Корзина
10 отзывов
E-MAIL: marketing@theseuslab.cz
+375 17 2374211
Принцип работы активной схемы коррекции коэффициента мощности для повышения качества энергопотребления

Принцип работы активной схемы коррекции коэффициента мощности для повышения качества энергопотребления

Принцип работы активной схемы коррекции коэффициента мощности для повышения качества энергопотребления
Значительное улучшение качества энергопотребления при использовании ПККМ в схеме источника питания

03.02.17

Автор - Дэвид Уильямс.

Линейные источники питания, даже с установленными пассивными фильтрами, имеют низкий коэффициент мощности и высокие токи гармонических составляющих. Рассмотрим схему и принцип работы активной схемы коррекции коэффициента мощности для повышения качества электропитания источников.

Питание компонентов электронных устройств требует преобразования напряжения сети электропитания переменного тока в постоянное напряжение. Данное преобразование осуществляется в источниках питания.

Общий эффект от одного источника питания не столь велик, но, если учесть миллионы некачественных источников, подключенных к сети, суммарное влияние на качество питания может быть значительным. Таким образом, ситуацию может исправить применение источников питания со встроенной схемой коррекции коэффициента мощности, которая повышает коэффициент мощности и снижает уровень тока гармонических составляющих. Активная схема коррекции коэффициента мощности, установленная в источнике питания, значительно улучшает параметры энергопотребления.

 

Коэффициент мощности и его коррекция

Одним способом коррекции коэффициента мощности является пассивная коррекция, при которой реактивная мощность компенсируется путем добавления компонента с равным, но противоположным значением реактивной мощности. Например, если нагрузка имеет индуктивный характер с реактивной мощностью 1.754 кВАР, то в систему должна быть включена емкостная нагрузка с противоположной реактивной мощностью 1.754 кВАР.

Одним из способов реализации такого рода коррекции является применение набора конденсаторов, которые при необходимости могут быть включены в цепь. Этот тип коррекции коэффициента мощности хорошо подходит для линейных нагрузок в больших масштабах, где стоимость системы коррекции коэффициента мощности может быть незначительна по сравнению с размером и стоимостью системы в целом.

В меньших масштабах, например, для отдельных источников питания коэффициент мощности также играет важную роль. Один небольшой источник не оказывает значительного влияния на систему электропитания, проблема возникает при подключении к системе множества таких источников. Еще более сложным является тот факт, что эти источники питания являются нелинейными нагрузками, поэтому коэффициент мощности не может быть исправлен путем простого добавления реактивных компонентов (то есть, конденсаторов или катушек индуктивности).

Для того, чтобы гарантировать отсутствие существенного влияния на совокупный коэффициент мощности сети были разработаны международные стандарты, такие как EN61000-3-2 и Energy Star 80 Plus, которые устанавливают требования к коэффициенту мощности и гармоническим искажениям, создаваемым источниками питания.

Практически доказано, что пассивные фильтры не обеспечивают достаточной коррекции коэффициента мощности и снижения уровня гармонических составляющих. Вместо них должны применяться активные схемы коррекции коэффициента мощности для принудительной коррекции тока в соответствии с параметрами напряжения. 

 

Активная схема коррекции коэффициента мощности

Одна из наиболее распространенных активных схем коррекции коэффициента мощности известна как повышающий преобразователь для коррекции коэффициента мощности (ПККМ), который является относительно простым и недорогим. Единственными дополнительными компонентами, которые требуются сверх тех, что используются в линейных преобразователях переменный-постоянный ток являются коммутатор (как правило, полевой транзистор), диод и дроссель.

На рисунке 1 представлена схема повышающего преобразователя для коррекции коэффициента мощности. Вы можете видеть, что это по существу линейный источник питания с повышающим преобразователем, вставленным между выпрямителем и фильтрующим конденсатором.

Схема повышающего преобразователя для коррекции коэффициента мощности

Рисунок 1 – Схема повышающего преобразователя для коррекции коэффициента мощности

 

Основное назначение ПККМ – быстрое переключение ключа (S1) с переменным рабочим циклом для обеспечения синусоидальности входного тока (iac) и его синфазности с входным напряжением (vac). 

 

Работа схемы повышающего преобразователя для коррекции коэффициента мощности

При работе схема ПККМ быстро переключается между двумя состояниями. Первое состояние, при замкнутом ключе, представлено на рисунке 2.

В этом состоянии, благодаря подаче питания со стороны переменного тока через выпрямитель, ток в дросселе линейно нарастает. При этом диод Dpfc заперт (потому что его анод соединен с землей через ключ S1), а конденсатор С разряжается на нагрузку.

Повышающий преобразователь для коррекции коэффициента мощности с замкнутым ключом S1

Рисунок 2 – Повышающий преобразователь для коррекции коэффициента мощности с замкнутым ключом S1

 

На рисунке 3 показано второе состояние схемы при разомкнутом ключе S1. В этом состоянии напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор (и одновременно питает нагрузку).

 

Повышающий преобразователь для коррекции коэффициента мощности с разомкнутым ключом S1

Рисунок 3 – Повышающий преобразователь для коррекции коэффициента мощности с разомкнутым ключом S1

 

Следует отметить, что рисунки 2 и 3 показывают распределение тока только для положительного полупериода входного напряжения. Отрицательный полупериод идентичен за исключением того, что ток будет протекать через другие два диода выпрямителя.

Переключение между двумя состояниями осуществляется с высокой частотой в десятки килогерц, а иногда выше на порядок и более. Переключения выполняются мгновенно, чем обеспечивают поддержание выходного напряжения на заданном уровне, а также контроль среднего тока в дросселе (впоследствии и среднего значения переменного тока).

Так как ток катушки индуктивности нарастает в состоянии 1 и уменьшается в состоянии 2, скважность определяется временем нарастания и спада тока. Таким образом, путем изменения скважности, может быть скорректирован средний ток в катушке. Используя средние значения тока для отслеживания его ожидаемого значения можно значительно повысить коэффициент мощности и снизить суммарные гармонические искажения

В идеальном случае ток в катушке индуктивности должен иметь вид выпрямленной синусоиды, а входной переменный ток должен иметь синусоидальную форму. Однако из-за коммутаций, происходящих в системе и сложности получения идеального механизма отслеживания ожидаемого тока, входной переменный ток (Iac) и ток в катушке (I(L))  будут иметь следующий вид:

Переменный ток и ток в катушке индуктивности ПККМ

Рисунок 4 – Переменный ток и ток в катушке индуктивности ПККМ

 

Приведенные осциллограммы имеют форму сигнала, похожую на ожидаемую (синусоида/выпрямленная синусоида). При этом в сигнале наблюдаются высокочастотные пульсации. Масштабирование сигнала тока в катушке индуктивности показывает его многократный рост и снижение при переключении системы между двумя состояниями.

 

Ток в катушке индуктивности ПККМ в увеличенном масштабе

Рисунок 5 – Ток в катушке индуктивности ПККМ в увеличенном масштабе

 

Драйвер повышающего преобразователя для коррекции коэффициента мощности

Управление с обратной связью необходимо для того, чтобы гарантировать постоянный уровень выходного напряжения, а также синусоидальность формы тока и его синфазность с напряжением.

Принцип работы драйвера не описан в данной статье, однако схема, представленная на рисунке 6, дает общее представление обо всей системе. Схема коррекции коэффициента мощности имеет в своем составе блок управления с четырьмя входами, и выход с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), подключенный к затвору S1.

Повышающий преобразователь для коррекции коэффициента мощности с системой управления

Рисунок 6 – Повышающий преобразователь для коррекции коэффициента мощности с системой управления

 

На вход системы управления должны быть поданы следующие сигналы:

  • измеренное выходное напряжение (Vdc), чтобы поддерживать его на заданном уровне (Vref)
  • измеренное значение напряжения переменного тока для обеспечения опорного уровня для тока в дросселе
  • измеренное значение среднего тока дросселя, чтобы гарантировать отслеживание параметров выходного напряжения

Для того чтобы обеспечить минимальное различие опорных и фактических сигналов обычно применяются системы с ПИД-контроллерами. В результате применения такой съемы существенно повышается значение коэффициента мощности и снижается КНИ, а также улучшаются параметры регулируемого выходного напряжения. Осциллограммы переменного напряжения и тока на зажимах подключения к сети электропитания источника с повышающим преобразователем представлены на рисунке 7.

Переменное напряжение и ток

Рисунок 7 – Переменное напряжение и ток

 

Вы можете видеть, что ток и напряжение близки по фазе, а также, что ток имеет синусоидальную форму с минимальными искажениями.

Измерения параметров данной системы показывают коэффициент мощности, близкий к 0.99 и КНИ около 10 %. Данные цифры говорят об относительно хорошем качестве энергопотребления. Полученные результаты достаточны для удовлетворения требований IEC 61000-3-2 в отношении гармонических токов, а также требований к коэффициенту мощности в соответствии с Energy Star 80 Plus.

 

Заключение

Линейные источники питания оказывают негативный эффект на качество питающей сети электрических систем. Установка в источнике питания дополнительных пассивных фильтров повышает качество энергопотребления, но не является достаточным для обеспечения соответствия требованиям IEC 61000-3-2 и Energy Star 80 Plus. Для реализации требований вышеприведенных стандартов необходимо применять активную схему коррекции коэффициента мощности. Одним из самых дешевых и распространенных способов активной коррекции коэффициента мощности является применение повышающего преобразователя для коррекции коэффициента мощности.

Для того чтобы входной переменный ток имел синусоидальную форму и был синфазным с напряжением в ПККМ используется коммутирующий элемент. Пример, приведенный в данной статье, подтверждает значительное улучшение качества энергопотребления при использовании ПККМ в схеме источника питания.

 

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...