока и напряжения на косинус угла между ни­ми. Полная мощность определяется перемноже­нием среднеквадратичных величин. Таким образом, коэффициент мощности:

PF=P/Vrms·Irms,

где Р — полезная мощность.

Для двух синусоидальных сигналов с одинако­вой частотой КМ может быть определен через ко­синус угла между сигналами тока и напряжения:

РР=cosφ

Значение КМ теоретически может изменяться от менее чем 1 % до 100%, в зависимости от соот­ношения между активной и реактивной мощностя­ми. При этом КМ может быть опережающим (при емкостном характере нагрузки), или отстающим (при индуктивном характере нагрузки).

Таким образом, задачей корректора КМ явля­ется сведение к нулю сдвига фаз между током и напряжением или, иными словами, нейтрализация емкостной и индуктивной составляющих нагрузки преобразователя напряжения.

Результатом активной коррекции КМ является следование кривой входного тока ИП входному пи­тающему напряжению. При этом, возможно полу­чить КМ порядка 99,9%. ИП с высоким КМ позво­ляют снизить энергопотребление, а точнее говоря, более рационально использовать внешние энер­горесурсы.

Кроме того, использование микросхем коррек­ции КМ в импульсном источнике питания дает эко­номию на:

  • использовании входных фильтрующих конден­саторов меньшей емкости;
  • более простой конструкции трансформатора;
  • меньших потерях на переключающем транзи­сторе;
  • уменьшении размера печатной платы.

Активная мощность (Ватты) производит реаль­ную работу. Это компонент передачи энергии (по аналогии превращения электроэнергии в оборо­ты двигателя).

Реактивная мощность — это мощность, требу­ющаяся для создания магнитных полей (потерян­ная мощность), чтобы могла выполняться реаль­ная работа.

«Полная мощность» — это мощность, которую поставляют энергетические компании, как показа­но на рис.1. Таким образом, «полная мощность» — это мощность, поставляемая по электрической се­ти, чтобы произвести требуемое количество актив­ной мощности.

Рис. 1

Рис. 1

Ранее приведенное определение КМ, через угол сдвига между током и напряжением, дейст­вительно при рассмотрении сигналов идеальной синусоидальной формы, как для тока, так и напря­жения. Однако, большинство ИП потребляют не­синусоидальный ток. Когда ток не является синусоидальным, а напряжение является, КМ состоит из двух коэффициентов:

  • коэффициента сдвига фаз (между током и на­пряжением), относящегося к фазовому углу;
  • коэффициента нелинейных искажений, отно­сящегося к форме волны.

Уравнение 1 представляет соотношение между коэффициентом сдвига фаз и коэффициентом не­линейных искажений и как они соотносятся с КМ:

PF=[Irms(1)/ Irms]·cosφ                              (1),

где:

Irms (1) — это общий ток потребляемый систе­мой;

Irms — среднеквадратичная величина тока.

Поэтому, цель схемы коррекции КМ — миними­зировать искажения входного тока и привести в соответствие фазы тока и напряжения.

Когда КМ не равен 1, форма волны тока не сле­дует за формой волны напряжения. Это приводит не только к потере мощности, но и к генерации гармоник, которые, распространяясь по питающей линии, нарушают работу других устройств, под­ключенных к линии. Чем ближе КМ к 1, тем мень­ше амплитуда токовых гармоник, поскольку вся мощность будет содержаться в первой гармони­ке, т.е. на основной частоте питающей сети.

Нормативные документы ЕС

В 2001 г. Европейский Союз привел в действие документ ЕN61000-3-2, устанавливающий ограниче­ния на гармоники входного переменного тока вплоть до 40-й гармоники. Прежде, чем ЕN61000-3-2 вступил в силу, существовала норма, принятая в октябре 2000 года, которая определяла соответ­ствие устройств ограничениям эмиссии строгого Класса D. На рис.2 приведены форма тока и на­пряжения в одной фазе с КМ=1. Это такие устрой­ства, как персональные компьютеры, компьютер­ные мониторы, и телевизионные приемники.

Рис. 2

Рис. 2

Что касается других устройств, то они должны были соответствовать требованиям пределов из­лучения облегченного Класса А, при котором до­стигается КМ=0,9. На рис.3 показана квазикоррекция КМ.

Рис. 3

Рис. 3

Причины неэффективности ИИП

Проблемой импульсных источников питания (ИИП) является то, что они не используют коррек­цию КМ, и то, что входной конденсатор СIN (пока­занный на рис.4) будет заряжаться только тогда, когда VIN близко к VPЕАК или когда VIN больше, чем напряжение на конденсаторе VCIN. При конструи­ровании ИИП, время удержания для напряжения на СIN задается больше, чем частота VIN, поэтому, если происходит сбой VIN, и несколько циклов про­пускаются, СIN будет иметь достаточно сохранен­ной энергии, чтобы питать нагрузку.

4

Рис. 4

На рис.5 представлен теоретический резуль­тат VCIN(t) (для схемы на рис.4) с очень маленькой нагрузкой, и, следовательно, с очень небольшим разрядом СIN. Как только ток потребления нагруз­ки возрастает, VCIN(t) будет падать больше между двумя пиками, но это падение невелики в процент­ном соотношении к общему VIN (к примеру, при на­пряжении 120 В, падение может быть всего лишь 3…5 В). Как отмечалось ранее, СIN будет заряжать­ся только тогда, когда VIN больше, чем напряжение, до которого заряжен конденсатор. Это означает, что схема, не имеющая КМ, будет заряжать СIN только в течение малой части всего времени цикла.

Рис. 5

Рис. 5

На рис.6 приведены форма сигналов тока и на­пряжения в схеме по рис.4. Как видно из рис.6, после отметки 90 градусов первой половины цик­ла, выходное напряжение выпрямительного мос­та падает ниже напряжения конденсатора (СIN), и зарядка конденсатора прекращается. Следует за­метить, насколько велик входной токовый пик за­ряда конденсатора. Все части схемы в блоке пи­тания (провода, диоды моста, переключатели) должны быть способны выдержать этот большой токовый пик. В течение этих коротких периодов СIN должен быть полностью заряжен. Таким образом, от VIN потребляются большие импульсы тока ма­лой продолжительности. Существует способ ус­реднить этот токовый пик, таким образом, чтобы остальная часть цикла использовалась для аккуму­лирования энергии, по сути, сглаживая большой токовый пик, с использованием коррекции КМ.

Рис. 6

Рис. 6

Для того чтобы ток потребления более точно следовал за величиной VIN и не допускать появле­ния токовых импульсов большой амплитуды, СIN должен заряжаться в течение всего цикла, а не в течение его малой части. При сегодняшних нелинейных нагрузках ИИП невозможно точно знать, когда потребуется большая амплитуда тока, поэто­му поддержание входного тока конденсатора по­стоянным в течение всего цикла является наибо­лее целесообразным, и позволяет использовать конденсатор СIN намного меньшего номинала. Этот метод работы и называется коррекцией ко­эффициента мощности.

Повышающий преобразователь — сердце схемы коррекции КМ

Схема повышающего преобразователя исполь­зуется для получения активной коррекции КМ во многих прерывистых и непрерывных режимах. По­вышающий преобразователь используется потому, что его легко реализовать, и он работает хорошо. Простая схема на рис.7 — это краткое напомина­ние о том, как катушки индуктивности (далее — ин­дукторы) могут производить очень большие напря­жения.

Рис. 7

Рис. 7

Изначально предполагается, что индуктор обесточен, поэтому напряжение V0 равно VIN. Ког­да ключ замыкается, ток (IL) через индуктор посте­пенно линейно возрастает, поскольку:

IL=1/L·(∫ VLdt)

Напряжение (VL) на нем возрастает экспоненци­ально, пока не стабилизируется на уровне VIN. Сле­дует отметить полярность напряжения вдоль индук­тора, которая определяется направлением тока (сторона втекания — положительная). Когда ключ размыкается, это приводит к изменению тока от IMAX до нуля (что является уменьшением или отрицатель­ным спадом). Математически это выглядит так:

VL=Ldi/dt≈L·∆i/∆t,

или величина индуктивности (L) умноженная на изменение тока за единицу времени, т.е. напряже­ние на индуктивности приближается к отрицатель­ной бесконечности (индуктор изменяет его поляр­ность). Индуктор не идеален и имеет небольшую величину последовательного сопротивления, ко­торое ограничивает это «бесконечное» напряже­ние конечной величиной. Когда ключ будет разо­мкнут, напряжение на индукторе меняет полярность и суммируется с напряжением источ­ника VIN. Если бы последовательно соединенные диод и конденсатор были бы подключены к выхо­ду этой схемы, то конденсатор через диод заря­дился бы до этого высокого напряжения (возмож­но, после множества циклов переключения).

Таким образом, повышающий преобразователь увеличивает напряжение, как показано на рис.8. На вход преобразователя поступает выпрямлен­ное напряжение с моста D1.

Рис. 8

Рис. 8

После мостового вы­прямителя нет никаких фильтрующих конденсаторов, поэтому входное напряжение повышающего преобразователя изменяется (на удвоенной час­тоте питающей сети) от нуля до VPЕАК входного пе­ременного напряжения и обратно до нуля. Повы­шающий преобразователь должен удовлетворять двум одновременным условиям:

  • выходное напряжение повышающего преоб­разователя должно быть установлено больше, чем пиковое значение (отсюда слово «повышающий») напряжения сети (часто используемое значение 385 В постоянного напряжения для сети с перемен­ным среднеквадратичным значением 220 В);
  • ток, потребляемый от сети в любой момент, должен быть пропорционален напряжению линии.

Без использования коррекции КМ, типичный ИИП имеет КМ порядка 0,6, что приводит к значи­тельным гармоническим искажениям нечетного порядка (иногда с третьей гармоникой такой же по амплитуде, как и основная). КМ менее чем 1 вме­сте с гармониками от «пикастых» нагрузок, это увеличивает активную мощность, необходимую для работы устройства. Для того чтобы работало такое неэффективное устройство, энергетическая компания должна поставлять дополнительную ре активную мощность, чтобы компенсировать эти потери. Это увеличение мощности вынуждает энергетические компании использовать более мощные линии передачи электроэнергии, иначе их саморазогрев может вызвать выгорание нейтраль­ного проводника линии. Гармонические искажения могут вызвать увеличение рабочей температуры генераторной установки, что сокращает срок службы оборудования, в том числе: кабелей, трансформаторов, конденсаторов, предохраните­лей, переключателей и подавителей выбросов.






Проблемы вызывают гармоники, создающие дополнительные потери и электростатические на­пряжения в конденсаторах и кабелях, увеличивая токи в обмотках вращающегося машинного обору­дования и трансформаторов, а также шумовое из­лучение во многих устройствах, и вызывая ранний выход из строя предохранителей и других компо­нентов безопасности. Они также могут вызвать по­верхностный эффект протекания тока, который со­здает проблемы в кабелях, трансформаторах и вращающемся машинном оборудовании. Вот по чему компании-производители электроэнергии озабочены ростом ИИП, электронных регуляторов напряжения и преобразователей, которые приво­дят к росту коэффициента нелинейных искажений до неприемлемых значений.

Делая напряжение входного преобразователя больше, чем входное напряжение, мы вынуждаем нагрузку потреблять ток синфазно с напряжением сети, что, в свою очередь, избавляет от гармони­ческих излучений.

Режимы работы

Существует два режима работы схемы коррек­ции КМ: прерывистый и непрерывный. Прерывис­тый режим устанавливается, когда MOSFET транзи­стор повышающего преобразователя включается, и когда ток индуктора достигает нуля, и он выклю­чается, когда ток индуктора достигает желаемого входного опорного напряжения, как показано на рис.9. Таким образом, форма входного тока следу­ет за формой входного напряжения, что обеспечи­вает КМ близкий к 1.

Рис. 9

Рис. 9

Прерывистый режим работы может использо­ваться в ИИП мощностью 300 Вт или менее. По сравнению с устройствами непрерывного режима, прерывистый режим используется с сердечника­ми большего размера, и имеет большие потери на активное сопротивление и поверхностный эффект из-за большего размаха тока в индукторе. С уве­личением размаха требуется больший входной фильтр. Положительная сторона в том, что по­скольку устройства прерывистого режима включа­ют MOSFET-транзистор, когда ток индуктора равен нулю, не возникает обратного тока восстановле­ния (IRR) на диоде вольтдобавки. Это означает, что может быть использован более дешевый диод.

Непрерывный режим используется в ИИП мощ­ностью более 300 Вт. В этом режиме MOSFET-транзистор повышающего преобразователя не включа­ется, когда ток повышающего индуктора равен нулю, поскольку, ток в индукторе никогда не дости­гает нуля во время цикла переключения (рис.10).

Рис. 10

Рис. 10

Принимая это во внимание, размах напряжения меньше, чем в прерывистом режиме — приводит к меньшим потерям на активном сопротивлении. А меньший пульсирующий ток приводит к меньшим потерям в сердечнике индуктора. Меньший размах напряжения также уменьшает электромагнитную интерференцию, и позволяет использовать мень­шие входные фильтры. Поскольку МОSFЕТ-транзистор не включается, когда ток повышающего индук­тора равен нулю, требуется быстродействующий диод с малым временем восстановления, чтобы уменьшить потери до минимума.

Фирма Fairchild предлагает приборы для обоих: прерывистого и непрерывного режимов работы схемы коррекции КМ, включая режим критической проводимости (FAN7527В), режим усреднения то­ка (FAN4810), и режим формирования входного то­ка (FAN4803).

Прерывистый режим — режим критической проводимости

Режима критической проводимости — это ре­жима работы прибора по напряжению, который работает в области между прерывистым и непре­рывным режимами. Чтобы лучше объяснить режим критической проводимости, давайте взглянем на различие между прерывистым и непрерывным ре­жимами в такой конструкции ИИП, какобратнохо- довой преобразователь. В прерывистом режиме, первичная обмотка трансформатора имеет время запаздывания, с момента размыкания ключа (включая минимальное время сброса для обмот­ки), и перед тем, как она вновь оказывается под на­пряжением (рис. 11).

Рис. 11

Рис. 11

В непрерывном режиме, первичная обмотка не полностью расходует свою энергию. На рис.12 показано, что ток в первичной обмотке не начина­ется от нуля, поскольку остаточный ток все еще протекает в этой обмотке.

Рис. 12

Рис. 12

Непрерывный режим — режим среднего тока

Основой контроллера коррекции КМ является модулятор коэффициента усиления. Этот модуля­тор имеет два входа и один выход. На рис.13 при­веден пример схемы усреднения тока коррекции КМ на ИМС типа МL4821. Как показано на рис.13, вход блока модулятора коэффициента усиления (слева на рис.13) называется токовым опорным входом (I). Опорный ток — это входной ток, который пропорционален двухполупериодному вы­прямленному напряжению. На другой вход, блока модулятора коэффициента усиления (на рис.13 — внизу), поступает сигнал от усилителя ошибки напряжения Е/А. Усилитель ошибки считывает вы­ходное напряжение (используя делитель напряже­ния) после диода вольтдобавки и сравнивает его с эталонным напряжением VREF = 5 В. Усилитель ошибки будет иметь малую полосу пропускания, чтобы не позволить любым резким изменениям быстро появиться на его выходе.

Рис. 13

Рис. 13

Модулятор коэффициента усиления умножает опорный ток и напряжение ошибки поступающее от усилителя ошибки (определяемое выходным напряжением).

На рис.13 показаны основные блоки внутри МL4821 (отдельно взятого контроллера коррекции КМ), которые позволяют обеспечить КМ преобра­зователя больше, чем 95 %. Эти блоки включают:

  • петлю токового управления;
  • петлю управления по напряжению;
  • ШИМ управление;
  • модулятор коэффициента усиления.

Назначение токовой петли управления заклю­чается в том, чтобы заставить форму тока в пита­ющей сети следовать за формой напряжения в сети. Для того чтобы ток следовал за напряжением, внутренний токовый усилитель должен иметь до­статочно широкий диапазон рабочих частот, что­бы пропускать достаточное число гармоник выход­ного напряжения. Ширина диапазона рабочих частот усилителя задается использованием опре­деленных номиналов внешних конденсаторов и резисторов. В большинстве случаев ширина его полосы пропускания составляет несколько кГц. Усилитель использует информацию с модулятора коэффициента усиления, чтобы подстроить схему ШИМ-управления, которая включает или выключа­ет МОSFЕТ-транзистор.

Модулятор коэффициента усиления и петля уп­равления по напряжению работают вместе, осу­ществляя выборку входного тока и выходного на­пряжения, соответственно. Эти два измерения выполняются и затем сравниваются друг с другом, чтобы определить, надо ли изменять сигнал на входе токового управления. Этот сигнал затем сравнивается с образцом выходного тока, чтобы определить коэффициент заполнения схемы ШИМ-контроллера.

ШИМ-управление использует модуляцию дли­тельности импульса, изменяя положение заднего фронта импульса, как показано на рис.14.

Рис. 14

Рис. 14

Пилообразные колебания формируются на вы­ходе дифференциального усилителя внутри токо­вой петли управления. Выход дифференциально­го усилителя (показан в верхней части рис.13) подключается к входу RS-триггера, который управ­ляет мощным МОSFЕТ-транзистором.

На рис. 15 показана форма сигнала в типовой схеме усреднения тока коррекции КМ.

Рис. 15

Рис. 15

Непрерывный режим — формирование входного тока

ИМС FAN4803 фирмы Fairchild обладает спо­собностью формировать входной токе использованием непрерывного токо­вого режима коррекции КМ. На рис.16 показан внутрен­ний блок коррекции КМ ИМС FAN4803. В отличие от типо­вого контроллера коррекции КМ усредненного токового режима, FAN4803 не нужда­ется во входной информа­ции о напряжении и в ис­пользовании умножителя. Эта ИМС изменяет скорость нарастания внутреннего пи­лообразного сигнала соглас­но выходному напряжению усилителя ошибки. При этом информация о считанном то­ке и пилообразный сигнал используются, чтобы опре­делить время включенного состояния ключа.

Рис. 16

Рис. 16

Как показано на рис.17, ключ замыкается, когда теку­щее значение напряжения соответствует значению вну­треннего пилообразного сиг­нала, и ключ размыкается вну­тренним тактовым сигналом. Чтобы управлять выходным напряжением, скорость нара­стания внутреннего. Сравнивая рис.17, а и рис. 17, б можно увидеть, что средний ток воз­растает, если скорость нарастания возрастает, и уменьшается, если скорость нарастания «пилы» уменьшается.

Рис. 17

Рис. 17

Используя характеристику непрерывного режи­ма, можно математически показать, что ток индук­тора пропорционален синусоидальной форме питающей сети. Следовательно, минимальная вели­чина тока индуктора в течение одного цикла пере­ключения следует за синусоидальным опорным током, как показано на рис.18.

Рис. 18

Рис. 18

Тем не менее, максимальная величина тока ин­дуктора в течение одного цикла переключения не управляется, чтобы следовать за синусоидальным опорным током. Следовательно, средний ток ин­дуктора может не быть синусоидальным. Чтобы сделать средним ток индуктора близким к синусо­идальному опорному току, индуктивность должна быть достаточно большой, чтобы сделать пульса­ции тока маленькими.

Заключение

Энергетические компании не рады устройст­вам с низким коэффициентом мощности, особен­но когда дополнительная стоимость неиспользо­ванной или неиспользуемой мощности может быть очень большой. Вот почему применение схемы коррекции КМ на стороне потребителя стало важной частью конструирования силовых систем для большого числа изделий.

Существует множество стандартов (к примеру,  EN 61000-3-2), указывающие как управлять сило­вым потреблением с КМ=1 и сохранять при этом минимальные гармонические искажения.

В зависимости от выходной мощности и по­требностей разработчика, ИИП может быть разработай с применением прерывистого или не­прерывного режима управления коррекцией КМ, также может использоваться устройство коррек­ции КМ с ШИМ управлением. Рынок контролле­ров коррекции КМ составил 275 миллионов USD в 2014 году, а стандарты требуют уменьшать ми­нимальные мощности систем, в которых требу­ются устройства коррекции КМ, поэтому устрой­ства коррекции КМ будут использоваться все больше и больше.

Источники информации:

  1. AN42047.pdf. Power Factor Correction Ba­sics. — Fairchild Semiconductor Corporation. www.fairchildsemi.com.

Автор:  Андрей Феклистов, г. Запорожье

Источник: Радиоаматор №5,  2015

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.