Корзина
10 отзывов
E-MAIL: marketing@theseuslab.cz
+375 17 2374211
Коэффициент мощности, коэффициент нелинейных искажений и причины несоответствия линейных источников питания требованиям стандартов

Коэффициент мощности, коэффициент нелинейных искажений и причины несоответствия линейных источников питания требованиям стандартов

Коэффициент мощности, коэффициент нелинейных искажений и причины несоответствия линейных источников питания требованиям стандартов
Почему обычные линейные источники питания не в состоянии удовлетворить требования к коэффициенту мощности и коэффициенту нелинейных искажений, приведенные в международных стандартах

27.12.16

Автор - Дэвид Уильямс.

Международные стандарты устанавливают характеристики качества питания электрического и электронного оборудования, подключенного к сети. Обычные линейные источники питания не в состоянии удовлетворить требования к коэффициенту мощности и коэффициенту нелинейных искажений, приведенные в данных стандартах. В этой статье показано, почему.

Ключевыми показателями качества электропитания электрического и электронного оборудования являются коэффициент мощности и суммарный коэффициент нелинейных искажений (КНИ). В общем случае коэффициент мощности должен стремиться как можно ближе к единице, в то время как суммарный коэффициент нелинейных искажений должен быть максимально мал.

Различные стандарты определяют уровни, при которых система соответствует их требованиям. Линейные источники питания, как правило, снижают качество питания системы. В данной статье описывается, почему это происходит, а также приведены пути решения этой проблемы.

Международные стандарты, такие как IEC 61000-3-2 и Energy Star 80 Plus устанавливают требования к качеству энергопотребления электрического и электронного оборудования, подключаемого к сети. В частности, IEC 61000-3-2:2014 устанавливает предельные токи гармонических составляющих для различных классов оборудования, основанных на максимальных уровнях мощности. Energy Star 80 Plus устанавливает минимальный коэффициент мощности (0.9 при нагрузке в 100 %) и минимальную эффективность (80 %) источников питания для вычислительной техники.

Технические требования к качеству электропитания являются достаточно строгими. Как следствие обычные линейные источники питания больше не могут использоваться во многих областях, поскольку они не соответствуют требованиям этих международных стандартов.

 

Характеристики качества электропитания 

Перед обсуждением проблемы несоответствия линейных источников питания требованиям стандартов проведем краткий обзор параметров, включённых в данные стандарты.

Энергоэффективность

Энергоэффективность самый простой для понимания параметр. Данная характеристика является отношением полезной энергии доступной или производимой системой к суммарной энергии, потребляемой данной системой. Важность стандартов в области энергоэффективности очевидна – низкая энергоэффективность означает больше потерь энергии.

THD или КНИ (суммарный коэффициент нелинейных искажений)

Понятие суммарных нелинейных искажений является немного более сложным, чем определение энергоэффективности. Кратко КНИ определяется путем суммирования всех гармонических составляющих сигнала (в данном случае тока) относительно тока на основной частоте, детальное описание КНИ приведено здесь. Другими словами, КНИ формируется исходя из гармонических составляющих основной частоты.

Идеальный синусоидальный сигнал не имеет гармонических составляющих, в то время как чем больше форма сигнала отличается от синусоидальной, тем больше гармонических составляющих присутствует в сигнале. Стандарты в отношении КНИ имеют важное значение, поскольку высокочастотные компоненты тока вызывают различные нежелательные эффекты в электрических системах, в том числе увеличение общих токов, увеличение потерь в двигателях, а также создание электромагнитных помех для другого электронного оборудования.

Коэффициент мощности (PF или Power Factor)

Коэффициент мощности более сложный параметр, чем характеристика энергоэффективности. Основная идея заключается в том, что коэффициент мощности является отношением активной мощности к полной мощности, потребляемой системой (максимальный коэффициент мощности равен 1 и, чем он ближе к 1, тем лучше):

где PF – коэффициент мощности, P – активная мощность, S – полная мощность. |S| = IRMS × VRMS. PF показывает, какая часть полной мощности на самом деле используется системой. Остальная часть мощности, которая колеблется в системе от источника к нагрузке и наоборот без осуществления полезной работы, называется реактивной мощностью.

Если две системы требуют одинакового количества активной мощности, ток в системе с большей реактивной мощностью должен быть выше, чем ток в системе с меньшей реактивной мощностью. Другими словами, стандартизация коэффициента мощности имеет большое значение, так как система с низким коэффициентом мощности потребует более высокого пикового тока для обеспечения такого же количества активной мощности.

На коэффициент мощности влияют два ключевых аспекта системы – это гармонические искажения (так называемый коэффициент нелинейных искажений) и фазовый сдвиг между напряжением и током (косинус этой разности фаз называется коэффициентом сдвига фаз). Чем меньше разность фаз между напряжением и током, тем ближе к единице коэффициент сдвига фаз. Комбинация коэффициента нелинейных искажений и коэффициента сдвига фаз позволяет получить другое выражение для расчета коэффициента мощности:

где I1RMS – среднеквадратическое значение тока на основной частоте, IRMS – среднеквадратическое значение суммарного тока, φ – фазовый сдвиг между напряжением и током.

 

Проблемы в обеспечении соответствия технических характеристик

Давайте вернемся к вопросу, почему, как правило, линейные источники питания не соответствуют требованиям стандартов на качество электропитания, таких как
IEC 61000-3-2: 2014. Во-первых, рассмотрим работу одного из этих источников питания и внимательно изучим потребление тока и соотношение между напряжением и током.

Ниже представлена схема обычного линейного источника питания:

 

Схема и изображение линейного источника питания

Рисунок 1 – Схема и изображение линейного источника питания

 

Источник питания состоит из трансформатора, понижающего сетевое напряжение, выпрямителя, преобразующего напряжение сети переменного тока в постоянное, конденсатора для фильтрации напряжения и регулятора для поддержания постоянного выходного напряжения (регулятор не приведен на схеме на рисунке 1).

Даже, если предположить, что нагрузка является линейной (что вполне вероятно не так) ток, протекающий через эту систему со стороны сети переменного тока является импульсным. Данные импульсы в первую очередь вызваны зарядкой и разрядкой конденсатора при фильтрации пульсаций напряжения. Как следствие, при импульсном входном токе, коэффициент мощности очень мал, также в системе питания формируются высокие токи гармоник.

На рисунке 2 показана кривая тока после выпрямителя (Irect) по отношению к напряжению на нагрузке (VDC). Обратите внимание на большие всплески тока, которые сменяются периодами отсутствия тока. Несмотря на то, что ток, протекающий в самой нагрузке практически постоянный, ток на стороне подключения источника питания к сети имеет импульсную форму.

 

Рисунок 2 – Ток после выпрямителя и постоянное напряжением на нагрузке

 

Форму сигнала переменного тока, при протекании тока (Irect) на стороне нагрузки, можно увидеть на рисунке 3. На данной осциллограмме показан переменный ток совместно с переменным напряжением. Напряжение переменного тока имеет синусоидальную форму, в то время как форма тока отлична от синусоидальной.

 

Рисунок 3 – Входное переменное напряжение и ток линейного источника питания

 

Периодический, но несинусоидальный характер переменного тока является индикатором низкого значения коэффициента мощности и высокого значения КНИ. Измерения качества электропитания данной системы показывают значения коэффициента мощности около 0.35 и суммарного коэффициента нелинейных искажений более 30 %. Данные значения даже близко не отвечают требованиям IEC 61000-3-2 или Energy Star 80 Plus.

 

Сглаживание формы тока с применением дросселя

Для снижения уровня гармонических составляющих и повышения коэффициента мощности необходимо сгладить кривую тока таким образом, чтобы она максимально соответствовала кривой напряжения. В идеальном случае ток должен иметь синусоидальную форму и быть синфазным с переменным напряжением.

Простой способ добиться этого – установить дроссель на выходе выпрямителя. Дроссель будет работать в качестве фильтра, который обеспечит сглаживание резких изменений тока. Схема источника питания с дросселем приведена на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Линейный источник питания с фильтрующим дросселем

 

Ток, протекающий через дроссель, представлен на рисунке 5. Форма тока все еще  импульсная, однако, пиковое значение ниже, импульсы более сглаженные. Это означает, что на стороне подключения источника питания к сети больше не требуется формировать импульсы тока большой амплитуды. Такое частичное сглаживание позволяет повысить качество питания системы.

 

Рисунок 5 – Ток выпрямителя при установке фильтрующего дросселя

 

Осциллограммы тока и напряжения на первичной обмотке тока показаны на рисунке 6; эти диаграммы отражают улучшение качества электропитания. Ток по-прежнему не синфазен с напряжением, но теперь имеет более синусоидальную форму.

 

Рисунок 6 – Переменное напряжение и ток с установленным фильтрующим дросселем

 

Измерения коэффициента мощности и КНИ действительно показывают значительное улучшение: коэффициент мощности составляет около 0,7, а КНИ около 20%.

Однако, данных улучшений все еще недостаточно для обеспечения соответствия требованиям к коэффициенту мощности и КНИ, приведенных в стандартах IEC 61000-3-2 или Energy Star 80 Plus. Для решения данной задачи схема должна быть дополнена чем-то более радикальным, чем пассивный фильтр.

Схема, которая обеспечит соответствие требованиям в отношении коэффициента мощности и КНИ должна корректировать ток таким образом, чтобы по форме и фазовому сдвигу он приближался к форме напряжения, в результате чего коэффициент мощности будет приближаться к единице, а КНИ к нулю. В схеме должны быть установлены датчики для мониторинга тока и напряжения, а также система обратной связи для принудительной коррекции тока в соответствии с параметрами напряжения.

Требуется наличие определенной схемы коммутации и одной из наиболее распространенных схем, которая может обеспечить вышеприведенный функционал является схема повышающего преобразователя для коррекции коэффициента мощности. Как следует из названия, данная схема основана на повышающем преобразователе и может значительно улучшить параметры КНИ и коэффициента мощности.

 

Заключение

Данная статья описывает требования к качеству напряжения питания электрических и электронных систем и показывает, что стандартные линейные источники питания (даже при установке дополнительного дросселя) не соответствуют требованиям стандартов в отношении энергопотребления.

Чтобы гарантировать соответствие источника питания требованиям IEC 61000-3-2:2014 в него необходимо добавить систему управления переменным током, которая будет обеспечивать максимально возможное соответствие формы тока форме переменного напряжения. Это может быть достигнуто с помощью применения схемы коррекции коэффициента мощности.

 

Об авторе:

Дэвид Уильямс – инженер-электрик и инструктор по программе Technology Electronic Engineering в Оканаган колледже, Келоуна, Британская Колумбия, Канада. Он профессионально занимается разработкой цифровых систем, проектированием встраиваемых систем, а также созданием прогрессивных методов обучения. Его интересы распространяются на силовую электронику, системы возобновляемых источников энергии, беспроводные сенсорные сети, и обучение будущих инженеров и технологов. Дэвид имеет степень магистра в области электротехники в Университете Британской Колумбии.

 

 

Компания Theseus Lab предлагает широкий выбор источников питания различного назначения от ведущих мировых производителей: BK Precision, California Instruments, Chroma ATE, Elgar, Sorensen, Teseq и TDK-Lambda.

 

По вопросам приобретения источников питания обращайтесь к нашему специалисту по тел. +375 (29) 187-33-89.

Предыдущие статьи
Контакты
  • Телефон:
    +375 (29) 640-41-26
    +375 (17) 237-42-11 доб. 418,
  • Контактное лицо:
    Дежурный специалист
  • Адрес:
    ул. Кропоткина, 91 а, Минск, 220020, Беларусь
Карта
social-icon
Loading...