Problemi sa odvodom snage kod klasičnog ispravljača

Glavni problem klasičnog ispravljača sa skladišnim kondenzatorom koji radi od sinusoidnog ili drugog nepravokutnog napona je činjenica da se energija uzima iz mreže samo u onim trenucima kada je napon u njoj veći od napona na skladištu. kondenzator. Zaista, kondenzator se može puniti samo ako se na njega dovede napon veći od onog na koji je već napunjen.

Štoviše, u onim trenucima kada napon mreže postane veći od napona kondenzatora, struja punjenja je vrlo visoka, a ostatak vremena je nula. Ispostavilo se da se, na primjer, za sinusni napon napajanja uočavaju strujni udari kada napon dosegne vrijednosti amplitude. Ako vaš uređaj troši malo energije, to se može tolerirati. Ali za opterećenje od, recimo, 1 kW 220V, strujni udari mogu doseći 100 A. Što je potpuno neprihvatljivo.

Razvoj i široka upotreba impulsnih metoda za pretvaranje električne energije dovela je do pojave kućanskih i industrijskih električnih uređaja male snage sa iskrivljenim oblikom ili faznim pomakom struje koja se troši iz mreže (lampe dnevno svjetlo, električni motori, televizori, kompjuteri, mikrotalasne pećnice, itd.). Nagli porast broja takvih potrošača utiče na njihovu elektromagnetnu kompatibilnost i energetske sisteme u cjelini. IEC je 2001. godine usvojio standard IEC-1000-3-2, prema kojem je svaki električni proizvod snage veće od 200 vati priključen na mrežu naizmjenična struja, mora imati aktivni ulazni otpor, odnosno faktor snage () mora biti jednako jedan.

Za povećanje Trenutno se koriste pasivni i aktivni korektori faktora snage (PFC). Prvi se koriste pri konstantnim opterećenjima uvođenjem kompenzacijskih reaktancija (na primjer, kondenzatori za fluorescentne svjetiljke), a drugi imaju širi raspon primjena. Razmotrimo pojednostavljeni dijagram aktivnog korektora, koji je prikazan na slici 6.1.

Slika 6.1 – Pojednostavljeni dijagram aktivnog PFC-a

Na ovoj slici, R 1, R 2 su senzor ulaznog napona (IV), R 3 je senzor struje (CT). Induktivnost L, prekidač VT1, dioda VD1 i kondenzator C 1 čine impulsni stabilizator napona za povećanje napona. Rad PFC-a je ilustrovan dijagramima na slici 6.1b. Do zatvaranja tranzistora VT1 dolazi u trenutku kada napon na izlazu strujnog senzora DT postane jednak nuli (tj. pri nultoj struji u induktivnosti L). Tranzistor VT1 se otvara u trenutku kada linearno rastući napon sa senzora struje postane jednak sinusoidno promjenjivom naponu iz DN senzora napona. Nakon što se tranzistor otvori, struja u induktivnosti počinje opadati, induktivnost se ispušta na opterećenje kroz diodu VD1, DT i mrežu. Kod nulte struje, tranzistor se ponovo zatvara. Zatim se proces ponavlja. Frekvencija prebacivanja ključa premašuje mrežnu frekvenciju i iznosi desetine...stotine kiloherca. Prosječna struja i cf u induktivnosti i potrošena iz mreže prati oblik mrežnog napona. Zbog visoke radne frekvencije prekidača, mreža se zaobilazi kondenzatorom C 2 (obično dijelovi mikrofarada). Možete dodatno upisati povratne informacije na izlaznom naponu i obezbjeđuju preliminarnu stabilizaciju. Očigledno je da je PFC rad moguć ako je amplituda ulaznog napona manja od napona na kondenzatoru C 1 (uzimajući u obzir odstupanja). Za mrežni napon od 220V (amplituda 311V), izlazni napon PFC-a uzima se jednakim 380...400V.

6.2 Vrste kasa

U PFC šemi o kojoj smo gore govorili, koristi se tzv. granična metoda kontrole. Najjednostavniji je za implementaciju, ali prekidač se otvara pri značajnoj struji, što je povezano sa značajnim gubicima snage.

Poznate su i druge metode upravljanja ključevima u kasi:

kontrola vršne struje

metoda prekidanja struja sa PWM.

kontrola na osnovu prosječne trenutne vrijednosti.

Suštinu ovih metoda ilustruju dijagrami na slici 6.2 a, b, c.

Slika 6.2 – Upravljanje ključevima u kasi

Kontrola vršnom vrijednošću struje (slika 6.2.a) je atraktivna zbog niske reverzne smetnje (u mrežu) i malih strujnih udara kroz prekidač, ali dolazi do promjene frekvencije i teškog prebacivanja energetske diode.

Upravljanje metodom prekidne struje sa PWM (slika 6.2.b). Implementacija ove metode je bliska metodi granične kontrole, ali se razlikuje po konstantnoj frekvenciji prebacivanja. Prednost je jednostavan upravljački krug, ali struje prekida induktora postaju dodatni izvor smetnji. Upravljanje na osnovu prosječne vrijednosti struje (slika 6.2.c) se vrši na konstantnoj frekvenciji, a prisustvo integratora za usrednjavanje struje povećava otpornost na buku regulacionog sistema. Tipično, vršna vrijednost valovitosti struje induktora je unutar 20% prosječne vrijednosti, a upravo se ova metoda kontrole koristi u korektorima snage veće od 300 vati.

Ne postoje samo jednofazni, već i trofazni korektori faktora snage. Strujni krug trofaznog PFC-a s jednim kontroliranim ključem prikazan je na Sl. 6.3 i na sl. 6.4 i 6.5 prikazuju dijagrame koji objašnjavaju rad.

Slika 6.3 – Strujni krug trofaznog PFC-a

Slika 6.4 – Dijagrami struja reaktora L1, L2, L3 trofaznog PFC-a

Slika 6.5 – Dijagrami glavnih procesa trofaznog PFC-a

Ključ se upravlja na isti način kao i jednofazni korektor.

U razmatranim PFC krugovima, potonji propušta cjelokupnu snagu opterećenja. Ovo je sekvencijalni korektor i njegova elementarna baza inhibira povećanje izlazne snage. PFC se također može izgraditi prema amper-boost krugu (slika 1.19) - uključivanjem aktivnog strujnog filtera paralelno sa opterećenjem. U ovom slučaju, instalirani kapacitet aktivni filterski elementi dizajnirani da kompenzuju samo snagu izobličenja od viših harmonika ulazna struja, će biti na nivou koji je određen faktorom harmonijskog izobličenja ove struje (na primjer, 0,3 za trofazni mostni krug i 0,15 za dvanaestfazni ispravljački krug). Strukturna shema takav CMC je prikazan na sl. 6.6. Princip kompenzacije viših harmonika u krivulji struje koja se troši iz mreže ilustruju dijagrami na sl. 6.7. Radi jasnoće, pretpostavlja se da je oblik struje opterećenja pravokutni. Korektor formira razliku između harmonika struje mreže i stvarne struje opterećenja

(6.1)

gdje je j indeks faze (A, B ili C);

i J 1 – prvi harmonik struje faze j.

Upravljački krug korektora obično se zasniva na modulaciji širine impulsa.

Slika 6.6 – Blok dijagram paralelnog trofaznog PFC-a

Slika 6.7 – Kompenzacija za više strujne harmonike

Kao zasebni elementi elektronske opreme, kontrolna kola korektora su prvi put puštena u prodaju 1989. od strane Mikro Lineara (LM 4812). Zatim su Siemens, Motorola i drugi pristupili razvoju.Trenutno postoji opsežna porodica IC-a za kontrolu impulsnih izvora u kombinaciji sa PFC-om i implementaciju jedne ili druge metode upravljanja.

1. ZAŠTO JE OVO POTREBNO?

Odmah da kažemo da, suprotno površnim tvrdnjama, prisustvo korektora faktora snage samo po sebi ne poboljšava formalne karakteristike uređaja u kojem se koristi. Naprotiv, dovoljno je uvođenje KKM složen uređaj do sada dovodi do primjetnog povećanja cijene i složenosti proizvoda u cjelini (naravno, kako se tehnologija razvija, cijena će padati). Međutim, uvođenje PFC-a u pojačala snage već pruža niz vrlo važnih prednosti koje više nego plaćaju ovu komplikaciju.

Prva i najvažnija prednost je činjenica da kada koristite PFC pojačala sa istim ožičenjem bez kršenja standarda, možete koristiti najmanje tri do četiri puta više moćna pojačivača. Inače, ovdje nema kršenja fizičkih (ili pravnih) zakona, a mi ćemo vam dalje reći zašto se to događa.

Druga, ne manje važna, ali rijetko spominjana prednost je da je mnogo lakše osigurati visoku energetsku intenzivnost napajanja s PFC-om nego tradicionalnom. Energetski intenzitet je mjera sposobnosti izvora napajanja da isporučuje energiju opterećenju neko vrijeme bez pražnjenja mreže ili značajnog smanjenja izlaznog napona. Sa praktične tačke gledišta, nedostatak energetskog intenziteta dovodi do toga izlazna snaga pojačalo uključeno niske frekvencije ah (gdje je najpotrebnije!) ispada mnogo manje, a izobličenje ostalih signala u prisustvu niske frekvencije je mnogo veće nego prilikom mjerenja na frekvenciji od 1 kHz, čiji rezultati (ponekad samo poželjni ) se oglašavaju u opisu. Jednostavno rečeno, ako nema dovoljno energije, pojačalo počinje da se "guši" i izobličava signal tokom glasnih niskofrekventnih zvukova, na primjer, prilikom udaranja u bubanj. Nažalost, za pojačala sa tradicionalnim napajanjem, ovaj neželjeni efekat je prije pravilo nego izuzetak. Stoga, ako je potrebno, osigurajte dobra kvaliteta i morao sam izabrati pojačalo sa velikom rezervom snage.

Treća prednost je što napajanje sa PFC-om, po svom principu rada, stabilizuje izlazni napon. Stoga izlazna snaga pojačala prestaje striktno ovisiti o naponu mreže - čak i s "opuštenom" mrežom, isporučuje se puna snaga.

Druga, potpuno neočekivana prednost je što je mrežna pozadina (ista) kada se koriste samo pojačala sa PFC-om u pravilu 10 decibela niža.

2. ŠTA JE OVO I KAKO RADI?

Uprkos raznolikosti, to je stvarno postojećih uređaja, princip rada kase može se smatrati kako slijedi jednostavan primjer(vidi sliku 1).

Korektor faktora snage nije ništa više od gotovo običnog regulatora impulsa, koji se napaja iz ispravljenog, ali neizglađenog mrežnog napona i stabilizira napon na izlaznom kondenzatoru C2. Osnovni princip njegovog rada je prilično jednostavan i glasi kako slijedi. Prvo, prekidač S1 se zatvara na kratko, a u induktoru L1, u potpunosti u skladu sa udžbenikom fizike, struja počinje da raste. Nakon nekog vremena, ključ se otvara, a energija akumulirana u zavojnici prolazi kroz diodu u izlazni kondenzator za pohranu. Ovaj ciklus se kontinuirano ponavlja, zbog čega se dijelovi energije dovode u kondenzator za pohranu, čija veličina ovisi o ulaznom naponu, veličini induktivnosti i vremenu zatvaranja prekidača. Da bi veličina zavojnice i gubici u njoj bili mali, vrijednost induktivnosti je odabrana tako da bude mala, i, shodno tome, stopa ponavljanja takvih ciklusa je prilično visoka - desetine i stotine hiljada puta u sekundi . Treba napomenuti da pri pretjerano visokoj frekvenciji, gubici pri prebacivanju tranzistora koji se koriste kao prekidač postaju prilično

značajan. Ovdje je najvažnije da će uz pravilnu kontrolu ulaz takvog pretvarača sa strane mreže izgledati kao neki otpor (struja u svakom trenutku je proporcionalna naponu), a istovremeno i neki otpor. konstantan pritisak, praktično neovisno o opterećenju i naponu mreže (!). U tom slučaju neće doći do faznog pomaka (cos j 1)* niti narušavanja proporcionalnosti između napona u mreži i struje preuzete iz nje.

Visok napon na kondenzatoru za skladištenje olakšava osiguravanje energetskog kapaciteta napajanja, jer je energetski sadržaj kondenzatora proporcionalan kvadratu napona, dok su veličina i težina kondenzatora jednakog kapaciteta približno proporcionalni napon. Kao rezultat toga, kondenzator kapaciteta 2200 μF na naponu od 430V sadrži više od 200 J energije, a isti kondenzator na naponu od 60V sadrži samo oko 4 J, odnosno 50 (!) puta manje. Zapremina ovih kondenzatora se razlikuje samo šest do osam puta. Dakle, da bi se postigao isti energetski intenzitet na niskog napona potrebni su kondenzatori ogromnog kapaciteta - više od 100.000 mikrofarada po u ovom slučaju. Istovremeno, za besprijekoran rad uzornog visokokvalitetnog pojačala, energetski intenzitet njegovog napajanja ne smije biti manji od 0,5...0,8 J po W ukupne izlazne snage; za koncertna pojačala (osim subwoofera) 0,2. ..0,4 J po W je sasvim prihvatljivo. Uto Odnosno, pojačalo od 2x1000 W mora imati kapacitet napajanja od najmanje 400 J, odnosno 200.000 uF na 60V, a po mogućnosti tri puta više.

U praksi je energetski intenzitet tradicionalnih izvora napajanja za veliku većinu pojačala znatno niži, a razlog tome nisu samo banalne uštede proizvođača na transformatorima i kondenzatorima. Ništa manje značajna je činjenica da ispravljač sa kondenzatorima veliki kapacitet je kolo koje opterećuje mrežu samo u kratkim vremenskim periodima (za vrijeme „vrhova“ sinusoida), ali sa velikim strujama (vidi sliku 2), gdje je, inače, jasno da je oblik mrežnog napona je u velikoj mjeri izobličen takvim ispravljačima). Štaviše, što je transformator bolji i što je veći kapacitet, to je ova pojava izraženija. Takvo napajanje može se spojiti na mrežu samo ako postoje uređaji za meki start, inače će osigurači pregorjeti. Nadalje, svako, čak i malo povećanje mrežnog napona uzrokuje naglo povećanje veličina ovih strujnih impulsa, što dovodi do kvara ispravljača. Zbog toga je kapacitet kondenzatora (i, shodno tome, energetski intenzitet izvora napajanja) u većini pojačala s tradicionalnim napajanjem odabran mnogo niži nego što je potrebno kako bi se osigurala adekvatna rezerva snage na niskim frekvencijama.

Gledajući na sl. 3, uočavaju se još dvije okolnosti.

Prvi je da je vršna potrošnja struje nekoliko puta veća od prosjeka. Ali korisna snaga je određena prosječnom strujom, dok je pad napona na žicama određen vršnom strujom. I ispostavilo se da je mnogo više od prosjeka.

Druga okolnost je da struja koju troše kratki impulsi ima velika brzina mijenja i, shodno tome, stvara više smetnji.

Drugi problem se javlja u trofaznim mrežama. Zbog činjenice da su naponske faze u trofazna mreža pomaknuti za vrijeme znatno veće od trajanja ovih strujnih impulsa, oni prestaju biti kompenzirani u neutralnoj žici. Štoviše, struja u neutralnoj žici bit će približno jednaka zbroju faznih struja, dok u normalnoj situaciji struja kroz nju uopće nije

mora teći, a neutralna žica je obično tanja od faznih žica. Ako uzmete u obzir da struja kroz njega postaje veća nego kroz fazne žice, kao i da je zabranjeno postavljanje osigurača u neutralnu žicu, nije teško pogoditi da požar nije daleko odavde. Stoga je veličina harmonika struje potrošnje ograničena prilično strogim međunarodnim standardima. Tradicionalni izvori napajanja snage iznad 150...200 W u osnovi ne mogu zadovoljiti ove standarde. To će dovesti do činjenice da kada visokih kapaciteta Tradicionalni izvori napajanja su jednostavno zabranjeni.

Svi ovi problemi se mogu izbjeći ako, sa strane mreže, napajanje izgleda kao čisto aktivni otpor, poput željeza ili sijalice sa žarnom niti.

Upravo tako funkcionira napajanje sa korekcijom faktora snage. Problemi vezani za nestabilnost mreže nestaju, a moguće je obezbijediti i potreban energetski intenzitet napajanja.

Postaje potpuno očito da upotreba korektora faktora snage nije samo obavezna (sa stajališta zakona), već i apsolutno neophodna za "pošten" rad profesionalnih visokokvalitetnih pojačala.

*Mali dodatak: cos j i faktor snage se često brkaju, iako nisu ista stvar. Cos j je mjera koliki dio struje koja teče u žicama zapravo ide na opterećenje (i vrši koristan rad), dok se pretpostavlja da su i napon i struja striktno sinusoidni. Ako nema pomaka faze, cos j = 1. Ako fazni pomak dostigne 90 stepeni, bez obzira na predznak, cos j postaje nula - korisna snaga se jednostavno ne prenosi na opterećenje.

Faktor snage se poklapa sa cos j samo u slučaju čisto sinusnih struja i napona. Ako su struja ili napon nesinusoidni, ostaje primjenjiv samo faktor snage, koji pokazuje koliki se udio struje koja prolazi kroz žice i zagrijava ih korisno prenosi na opterećenje. Faktor snage konvencionalnog ispravljača ne prelazi 0,25...0,3, dok je za dobar PFC najmanje 0,92...0,95, tj. 3-4 puta više (otuda dolazi razlika od tri do četiri puta!).

Tehnologija konverzije

Uvod

Poslednjih decenija, broj elektronike koja se koristi u domovima, kancelarijama i fabrikama dramatično se povećao, a većina uređaja koristi prekidačko napajanje. Takvi izvori stvaraju harmonijska i nelinearna strujna izobličenja, koja negativno utječu na električnu instalaciju i električne uređaje priključene na njih. Ovaj uticaj nije izražen samo u različitim tipovima smetnje, utičući na rad osetljivih uređaja, ali i u pregrijavanje neutralne linije. Kada struje teku u opterećenjima sa značajnim harmonijskim komponentama koje nisu u fazi s naponom, struja u neutralnoj žici (koja, kada simetrično opterećenje, praktično, jednaka nuli) može porasti do kritične vrijednosti.

Međunarodna elektrotehnička komisija (IEC) i Evropska organizacija za elektrotehničku standardizaciju (CENELEC) usvojile su standarde IEC555 i EN60555, koji postavljaju ograničenja za sadržaj harmonika u ulaznoj struji sekundarnih izvora napajanja, elektronskih opterećenja. fluorescentne lampe, DC motori i slični uređaji.

Jedan od efikasne načine rješenje ovog problema je korištenje korektora faktora snage PFC ( Faktor snage Ispravka). U praksi, to znači da poseban PFC krug mora biti uključen u ulazni krug gotovo svakog elektroničkog uređaja s impulsnim pretvaračima, koji osigurava smanjenje ili potpuno potiskivanje strujnih harmonika.

Korekcija faktora snage

Tipično prekidačko napajanje sastoji se od mrežnog ispravljača, kondenzatora za izravnavanje i pretvarača napona. Takav izvor troši energiju samo u onim trenucima kada je napon koji se dovodi od ispravljača do kondenzatora za izravnavanje veći od napona na njemu (kondenzatoru), što se javlja oko četvrtine perioda. Ostatak vremena izvor ne troši energiju iz mreže, jer se opterećenje napaja kondenzatorom. To dovodi do činjenice da opterećenje preuzima snagu samo na vrhuncu napona, potrošena struja ima oblik kratkog impulsa i sadrži skup harmonijskih komponenti (vidi sliku 1).

Sekundarni izvor napajanja s korekcijom faktora snage troši struju s niskim harmonijskim izobličenjem, ravnomjernije preuzima snagu iz mreže i ima faktor vrha (odnos amplitudne vrijednosti struje prema njenoj efektivnoj vrijednosti) niži od onog kod nekorigiranog izvora . Korekcija faktora snage smanjuje RMS trenutnu potrošnju, omogućavajući da se više energije poveže na jednu utičnicu. različitih uređaja bez stvaranja prekomernih struja u njemu (vidi sliku 2).

Faktor snage

Faktor snage PF je parametar koji karakterizira izobličenje koje stvara opterećenje (u našem slučaju, sekundarni izvor napajanja) u AC mreži. Postoje dvije vrste izobličenja - harmonijska i nelinearna. Harmoničko izobličenje je uzrokovano reaktivnim opterećenjem i predstavlja fazni pomak između struje i napona. Nelinearna izobličenja se unose u mrežu „nelinearnim“ opterećenjima. Ova izobličenja se izražavaju u odstupanju valnog oblika struje ili napona od sinusoida. Kada harmonijsko izobličenje faktor snage je kosinus fazne razlike između struje i napona ili omjera aktivna snaga na ukupnu potrošnju energije iz mreže. Za nelinearna distorzija Faktor snage jednak je udjelu snage prve harmoničke komponente struje u ukupnoj snazi ​​koju troši uređaj. Može se smatrati pokazateljem koliko ravnomjerno uređaj troši struju iz mreže.

Uglavnom faktor snage je proizvod kosinusa ugla fazne razlike između napona i struje i kosinusa ugla između osnovnog harmonijskog vektora i vektora prividna struja. Obrazloženje dato u nastavku dovodi do ove definicije. Efektivna struja koja teče u aktivnom opterećenju ima oblik:

I 2 eff =I 2 0 +I 2 1eff +SI 2 neff,

gdje je I 2 neff konstantna komponenta (u slučaju sinusnog napona je nula), I 2 1eff je glavni harmonik, a pod predznakom sume su niži harmonici. Kada radite na reaktivno opterećenje reaktivna komponenta se pojavljuje u ovom izrazu i ima oblik:

I 2 eff =I 2 0 +(I 2 1eff(P) +I 2 1eff(Q))+SI 2 neff. Aktivna snaga je prosječna vrijednost snage dodijeljene aktivnom opterećenju u određenom periodu.

Može se predstaviti kao proizvod efektivni napon na aktivnu komponentu struje P=U eff Ch I 1eff(P). Fizički, ovo je energija koja se oslobađa u obliku topline po jedinici vremena po aktivni otpor. Reaktivna snaga se podrazumijeva kao proizvod efektivnog napona i reaktivne komponente struje: Q = U eff H I 1 eff (Q). Fizičko značenje je energija koja se pumpa dva puta po periodu od generatora do opterećenja i dva puta od opterećenja do generatora. Ukupna snaga je proizvod efektivnog napona i ukupne snage efektivna struja: S=U eff Ch I eff(ukupno) . Na kompleksnoj ravni može se predstaviti kao zbir vektora P i Q, iz kojih je vidljiva zavisnost I 2 =I 1eff(ukupni) cos j, gdje je j ugao između vektora P i Q, koji također karakteriše fazna razlika između struje i napona u kolu.

Na osnovu gore navedenog, izvodimo definiciju za faktor snage:

PF=P/S=(I 1eff cos j)/(Ieff(ukupno)).

Vrijedi napomenuti da je omjer (I 1eff)/(I eff(ukupno)) kosinus ugla između vektora koji odgovaraju efektivna vrijednost ukupna struja i efektivnu vrijednost njegovog prvog harmonika. Ako ovaj ugao označimo kao q, onda izraz za faktor snage ima oblik: PF=cos j H cos q. Zadatak korekcije faktora snage je da se ugao razlike faza j između napona i struje, kao i ugao harmonijskog izobličenja q potrošene struje, približi nuli (ili, drugim riječima, približi oblik krivulje struje što je moguće bliže sinusoidi i kompenzujte fazni pomak što je više moguće).

Faktor snage se izražava kao decimalni razlomak, čija se vrijednost kreće od 0 do 1. Njegova idealna vrijednost je jedan (za poređenje, tipično prekidačko napajanje bez korekcije ima vrijednost faktora snage oko 0,65), 0,95 je dobra vrijednost ; 0,9 - zadovoljavajuće; 0,8 - nezadovoljavajuće. Primjena korekcije faktora snage može povećati faktor snage uređaja sa 0,65 na 0,95. Vrijednosti u rasponu od 0,97...0,99 su također prilično realne. IN idealno, kada je faktor snage jednak jedinici, uređaj troši sinusoidnu struju iz mreže sa nultim faznim pomakom u odnosu na napon (što odgovara potpuno otpornom opterećenju sa linearnom strujno-naponskom karakteristikom).

Pasivna korekcija faktora snage

Metoda pasivne korekcije najčešće se koristi u jeftinim uređajima male snage (gdje ne postoje strogi zahtjevi za intenzitetom nižih strujnih harmonika). Pasivna korekcija vam omogućava da postignete faktor snage od oko 0,9. Ovo je zgodno u slučaju kada je izvor napajanja već dizajniran, ostaje samo stvoriti odgovarajući filter i uključiti ga u krug na ulazu.

Pasivna korekcija faktora snage sastoji se od filtriranja trenutne potrošnje pomoću LC bandpass filtera. Ova metoda ima nekoliko ograničenja. LC filter može biti efikasan kao korektor faktora snage samo ako napon, frekvencija i opterećenje variraju unutar uskog raspona vrijednosti. Budući da filter mora raditi u području niske frekvencije (50/60 Hz), njegove komponente su velike veličine, težine i nizak faktor kvaliteta(što nije uvijek prihvatljivo). Prvo, broj komponenti sa pasivnim pristupom je mnogo manji i samim tim je vreme između kvarova duže, i drugo, uz pasivnu korekciju, stvara se manje elektromagnetnih i kontaktnih smetnji nego kod aktivne.

Aktivna korekcija faktor snage

Korekcija aktivnog faktora snage mora zadovoljiti tri uslova:

1) Oblik potrošene struje treba da bude što bliži sinusoidalnom i „u fazi“ sa naponom. Trenutna vrijednost struje koja se troši iz izvora mora biti proporcionalna trenutnom naponu mreže.

2) Snaga koja se uzima iz izvora mora ostati konstantna čak i ako se napon mreže promijeni. To znači da kada se mrežni napon smanji, struja opterećenja se mora povećati, i obrnuto.

3) Napon na izlazu PFC korektora ne bi trebao ovisiti o veličini opterećenja. Kako se napon na opterećenju smanjuje, struja kroz njega mora rasti, i obrnuto.

Postoji nekoliko shema koje se mogu koristiti za implementaciju korekcije aktivnog faktora snage. Najpopularniji trenutno je „krug pretvarača pojačanja“. Ova šema zadovoljava sve zahtjeve za savremeni izvori ishrana. Prvo, omogućava rad u mrežama sa različitim naponima napajanja (od 85 do 270 V) bez ograničenja ili ikakvih dodatnih podešavanja. Drugo, manje je podložan odstupanjima električnih parametara mreže (naponi ili kratkotrajni nestanci struje). Još jedna prednost ove sheme je što je više jednostavna implementacija zaštita od prenapona. Pojednostavljeni dijagram "pojačanog pretvarača" prikazan je na Sl. 3.

Princip rada

Standardni korektor faktora snage je AD/DC pretvarač sa modulacijom širine impulsa (PWM). Modulator upravlja moćnim (obično MOSFET) prekidačem, koji pretvara direktni ili ispravljeni mrežni napon u niz impulsa, nakon čijeg ispravljanja se na izlazu dobiva konstantan napon.

Vremenski dijagrami rada korektora prikazani su na sl. 4. Kada je MOSFET prekidač uključen, struja u induktoru raste linearno - dok je dioda zaključana, a kondenzator C2 se isprazni do opterećenja. Zatim, kada je tranzistor isključen, napon na induktoru "otvara" diodu i energija pohranjena u induktoru puni kondenzator C2 (i istovremeno napaja opterećenje). U gornjem krugu (za razliku od izvora bez korekcije), kondenzator C1 ima mali kapacitet i služi za filtriranje visokofrekventne smetnje. Frekvencija konverzije je 50...100 kHz. U najjednostavnijem slučaju, krug radi s konstantnim radnim ciklusom. Postoje načini za povećanje efikasnosti korekcije dinamičkom promjenom radnog ciklusa (usklađivanje ciklusa s naponom iz mrežnog ispravljača).

Krug "pojačanog pretvarača" može raditi u njemu tri moda: kontinuirano , diskretno i tzv. kritični način provodljivosti" IN diskretno režimu, tokom svakog perioda struja induktora uspeva da „padne“ na nulu i nakon nekog vremena ponovo počinje da raste, a u kontinuirano- struja, koja nema vremena da dostigne nulu, ponovo počinje rasti. Mode kritična provodljivost koristi se rjeđe od prethodna dva. Teže je za implementaciju. Njegovo značenje je da se MOSFET otvara u trenutku kada dostigne struja induktora nula vrijednost. Kada se radi u ovom načinu rada, podešavanje izlaznog napona je pojednostavljeno.

Izbor načina rada ovisi o potrebnoj izlaznoj snazi ​​izvora napajanja. Uređaji sa snagom većom od 400 W koriste kontinuirani način rada, dok uređaji male snage koriste diskretni način rada. Korekcija aktivnog faktora snage vam omogućava da postignete vrijednosti od 0,97...0,99 sa koeficijentom THD (Total Harmonic Distortion) od 0,04...0,08.

Uključivanje nelinearnih opterećenja u mrežu izmjenične struje, na primjer, svjetiljke sa žaruljama na plinsko pražnjenje, kontrolirani elektromotori, prekidački izvori napajanja, dovodi do činjenice da je struja koju troše ovi uređaji pulsirajuća u prirodi sa veliki procenat sadržaj visokih harmonika. To može uzrokovati probleme s elektromagnetnom kompatibilnošću tokom rada. razne opreme. To također dovodi do smanjenja aktivne snage mreže.

Kako bi se takve spriječile negativan uticaj standard se odnosi na mreže za napajanje u Evropi i SAD IEC IEC 1000-3-2, kojim se utvrđuju standardi za harmonijske komponente potrošene struje i faktor snage za sisteme napajanja snage veće od 50 W i sve vrste rasvjetne opreme. Počevši od 80-ih godina prošlog vijeka do danas, ovi standardi su se dosljedno pooštravali, što je zahtijevalo donošenje posebnih mjera i podstaklo programere opreme da razviju različite opcije kola koje poboljšavaju faktor snage.

Počevši od 80-ih godina prošlog stoljeća, u gore navedenim zemljama, počeli su se aktivno razvijati i koristiti mikro krugovi, na osnovu kojih se lako mogu kreirati jednostavni korektori faktora snage za ispravljače i elektronske prigušnice.

U Sovjetskom Savezu, a kasnije i u Ruska Federacija, takva ograničenja nisu uvedena za potrošače električne energije. Iz tog razloga, pitanjima povećanja faktora snage nije posvećena dovoljna pažnja u tehničkoj literaturi. IN poslednjih godina situacija se donekle promijenila, uglavnom zbog dostupnosti uvoznog elektronske komponente, čija upotreba omogućuje stvaranje sklopova aktivnih korektora koji su pouzdani u radu i jeftini po cijeni.

Snaga izobličenja i generalizovani faktor snage

Negativan utjecaj na opskrbnu mrežu određuju dvije komponente: izobličenje valnog oblika struje u opskrbnoj mreži i potrošnja reaktivne energije. Stepen uticaja potrošača na mrežu napajanja zavisi od njene snage.

Izobličenje oblika struje je zbog činjenice da je struja na ulazu ventilskog pretvarača nesinusoidna (slika 1). Nesinusoidne struje se stvaraju na unutrašnji otpor napojna mreža, nesinusoidni padovi napona, uzrokujući izobličenje oblika napona napajanja. Nesinusoidni mrežni naponi se šire u Fourierov niz u neparne sinusoidne komponente viših harmonika. Prvi je glavni (onaj koji bi idealno trebao biti), treći, peti itd. Viši harmonici imaju izuzetno negativan utjecaj na mnoge potrošače, prisiljavajući ih da poduzmu posebne (često vrlo skupe) mjere kako bi ih neutralizirali.

Rice. 1.

Potrošnja reaktivne snage dovodi do zaostajanja struje od napona za ugao (slika 2). Reaktivnu snagu troše ispravljači koji koriste jednooperacijske tiristore, koji odgađaju moment uključivanja u odnosu na prirodnu komutaciju, što uzrokuje da struja zaostaje za naponom. Ali oni troše još više reaktivne snage asinhroni elektromotori, koji imaju pretežno induktivno opterećenje. To podrazumijeva kolosalne gubitke korisne snage, za koje, osim toga, nitko ne želi platiti - brojila električne energije u domaćinstvu računaju samo aktivnu snagu.

Rice. 2.

Da bi se opisao uticaj pretvarača na mrežu napajanja, uvodi se koncept ukupne snage:

, Gdje:

- efektivnu vrijednost primarnog napona,

- efektivna vrijednost primarne struje,

, - efektivne vrednosti primarni harmonik napon i struja,

Efektivne vrijednosti napona i struje viših harmonika.

Ako je primarni napon sinusoidan - , Zatim:

,

,

ϕ 1 - ugao pomaka faze između sinusoidnog napona i prvog harmonika struje.

N je snaga izobličenja uzrokovana protokom viših harmonijskih struja u mreži. Prosječna snaga tokom perioda zbog ovih harmonika je nula, jer frekvencije harmonika i primarnog napona se ne poklapaju.

Viši harmonici struje uzrokuju smetnje u osjetljivoj opremi i dodatne gubitke vrtložnih struja u mrežnim transformatorima.

Za ventilske pretvarače uvodi se koncept faktora snage χ, koji karakterizira učinak jalove snage i snage izobličenja:

,

- koeficijent distorzije primarne struje.

Dakle, očigledno je da faktor snage zavisi od ugla kašnjenja struje u odnosu na napon i veličine viših harmonika struje.

Metode poboljšanja faktora snage

Postoji nekoliko načina da se smanji negativan utjecaj pretvarača na mrežu napajanja. Evo nekih od njih:

Koristeći višestepenu faznu kontrolu (slika 3).

Rice. 3.

Upotreba ispravljača sa slavinama iz transformatora dovodi do povećanja broja talasa po periodu. Što više grana iz transformatora, to veći broj talasanje po periodu, što je oblik ulazne struje bliži sinusoidalnom. Značajan nedostatak ova metoda je visoka cijena i dimenzije transformatora sa dovoljnim brojem grana (da bi se postigao efekat mora ih biti više nego na slici). Proizvodnja elementa za namotavanje takve složenosti je vrlo težak zadatak i teško ga je automatizirati - otuda i cijena. A ako je sekundarni izvor energije koji se razvija mali, onda je ova metoda očito neprihvatljiva.

Rice. 4.

Povećanje faze ispravljača. Metoda dovodi do povećanja broja pulsiranja po periodu. Nedostatak ove metode je vrlo složena konstrukcija transformatora i skup i glomazan ispravljač. Osim toga, nemaju svi potrošači trofaznu mrežu.

Upotreba korektori faktora snage (PFC). Postoje elektronske i neelektronske kase. Elektromagnetski kompenzatori reaktivne snage - sinhroni motori koji stvaraju energiju u mrežu - široko se koriste kao neelektronski PFC. reaktivna snaga. Očigledno, iz očiglednih razloga, takvi sistemi su neprikladni za kućne potrošače. Elektronski PFC - sistem rješenja kola dizajniran za povećanje faktora snage - je možda najviše optimalno rešenje za potrošnju u domaćinstvu.

Princip rada kase

Glavni zadatak PFC-a je smanjiti na nulu zaostajanje potrošene struje od napona mreže uz održavanje sinusoidnog oblika struje. Da biste to učinili, potrebno je uzimati struju iz mreže ne u kratkim intervalima, već tijekom cijelog perioda rada. Snaga koja se uzima iz izvora mora ostati konstantna čak i ako se napon mreže promijeni. To znači da kada se mrežni napon smanji, struja opterećenja se mora povećati, i obrnuto. Za ove namjene prikladni su pretvarači s induktivnim skladištenjem i prijenosom energije u obrnutom smjeru.

Metode korekcije se mogu podijeliti na niskofrekventne i visokofrekventne. Ako je frekvencija rada korektora mnogo veća od frekvencije napojne mreže, radi se o visokofrekventnom korektoru, u suprotnom je o niskofrekventnom.

Razmotrimo princip rada tipičnog korektora snage (slika 5). Na pozitivnom poluvalu, u trenutku kada napon mreže prolazi kroz nulu, tranzistor VT1 se otvara, struja teče kroz krug L1-VD3-VD8. Nakon isključivanja tranzistora VT1, induktor počinje oslobađati energiju nakupljenu u njemu kroz diode VD1 i VD6 do filterskog kondenzatora i opterećenja. S negativnim poluvalom, proces je sličan, samo ostali parovi dioda rade. Kao rezultat korištenja takvog korektora, potrošnja struje je pseudo-sinusoidalne prirode, a faktor snage dostiže vrijednost od 0,96...0,98. Nedostatak ove sheme su velike dimenzije zbog upotrebe niskofrekventne prigušnice.

Rice. 5.

Povećanje radne frekvencije PFC-a omogućava smanjenje dimenzija filtera (slika 6). Kada je prekidač za napajanje VT1 otvoren, struja u induktoru L1 raste linearno - dok je dioda VD5 zaključana, a kondenzator C1 se isprazni do opterećenja.

Rice. 6.

Tada se tranzistor isključuje, napon na induktoru L1 otključava diodu VD5 i induktor prenosi akumuliranu energiju na kondenzator, dok istovremeno napaja opterećenje (slika 7). U najjednostavnijem slučaju, krug radi s konstantnim radnim ciklusom. Postoje načini za povećanje efikasnosti korekcije dinamičkom promjenom radnog ciklusa (tj. usklađivanjem ciklusa s naponskom ovojnicom mrežnog ispravljača).

Rice. 7. Oblici napona i struje visokofrekventnog PFC-a: a) sa promjenjivom frekvencijom uključivanja, b) sa konstantnom frekvencijom uključivanja

Mikro kola za izgradnju visoko efikasnih korektora STMicroelectronics

S obzirom na mogućnosti modernog elektronska industrija, visokofrekventni PFC su optimalan izbor. Integralni dizajn cijelog korektora snage ili njegovog upravljačkog dijela u suštini je postao standard. Trenutno postoji veći izbor kontrolnih čipova za konstruisanje PFC kola koje proizvode različiti proizvođači. Među svom tom raznolikošću, vredi obratiti pažnju na mikrokola L6561/2/3 proizvođača STMicroelectronics (www.st.com).

L6561, L6562 i L6563- serija mikro kola specijalno dizajniranih od strane STMicroelectronics inženjera za izgradnju visoko efikasnih korektora faktora snage (tabela 1).

Tabela 1. Čipovi za korekciju faktora snage

Na osnovu L6561/2/3, možete napraviti jeftin, ali efikasan korektor (slika 8). Zahvaljujući ugrađenom proaktivnom sistemu upravljanja, programeri su uspjeli postići visoka preciznost regulacija izlaznog napona (1,5%), kontrolisana ugrađenim pojačivačem greške.

Rice. 8.

Moguća je interakcija sa DC/DC pretvaračem spojenim na korektor. Ova interakcija se sastoji od isključivanja pretvarača od strane mikrokola (ako podržava ovu funkciju) kada se pojave nepovoljni uslovi. spoljni uslovi(pregrijavanje, prenapon). S druge strane, pretvarač također može pokrenuti uključivanje i isključivanje mikrokola. Ugrađeni drajver vam omogućava da kontrolišete moćne MOSFET ili IGBT tranzistori. Prema proizvođaču, na osnovu LP6561/2/3 moguće je implementirati napajanje snage do 300 W.

Za razliku od analoga drugih proizvođača, LP6561/2/3 opremljeni su posebnim krugovima koji smanjuju vodljivost izobličenja ulazne struje koja nastaje kada ulazni napon dostigne nulu. Glavni razlog za ovu smetnju je “mrtva zona” koja nastaje tokom rada diodnog mosta, kada su sve četiri diode zatvorene. Par dioda koje rade na pozitivnom poluvalu ispada da je zatvoren zbog promjene polariteta napona napajanja, a drugi par još nije imao vremena da se otvori zbog vlastite kapacitet barijere. Ovaj efekat je pojačan prisustvom filterskog kondenzatora koji se nalazi iza diodni most, koji, kada se promijeni polaritet napajanja, zadržava neki preostali napon, koji ne dozvoljava diodama da se otvore na vrijeme. Dakle, očito je da struja u tim trenucima ne teče, njen oblik je izobličen. Upotreba novih PFC kontrolera može značajno smanjiti vrijeme "mrtve zone", čime se smanjuje izobličenje.

U nekim slučajevima, bilo bi vrlo zgodno kontrolirati izlazni napon koji se dovodi do DC/DC pretvarača pomoću PFC-a. L6561/2/3 dozvoljavaju takvu kontrolu, nazvanu „kontrola pojačanja praćenja“. Da biste to učinili, samo instalirajte otpornik između TBO pina i GND.

Vrijedi napomenuti da su sva tri mikrokola međusobno kompatibilna u smislu pinova. Ovo može znatno olakšati razvoj štampana ploča uređaja.

Dakle, možemo istaknuti sljedeće karakteristike mikrokola L6561/2/3:

podesiva zaštita od prenapona;

ultra-niska startna struja (manje od 50 µA);

niska struja mirovanja (manje od 3 mA);

široka granica ulaznog napona;

ugrađeni filter koji povećava osjetljivost;

mogućnost odvajanja od opterećenja;

mogućnost kontrole izlaznog napona;

mogućnost interakcije direktno sa pretvaračem.

Zaključak

Trenutno postoje strogi zahtevi u skladu sa merama bezbednosti i ekonomičnosti savremenih elektronskih uređaja. Konkretno, prilikom razvoja modernih prekidačkih izvora napajanja, potrebno je službeno uzeti u obzir prihvaćenim standardima. IEC 1000-3-2 je standard za sve velike snage izvor pulsa napajanje, jer utvrđuje standarde za harmonijske komponente potrošene struje i faktor snage za sisteme napajanja snage veće od 50 W i sve vrste rasvjetne opreme. Prisustvo korektora faktora snage pomaže u ispunjavanju zahtjeva ovog standarda, tj. njegovo prisustvo u moćan izvor ishrana je jednostavna potreba. L6561/2/3 - optimalan izbor da se napravi efikasan i u isto vreme jeftin korektor faktora snage.

Potvrda tehničke informacije, naručivanje uzoraka, dostava - e-mail:

O ST Microelectronics