Uključivanje nelinearnih opterećenja u mrežu izmjenične struje, na primjer, svjetiljki sa lampama na plinsko pražnjenje, kontroliranim elektromotorima, prekidačkim izvorima napajanja dovodi do činjenice da struja koju troše ovi uređaji ima pulsni karakter sa velikim procentom visoke harmonike. Zbog toga mogu nastati problemi sa EMC-om pri radu s različitim uređajima. To također dovodi do smanjenja aktivne snage mreže.

Kako bi se spriječili ovakvi negativni efekti na elektroenergetske mreže u Europi i SAD-u, standard IEC IEC 1000-3-2, kojim se utvrđuju norme za harmonijske komponente potrošnje struje i faktor snage za sisteme napajanja snage veće od 50 W i sve vrste rasvjetne opreme. Počevši od 80-ih godina prošlog stoljeća do danas, ovi standardi su dosljedno pooštravani, što je izazvalo potrebu za posebnim mjerama i gurnulo programere opreme da razviju različite opcije za sheme koje osiguravaju povećanje faktora snage.

Počevši od 80-ih godina prošlog stoljeća, u 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 iu Ruskoj Federaciji, takva ograničenja nisu bila nametnuta potrošačima električne energije. Iz tog razloga, poboljšanju faktora snage je posvećeno malo pažnje u tehničkoj literaturi. Posljednjih godina situacija se donekle promijenila, uglavnom zbog dostupnosti uvezenih elektroničkih komponenti, čija upotreba omogućuje stvaranje aktivnih korektorskih kola koja su pouzdana u radu i jeftina.

Snaga izobličenja i generalizovani faktor snage

Negativan utjecaj na opskrbnu mrežu određuju dvije komponente: izobličenje oblika struje opskrbne mreže i potrošnja reaktivne energije. Stepen uticaja potrošača na opskrbnu mrežu zavisi od njene snage.

Izobličenje oblika struje je zbog činjenice da je struja na ulazu ventilskog pretvarača nesinusoidna (slika 1). Nesinusne struje stvaraju nesinusne padove napona na unutrašnjem otporu mreže za napajanje, uzrokujući izobličenje oblika napona napajanja. Nesinusoidni mrežni naponi se razlažu u Fourierovom nizu na neparne sinusne komponente viših harmonika. Prvi je glavni (onaj koji bi idealno trebao biti), treći, peti itd. Viši harmonici imaju izuzetno negativan učinak na mnoge potrošače, prisiljavajući ih da koriste 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 jednooperativne tiristori, koji odgađaju trenutak uključivanja u odnosu na točku prirodnog uključivanja, što uzrokuje zaostajanje struje za naponom. Ali još više reaktivne snage troše asinhroni elektromotori, koji imaju pretežno induktivnu prirodu opterećenja. 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 učinak pretvarača na mrežu napajanja, uvodi se koncept ukupne snage:

, gdje:

- efektivna vrijednost primarnog stresa,

- efektivna vrijednost primarne struje,

, - efektivne vrijednosti napona i struje primarnog harmonika,

Efektivne vrijednosti napona i struja viših harmonika.

Ako je primarni napon sinusoidan - , zatim:

,

,

ϕ 1 je fazni ugao 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 struja 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:

,

je faktor izobličenja primarne struje.

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

Tehnike 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 pulsacija po periodu. Što je više odvoda iz transformatora, veći je broj talasa po periodu, to je talasni oblik ulazne struje bliži sinusoidalnom. Značajan nedostatak ove metode je visoka cijena i dimenzije transformatora s dovoljnim brojem slavina (da bi se postigao učinak, mora ih biti više nego na slici). Izrada elementa za namotavanje takve složenosti je vrlo težak zadatak koji se ne podliježe automatizaciji - otuda i cijena. A ako je razvijeni sekundarni izvor napajanja mali, onda je ova metoda nedvosmisleno neprihvatljiva.

Rice. 4.

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

Upotreba korektori faktora snage (PFC)... Postoje elektronski i neelektronski PFC. Elektromagnetski kompenzatori jalove snage se široko koriste kao neelektronski KKM - sinhroni motori koji generiraju reaktivnu snagu u mrežu. Očigledno, iz očiglednih razloga, takvi sistemi su neprikladni za domaćeg potrošača. Elektronski KKM - sistem rješenja sklopova dizajniran za povećanje faktora snage - je, možda, najoptimalnije rješenje za potrošnju u domaćinstvu.

Princip rada KKM-a

Glavni zadatak KKM-a je smanjiti na nulu zaostajanje potrošene struje od napona u mreži 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 izvučena 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 na povratku.

Metode korekcije mogu se grubo podijeliti na niskofrekventne i visokofrekventne. Ako je frekvencija korektora mnogo veća od frekvencije 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 mrežni napon prijeđe nulu, tranzistor VT1 se otvara, struja teče kroz krug L1-VD3-VD8. Nakon isključivanja tranzistora VT1, prigušnica počinje odustajati od energije pohranjene u njoj, preko dioda VD1 i VD6 u filterski kondenzator i opterećenje. S negativnim poluvalom, proces je sličan, samo ostali parovi dioda rade. Kao rezultat korištenja takvog korektora, potrošnja struje ima pseudo-sinusoidalni karakter, a faktor snage doseže 0,96 ... 0,98. Nedostatak ove sheme je velika veličina zbog upotrebe niskofrekventne prigušnice.

Rice. 5.

Povećanje frekvencije KKM-a omogućava vam da smanjite veličinu filtera (slika 6). Kada je prekidač za napajanje VT1 otvoren, struja u prigušnici L1 raste linearno - dok je dioda VD5 zatvorena, a kondenzator C1 se isprazni do opterećenja.

Rice. 6.

Tada se tranzistor isključuje, napon na prigušnici L1 uključuje diodu VD5 i prigušnica predaje pohranjenu energiju kondenzatoru, dok istovremeno napaja opterećenje (slika 7). U najjednostavnijem slučaju, krug radi s konstantnim radnim ciklusom. Postoje načini da se poveća efikasnost korekcije dinamičkom promjenom radnog ciklusa (tj. usklađivanjem ciklusa s naponskom ovojnicom mrežnog ispravljača).

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

Mikro kola za izgradnju korektora visokih performansi STMicroelectronics

Uzimajući u obzir mogućnosti moderne elektronske industrije, visokofrekventni PFC-i su najbolji izbor. Integralna izvedba cijelog korektora snage ili njegovog upravljačkog dijela postala je, zapravo, standard. Trenutno postoji veći izbor upravljačkih mikro krugova za konstruisanje PFC kola različitih proizvođača. Među svom ovom raznolikošću, vrijedi obratiti pažnju na L6561 / 2/3 mikrokola koje proizvodi 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. Mikro kola korektora faktora snage

Ime	voltaža napajanje, V	Current inkluzije, μA	Struja potrošnje u aktivnom načinu rada, mA	Potrošnja struje u stanju pripravnosti, mA	Izlazna struja prednapona, μA	Vrijeme porasta struje prekidača za napajanje, ns	Vrijeme opadanja struje prekidača za napajanje, ns
L6561	11…18	50	4	2,6	-1	40	40
L6562	10,3…22	40	3,5	2,5	-1	40	30
L6563	10,3…22	50	3,8	3	-1	40	30

Na osnovu L6561 / 2/3, može se napraviti jeftin, ali efikasan korektor (slika 8). Zahvaljujući ugrađenom sistemu prediktivne kontrole, programeri su uspeli da postignu visoku tačnost regulacije izlaznog napona (1,5%), koju kontroliše ugrađeni mismatch pojačavač.

Rice. osam.

Predviđena je mogućnost interakcije sa DC / DC pretvaračem spojenim na korektor. Ova interakcija se sastoji u isključivanju pretvarača od strane mikrokola (ako podržava takvu mogućnost) u slučaju nepovoljnih vanjskih uvjeta (pregrijavanje, prenapon). S druge strane, pretvarač može inicirati uključivanje i isključivanje mikrokola. Ugrađeni drajver vam omogućava da upravljate moćnim MOSFET-ovima ili IGBT-ovima. Prema proizvođaču, na osnovu LP6561 / 2/3 može se realizovati 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 dosegne nulu. Glavni uzrok ove smetnje 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 se još nije uspio otvoriti zbog vlastite kapacitivnosti barijere. Ovaj efekat je pojačan u prisustvu filterskog kondenzatora koji se nalazi iza diodnog mosta, koji, kada je polaritet napajanja obrnut, zadržava neki preostali napon, koji ne dozvoljava diodama da se otvore na vreme. 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 ovu kontrolu, nazvanu "kontrola pojačanja praćenja". Da biste to učinili, jednostavno instalirajte otpornik između TBO pina i GND.

Treba napomenuti da su sva tri mikrokola međusobno kompatibilna. Ovo može uvelike pojednostaviti dizajn štampane ploče uređaja.

Dakle, mogu se razlikovati sljedeće karakteristike L6561 / 2/3 mikro krugova:

konfigurabilna zaštita od prenapona;

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

niska struja mirovanja (manje od 3 mA);

širok raspon ulaznih napona;

ugrađeni filter koji povećava osjetljivost;

mogućnost odvajanja od opterećenja;

mogućnost kontrole izlaznog napona;

mogućnost direktne interakcije sa pretvaračem.

Zaključak

Trenutno postoje strogi zahtjevi za poštovanje sigurnosnih mjera i ekonomičnost savremenih elektronskih uređaja. Posebno, prilikom projektovanja savremenih prekidačkih izvora napajanja, potrebno je voditi računa o zvanično usvojenim standardima. IEC 1000-3-2 je standard za bilo koje prekidačko napajanje velike snage jer definiše granice harmoničke struje i faktora snage za sisteme napajanja preko 50 W i sve vrste rasvjetne opreme. Prisustvo korektora faktora snage pomaže u ispunjavanju zahtjeva ovog standarda, tj. njegovo prisustvo u moćnom napajanju je jednostavna potreba. L6561 / 2/3 je optimalan izbor za izradu efikasnog i istovremeno jeftinog korektora faktora snage.

Dobijanje tehničkih informacija, naručivanje uzoraka, dostava - e-mail:

O ST Microelectronics

I.P. Sidorov Yu.A.

Pažnja. Visok napon, opasan po život.

Pažnja prilikom implementacije gornjeg dijagrama korektora faktora snage, morate imati iskustva u radu sa po život opasnim naponima i biti izuzetno oprezni.

krug radi sa naponom opasnim po život od 400 volti

Ako se naprave greške tijekom montaže, napon u krugu može doseći 1000 ili više volti.

Prilikom uključivanja i provjere sklopljenog kruga morate koristiti zaštitne naočale.

Šematski električni dijagram (ispravljen) korektora faktora snage prikazan je na Sl. 1.

pirinač. 1. Korektor faktora snage - dijagram. otvoren u velikoj veličini
Prethodni dijagram je otvoren u velikoj veličini

Na dijagramu su funkcionalne jedinice označene blokovima u boji:

• Braon - filter buke;
• Plava - soft start modul;
• Crvena - interno napajanje;
• Zelena - korektor faktora snage;
• Plava - modul za praćenje radnih parametara;
• Žuta - modul za aktiviranje ventilatora za prisilno hlađenje.

Na revidiranoj verziji dijagrama je navedeno (dostupno u velikoj veličini):
crveni pravougaonik - novi elementi kola;
zeleni oval - nove tačke spajanja kondenzatora C3 i C4.

Filter za smetnje štiti opskrbnu mrežu od smetnji koje nastaju komutacijskim ključnim tranzistorima. Filter također štiti strujni krug od buke u mreži i napona u mreži.

Modul mekog pokretanja ograničava potrošnju struje iz mreže napajanja u vrijeme početnog punjenja izlaznih elektrolitskih kondenzatora. Ovaj modul generiše invertirani KKM_SUCCESS signal. Kada se pojavi signal (pošto je signal invertiran - trenutak u kojem napon padne ispod 1V), možete uključiti opterećenje spojeno na izlaz korektora faktora snage. Ako se ovaj signal zanemari, neki elementi kola mogu otkazati.

Interno napajanje generiše konstantan napon od 15V (dozvoljene tolerancije +/- 2V). Ovaj napon se koristi za napajanje internih PFC kola.

Korektor faktora snage je glavni dio kola. KKM je napravljen na ir1155s kontroleru, radna frekvencija u ovom kolu je 160 kHz (odstupanja su +/- 5 kHz). Za pojačanje upravljačkih struja komutacijskih tranzistora koristi se jednokanalni drajver tc4420, koji osigurava struju upravljačkih signala do 6A.

Kontrolni modul radnih parametara kontroliše nivo smanjenog napona napajanja; radna temperatura KKM-a, trenutak dostizanja nazivnog napona na izlazu KKM-a

Modul za omogućavanje ventilatora za prisilno hlađenje uključuje ventilatore kada se pojavi odgovarajući signal.

Tabele denominacija elemenata KKM šeme.

Prilikom sastavljanja korektora faktora snage koristite samo originalni pribor. U slučaju korištenja neoriginalnih komponenti (krivotvorine, krivotvorine, itd.), KKM neće raditi ili neće raditi ispravno itd.

Faza 1. svi elementi moraju biti ugrađeni osim:
R3 - varistor;
L3 - KKM prigušnica
C25.2-C25.4 - izlazni elektrolitski kondenzatori, instalirajte samo jedan.

Montažna ploča je dizajnirana uzimajući u obzir ugradnju u kućište iz profila radijatora. U ovom slučaju, zidovi kućišta za elemente D1, D9, Q5, Q6 djeluju kao hladnjak, a odvođenje topline iz prigušnice L3 će biti teško. Temperatura prigušnice, u ovom slučaju, služi kao indikator zagrijavanja cijelog uređaja i stoga je termorezist R40 ugrađen ispod prigušnice.

U slučaju upotrebe kućišta u kojoj će uloga hladnjaka za elemente D1, D9, Q5, Q6 biti radijator - na površinu radijatora se mora ugraditi termistor R40. Potrebno je obezbijediti električnu izolaciju kućišta radijatora i termistora.

Zatim se ploča mora očistiti od zaostalog fluksa i drugih zagađivača.

Ploča nakon ovog koraka sastavljanja će izgledati ovako

pirinač. 2. Gornji dio KKM ploče.

Na ovoj ploči, termistor i izlazna žica su umotani u skupljanje. Budući da će termistor biti mehanički pričvršćen za radijator, stavlja se u dodatnu termoskupljajuću izolaciju kako bi se povećala čvrstoća električne izolacije.

pirinač. 3. Donji dio KKM montažne ploče.

12V ventilator sa strujom ne većom od 0,2A mora biti spojen na KKM ploču.

PAŽNJA!!! Uređaj radi na smrtonosnom naponu od 400 volti.

KKM ploča mora biti povezana na regulirani izvor naizmjeničnog napona 220V 50 Hz sa ograničenjem struje od 0,05 A.

Nakon uključivanja napajanja, D8 LED bi trebao biti uključen, napon na D5 Zener diodi trebao bi biti unutar 14-17 volti. U nedostatku napona, potrebno je provjeriti napon na kondenzatoru C12, trebao bi biti oko 310 volti. Ako je prisutan napon, to znači nefunkcionalnost izvora napajanja u stanju pripravnosti. Čest uzrok neispravnosti je nepravilna montaža T1 impulsnog transformatora.

Napon na pinu 4 U1 (ir1155s) trebao bi biti oko 3,62 V, napon na pinu 6 je oko 3,75 V.

Pomoću osciloskopa potrebno je provjeriti rad PFC modula. Da biste to učinili, sonda osciloskopa mora biti povezana na pin 6 ili 7 U3 čipa (tc4420). Impulsi na pinu bi trebali odgovarati sljedećoj slici.

pirinač. 4. Grafikon signala na izlazu mikrokola drajvera tc4420.

Frekvencija impulsa treba da bude 160 kHz (+/- 5 kHz). Frekvenciju impulsa postavlja kondenzator C10. Povećanje kapacitivnosti dovodi do smanjenja frekvencije.

Amplituda signala na SG pinovima tranzistora snage će biti nešto niža nego na pinu njihovog drajvera (slika 5).

pirinač. 5. Grafikon signala na izlazima tranzistora snage SG.

U ovom slučaju, grafik signala preko otpornika Rg (R17, R18) će biti sljedeći (slika 6).

pirinač. 6. Grafikon signala preko otpornika Rg (R17, R18).

Dalje, dok se prate signali na izlazu drajvera, potrebno je glatko smanjivati ​​napon. S ulaznim naponom od 150-155 volti, generiranje impulsa bi trebalo prestati. Nakon prestanka generiranja impulsa, ulazni napon se mora postepeno povećavati, sa ulaznim naponom od 160-165 volti, generiranje impulsa se mora nastaviti.

Nastavljajući glatko povećavati napon, kada se dosegne 270-280 volti (AC), releji bi trebali raditi (možete odrediti po njihovom karakterističnom zvuku). Napon signala KKM_SUCCESS ne bi trebao biti veći od 1 volta. Zatim se napon mora postepeno smanjivati, kada napon padne na 250-260 volti, releji se moraju isključiti, signal na izlazu KKM_SUCCESS mora biti veći od 5 volti.

Pomoću pištolja za vrući zrak potrebno je zagrijati termistor, kada temperatura dostigne 45-50 C °, ventilator bi se trebao uključiti, kada temperatura dostigne 75-85 C °, generiranje impulsa bi trebalo prestati. Dok se termistor hladi, generiranje impulsa treba nastaviti u nizu i ventilator treba isključiti.

Isključite napajanje.

PAŽNJA!!! nakon isključivanja napajanja, napon opasan po život će ostati u krugu neko vrijeme (nekoliko minuta).

Faza 3. Potrebno je ugraditi preostale elemente kola: R3, L3, C25.2-C25.4 i hladnjak za elemente D1, D9, Q5, Q6. Potrebno je ugraditi termistor na hladnjak, osiguravajući nizak toplinski otpor između njih. Također je potrebno osigurati nisku toplinsku otpornost između D1, D9, Q5, Q6 i hladnjaka. U slučaju teškog prijenosa topline na radijator, ovi elementi će otkazati.

Kvaliteta ugradnje radijatora, sa stanovišta odvođenja topline, povoljno se kontrolira pomoću termovizira.

Rashladni element mora biti spojen na sabirnicu za uzemljenje (postoje rupe za montažu na pločici pored Y kondenzatora).

Obavezno je provjeriti električnu izolaciju između uzemljenja i N ili L sabirnica (N-L sabirnice se koriste za napajanje). Probojni napon električne izolacije mora biti najmanje 1000 Volti. Napon proboja izolacije iznad 1000 Volti ne treba provjeravati. Ovaj postupak se može izvesti pomoću posebnog uređaja - testera električne izolacije.

PAŽNJA!!!. U slučaju kršenja testirane električne izolacije, prilikom provjere, neki elementi kola mogu otkazati.

Primjer sklopa korektora faktora snage prikazan je na sljedećim slikama.

Faza 4. Spojite KKM na mrežno napajanje, ograničavajući potrošenu struju na 10A. Nakon uključivanja, napon na izlazu KKM-a trebao bi biti oko 385-400 V. Također bi se trebao čuti zvuk uključivanja releja. Povežite otporno opterećenje od 300 Ohma na KKM izlaz. Napon na izlazu PFC-a trebao bi ostati unutar istog raspona. PF mora biti najmanje 0,7.

Spojite KKM na električnu mrežu bez ograničavača struje. Povećanjem opterećenja na 2000 vati, PF bi također trebao porasti na vrijednost od najmanje 0,95. Grafikon PF u odnosu na opterećenje prikazan je na Sl. 7.

pirinač. 7. Grafikon zavisnosti PF od opterećenja.

Ako se PF vrijednost ne poveća na 0,95 s povećanjem opterećenja, to ukazuje na neispravan rad PFC-a. Vjerovatni razlozi za ovako netačan mogu biti: otpornički strujni senzor, prigušnica, greške u izradi ploče, krivotvoreni elementi D9, Q5, Q6, C18.1, C18.2, nedovoljno unutrašnje napajanje moć.

Oscilogrami utrošenih struja i izlaznih talasa.

U toku stres testova utvrđena je efikasnost (slika 8). Ako se uzme u obzir greška mjernih instrumenata, vjerovatno je da će stvarna efikasnost biti 1-2% manja. Efikasnost je izmjerena kada je PFC spojen na mrežu pomoću dva dodatna filtera zajedničkog moda.

pirinač. 8. Efikasnost korektora faktora snage.

Podaci za oba grafika dobijeni su pri naponu napajanja od 200 i 240 volti.

Faza 5. Nakon svih provjera, otpornik za pražnjenje R23 se može ukloniti. Montaža i pregled POS štampača u ovoj fazi može se smatrati završenim.

Pitanja i sugestije pišite na e-mail adresu označenu sa KKM ili PFC.

Sadržaj korpe

1. ZAŠTO JE TO POTREBNO?

Recimo odmah da, suprotno površnim tvrdnjama, prisustvo korektora faktora snage samo po sebi ne poboljšava formalne karakteristike uređaja u kojem se primjenjuje. Naprotiv, dosadašnje uvođenje KKM-a kao prilično složenog uređaja dovodi do primjetnog poskupljenja i usložnjavanja proizvoda u cjelini (naravno, kako se tehnologija razvija, cijena će padati). Ipak, čak i sada uvođenje PFC-a u pojačala snage pruža niz vrlo važnih prednosti koje više nego kompenziraju ovu komplikaciju.

Prva i najvažnija prednost je činjenica da se pri korištenju pojačala sa PFC-om sa istim ožičenjem, bez kršenja standarda, mogu koristiti najmanje tri do četiri puta snažnija pojačala. Inače, ovdje nema kršenja fizičkih (i pravnih) zakona, a zašto se to događa - reći ćemo dalje.

Druga, ne manje važna, ali rijetko spominjana prednost je da je mnogo lakše osigurati visoku potrošnju energije jedinice za napajanje s PFC-om nego tradicionalnom. Energetski kapacitet je mjera sposobnosti napajanja da isporuči struju opterećenju u određenom vremenskom periodu bez "rasipanja" mreže i bez značajnog smanjenja izlaznog napona. Sa praktične tačke gledišta, nedostatak energetskog intenziteta dovodi do činjenice da je izlazna snaga pojačala na niskim frekvencijama (gde je najpotrebnija!) mnogo manja, a izobličenje ostalih signala u prisustvu niske frekvencije frekvencija je mnogo veća nego kod mjerenja na frekvenciji od 1 kHz, rezultati koji se (ponekad samo željeni) oglašavaju u opisu. Jednostavno rečeno, uz nedostatak energetskog kapaciteta, pojačalo počinje da se "guši" i izobličava signal tokom glasnih niskofrekventnih zvukova, na primjer, kada se udari bubanj. Nažalost, za pojačala s tradicionalnim izvorima napajanja, ovaj neželjeni efekat je prije pravilo nego izuzetak. Stoga, ako je bilo potrebno osigurati dobar kvalitet, bilo je potrebno odabrati pojačalo s velikom rezervom snage.

Treća prednost je što jedinica za napajanje sa KKM, po principu rada, stabilizuje izlazni napon. Stoga izlazna snaga pojačala prestaje kruto ovisiti o mrežnom naponu - čak i uz "opuštenu" mrežu, daje se puna snaga.

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

2. ŠTA JE TO I KAKO FUNKCIONIŠE?

Unatoč raznolikosti stvarno postojećih uređaja, princip rada PFC-a može se razmotriti na sljedećem jednostavnom primjeru (vidi sliku 1).

Korektor faktora snage nije ništa drugo do gotovo običan prekidački regulator, napajan ispravljenim, ali neizglađenim mrežnim naponom i koji stabilizira napon na izlaznom kondenzatoru C2. Osnovni princip njegovog rada je prilično jednostavan i glasi kako slijedi. Prvo se ključ S1 nakratko zatvori, a struja u induktoru L1, u potpunosti u skladu sa udžbenikom fizike, počinje da raste. Nakon nekog vremena, prekidač se otvara, a energija pohranjena u zavojnici prolazi kroz diodu do izlaznog kondenzatora. Ovaj ciklus se kontinuirano ponavlja, zbog čega se dijelovi energije napajaju kondenzatoru za pohranu, čija vrijednost ovisi o ulaznom naponu, veličini induktivnosti i vremenu zatvorenog stanja prekidača. Da bi dimenzije zavojnice i gubici u njemu bili mali, vrijednost induktivnosti je odabrana mala, i, shodno tome, stopa ponavljanja takvih ciklusa je dovoljno visoka - desetine i stotine hiljada puta u sekundi . Treba napomenuti da pri previsokoj frekvenciji, gubici pri prebacivanju tranzistora koji se koriste kao prekidač postaju veoma

bitno. Najvažnije je da će uz pravilnu kontrolu ulaz takvog pretvarača sa strane mreže izgledati kao neki otpor (struja je u svakom trenutku proporcionalna naponu), a da će u isto vrijeme određeni konstantni napon održavati na izlaznom kondenzatoru, koji je praktično nezavisan od opterećenja i mrežnog napona (!). U ovom slučaju neće doći do faznog pomaka (cos j 1) * ili kršenja proporcionalnosti između napona u mreži i struje koja se uzima iz nje.

Visok napon na kondenzatoru za skladištenje olakšava osiguravanje kapaciteta napajanja, jer je sadržaj energije u kondenzatoru proporcionalan kvadratu napona, dok su dimenzije i težina kondenzatora jednakog kapaciteta približno proporcionalne napon. Kao rezultat toga, kondenzator kapaciteta 2200 μF na naponu od 430 V sadrži više od 200 J energije, a isti kondenzator na naponu od 60 V sadrži samo oko 4 J, odnosno 50 (!) puta manje. Zapremina ovih kondenzatora razlikuje se samo šest do osam puta. Stoga su za postizanje istog energetskog kapaciteta pri niskim naponima potrebni kondenzatori enormnog kapaciteta - u ovom slučaju više od 100.000 mikrofarada. Istovremeno, za savršen rad uzornog visokokvalitetnog pojačala, potrošnja energije njegovog napajanja treba biti najmanje 0,5 ... 0,8 J po W ukupne izlazne snage; za koncertna pojačala (osim subwoofera), 0,2 ... 0,4 J po utoku Odnosno, pojačalo 2x1000 W mora imati energetski kapacitet jedinice za napajanje od najmanje 400 J, odnosno 200000 uF na 60V, a po mogućnosti tri puta više.

U praksi je potrošnja energije tradicionalnih izvora napajanja u velikoj većini pojačala znatno manja, a razlog tome nisu samo banalne uštede proizvođača na transformatorima i kondenzatorima. Ništa manje važna je činjenica da je ispravljač sa kondenzatorima velikog kapaciteta kolo koje opterećuje mrežu samo u kratkim vremenskim periodima (za vrijeme "vrhova" sinusoida), ali sa velikim strujama (vidi sliku 2), gdje, usput, vidi se da je oblik mrežnog napona kod ovakvih ispravljača jako izobličen). Štaviše, što je transformator bolji i što je veći kapacitet, to je ova pojava izraženija. Moguće je priključiti takvu jedinicu napajanja na mrežu samo ako postoje meki starteri, inače će osigurači izgorjeti. Nadalje, bilo koji, čak i mali skok napona mreže prema gore uzrokuje naglo povećanje veličine ovih strujnih impulsa, što dovodi do kvara ispravljača. Zato je kapacitet kondenzatora (i, prema tome, potrošnja energije izvora napajanja) u većini pojačala s tradicionalnim napajanjem odabran mnogo manji nego što je potrebno da se osigura odgovarajuća 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 vršni. I ispostavilo se da je mnogo više od prosjeka.

Druga okolnost je da struja koju troše kratki impulsi ima visoku stopu promjene i, shodno tome, stvara više šuma.

Drugi problem se javlja u trofaznim mrežama. Zbog činjenice da se faze napona u trofaznoj mreži pomjeraju za vrijeme mnogo duže od trajanja ovih strujnih impulsa, prestaju se kompenzirati u neutralnoj žici. Štaviše, struja u neutralnoj žici bit će približno jednaka zbroju faznih struja, dok u normalnoj situaciji struja kroz nju uopće nije

treba da teče, a neutralna žica je obično tanja od faznih. S obzirom na to da struja kroz njega postaje veća nego kroz fazne, kao i činjenicu da je zabranjeno postavljanje osigurača u neutralnu žicu, lako je pretpostaviti da odavde nije daleko do požara. Stoga je vrijednost harmonika trenutne 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 su pri velikim kapacitetima tradicionalna napajanja jednostavno "zabranjena".

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 radi jedinica za napajanje s korektorom faktora snage. Problemi povezani s nestabilnošću mreže nestaju, a također postaje moguće osigurati potrebnu potrošnju energije napajanja.

Postaje sasvim 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 ulazi u opterećenje (i obavlja koristan posao), 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 je isti kao cos j samo u slučaju čisto sinusnih struja i napona. Ako su struja ili napon nesinusoidalni, ostaje primjenjiv samo faktor snage, koji pokazuje koliko je struje koja je prošla kroz žice i zagrijava ih korisno otišla u 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 tri-četvorostruka razlika!).

V. Dyakonov, A. Remnev, V. Smerdov

U posljednje vrijeme na tržištu kućne i kancelarijske radio elektronske opreme (CEA) pojavljuje se sve više opreme, čiji izvori napajanja uključuju nove jedinice - korektore napajanja (KM). Članak se bavi upotrebom CM, principom njihovog rada, dijagnostikom i popravkom.

Većina modernih izvora napajanja za elektroničku opremu su prekidačka sekundarna napajanja s mostnim ispravljačem bez transformatora i kapacitivnim filterom. Uz prednosti (visoka efikasnost, dobra težina i dimenzije), imaju relativno nizak faktor snage (0,5 ... 0,7) i povećan nivo harmonika struje koja se troši iz mreže (> 30%). Oblik struje koju troše takvi izvori prikazan je na Sl. 1 sa punim linijama.

Nesinusni oblik struje dovodi do pojave elektromagnetnih smetnji, začepljenja mreže naizmenične struje i kvara druge elektronske opreme.

Gore opisana napajanja, kao jednofazni potrošači, sa velikim brojem elektronske opreme i njenim neracionalnim povezivanjem na trofaznu mrežu, mogu uzrokovati fazni disbalans. U tom slučaju će dio elektronske opreme raditi na povećanom naponu, a drugi na smanjenom naponu, što je uvijek nepoželjno. Kako bi se eliminirao fazni disbalans, neutralna žica se obično uvodi u trofaznu mrežu, koja izjednačava napon u svim fazama. Međutim, uz pulsnu prirodu potrošene struje i veliki broj njenih harmonijskih komponenti, moguće je preopterećenje neutralne žice. To je zbog činjenice da je njegov poprečni presjek obično 2 ... 2,5 puta manji od presjeka faznih žica. Iz sigurnosnih razloga, nemojte štititi ovu žicu osiguračima ili prekidačima. Očigledno, u nepovoljnim uvjetima neutralna žica može izgorjeti i kao posljedica toga doći do neravnoteže faze.

S tim u vezi, zahtjevi za elektromagnetsku kompatibilnost sekundarnih impulsnih izvora s mrežom postaju sve strožiji, a nivo viših harmonika struje koja se troši iz mreže za sve jednofazne potrošače oštro je ograničen. Trenutno novi europski standardi zahtijevaju poboljšanje u vidu potrošene struje samo kod potrošača snage preko 200 W, au bliskoj budućnosti ovi zahtjevi će biti uvedeni za potrošače snage do 50 ... 70 W.

Trenutno se koristi pasivna i aktivna korekcija oblika potrošene struje.

Pasivni korektivni krugovi, koji se sastoje od induktora i kondenzatora, daju faktor snage koji pokazuje razliku u obliku potrošene struje od sinusoida (ne gore 0,9 ... 0,95). Uz konstruktivnu jednostavnost i pouzdanost, kola za pasivnu korekciju imaju relativno velike dimenzije i osjetljiva su na promjene frekvencije napona napajanja i veličine struje opterećenja.

Više obećavajuća je upotreba aktivnih CM, koji formiraju sinusoidnu potrošnju struje na ulazu prekidačkog napajanja, koja se po fazi i frekvenciji poklapa sa naponom napajanja. Takvi CM-ovi imaju male dimenzije zbog rada s frekvencijama konverzije od nekoliko desetina kiloherca i pružaju faktor snage od 0,95 ... 0,99.

Moguće je formirati sinusoidnu struju na ulazu mosnog ispravljača prekidačkog napajanja pomoću jednog od kola DC-to-DC pretvarača po principu praćenja visokofrekventne modulacije širine impulsa (PWM). U ovom slučaju najčešće se koriste step-up pretvarači koji imaju sljedeće prednosti:
... energetski tranzistor ima izvornu vezu sa zajedničkom žicom, što olakšava konstrukciju njegovog upravljačkog kruga;
... maksimalni napon na tranzistoru jednak je izlaznom naponu;
... prisustvo induktivnosti povezane serijski sa opterećenjem omogućava filtriranje visokofrekventnih komponenti.

Razmotrimo princip rada aktivnog CM-a, implementiranog na pojačivaču sa PWM-om za praćenje (slika 2).

Prvo, razmotrite rad CM kola bez čvorova za množenje (PA) i senzora napona opterećenja (DNV), čija je uloga opisana u nastavku. Referentni napon sinusoidnog oblika, dobijen od senzora ispravljenog napona (DVN), dovodi se na jedan od ulaza kontrolnog kola (CS) preko prekidača za napajanje koji je implementiran na MOS tranzistor VT. Drugi ulaz kontrolnog sistema prima signal proporcionalan struji ključa. Dok je napon iz DVN veći od napona koji generiše strujni senzor (DT), tranzistor je otvoren i energija se akumulira u induktivnosti (slika 3 a). VD dioda je zatvorena u ovom intervalu (Ti).

Kada su signali koji pristižu u upravljački sistem jednaki, ključ se zatvara i energija akumulirana u induktivitetu se prenosi na opterećenje. Nakon što struja u induktivnosti padne na nulu tokom vremena tP, tranzistor se ponovo uključuje. Preklopna frekvencija tranzistora je mnogo puta veća od frekvencije mreže napajanja, što omogućava značajno smanjenje veličine induktiviteta. U ovom slučaju, za poluperiod mrežnog napona, omotač vrijednosti amplitude induktivne struje (slika 3 b) mijenja se prema sinusoidnom zakonu. Prosječna trenutna vrijednost se mijenja na isti način. Kao rezultat toga, potrošena struja je sinusoidna i u fazi sa naponom napajanja.

Međutim, veličina napona na opterećenju u velikoj mjeri ovisi o promjenama ulaznog napona i struje opterećenja. Za stabilizaciju napona opterećenja, povratna petlja za ovaj napon se dodatno uvodi u upravljački sistem. Mogućnost dobijanja sinusoidnog oblika potrošene struje uz istovremenu stabilizaciju napona opterećenja ostvaruje se analognim množenjem (PA čvor) signala koji dolaze iz DVN i iz DNV.
Dodatni signal dobijen na ovaj način u ovom slučaju postaje referentni napon za upravljački sistem.

Razmatrani princip CM upravljanja koristi se pri snagama opterećenja do 300 W. Pri velikim snagama potrebno je formirati glatkiju krivulju promjene potrošene struje. To se može učiniti kada struja u induktoru ne padne na nulu (sl. 3 c i 3d). Ako u CM-u relativno male snage tranzistor počinje da radi kada struja induktivnosti dostigne nulu, onda u moćnom CM-u - pri datoj vrijednosti ove struje.

Razmotrimo rad CM koristeći primjer praktičnog kola prikazanog na Sl. 4. Upravljački krug je implementiran na specijalizovanom mikrokolu L6560, čiji je blok dijagram prikazan na Sl. 5,

A svrha zaključaka je u tabeli. 1.

Napon DVN-a, formiran otpornim razdjelnikom R1 R2, dovodi se na pin. 3 mikrokola L6560. Kondenzator C1 na izlazu ispravljača djeluje kao visokofrekventni filtar, a ne kao kondenzator za izravnavanje, kao u tradicionalnim krugovima. Stoga njegova vrijednost ne prelazi stotine nanofarada - mikrofaradnih jedinica pri snazi ​​opterećenja od 100 ... 200 W. Dodatno filtriranje RF smetnji na pinu. 3 izvodi kondenzator C2.
Otpornik R5 djeluje kao ključni strujni senzor, čiji se napon dovodi na pin kroz visokofrekventni filtar R4 C4. 4 mikro kola. Prekidačem za napajanje upravlja signal primljen sa pina. 7. Uzimajući u obzir posebnosti rada KM ključeva (veliki dinamički raspon amplitudnih vrijednosti struje), najčešće se kao oni koriste MIS tranzistori. Na visokim frekvencijama konverzije tipičnim za CM, ovi tranzistori imaju male dinamičke gubitke i lako se kontroliraju direktno pomoću mikro krugova. Da bi se smanjila vjerovatnoća pobuđivanja kola, otpornik niskog otpora se uvodi u kolo gejta MIS tranzistora.

Signal povratne sprege izlaznog napona uklanja se iz otpornog razdjelnika R6 R7 i dovodi do pina. 1. Da bi se smanjio uticaj impulsnog šuma koji nastaje u izlaznom kolu, između pinova. 1 i 2 mikrokola uključuje integrirajući kondenzator C3, čiji je kapacitet stotine nanofarada.

Kada je CM u prvom trenutku spojen na mrežu, mikrokolo se napaja preko otpornika R3. Čim CM uđe u režim rada, napon se uklanja sa dodatnog namota induktora L, koji se, s jedne strane, koristi kao napon napajanja mikro kola, as druge je signal za određivanje struja nulte induktivnosti.

Na izlazu CM-a nužno je prisutan filterski kondenzator C5, jer se energija prenosi na opterećenje u impulsima. Kapacitet ovog kondenzatora se u pravilu određuje brzinom od 1,5 ... 2 μF po 1 W snage u opterećenju.

U posljednje vrijeme, vodeće kompanije proizvele su veliki broj integriranih kola za upravljačke sisteme korektora napajanja. Toliki broj mikrokola je povezan sa dodatnim funkcijama koje su u stanju da obavljaju, iako je princip konstruisanja CM-a na tim mikro krugovima praktično isti. Dodatne karakteristike uključuju:
... zaštita od prenapona tokom prelaznih procesa;
... zaštita od ponovljenih lansiranja;
... zaštita od oštećenja pri pokretanju na zatvorenom opterećenju;
... poboljšanje harmonijskog sastava pri nultom prelasku mrežnog napona;
... podnaponsko blokiranje;
... zaštita od slučajnih skokova ulaznog napona.

Korektor napajanja, u pravilu, nije samostalan uređaj, već je dio sklopnih izvora napajanja. Za postizanje potrebnih nivoa i polariteta izlaznih napona, takvi izvori napajanja sadrže pretvarače. S tim u vezi, programeri mikro krugova često kombiniraju dvije kaskade upravljačkih krugova u jednom slučaju: za sam CM, kao i za pretvarač napona.

Table 2 prikazani su glavni parametri upravljačkih mikro krugova različitih kompanija, namijenjenih sekundarnim prekidačkim izvorima napajanja s korekcijom snage.

Glavni kriterij za rad CM je nivo izlaznog napona. Kod naizmjeničnog napona napojne mreže od 220 V, izlazni napon KM je konstantan i trebao bi biti 340,360 V. Ako je napon manji od 300 V, to ukazuje na kvar. Za daljnju provjeru CM-a potreban je osciloskop. Uz njegovu pomoć, oscilogrami se provjeravaju u karakterističnim čvorovima CM-a pri nominalnom opterećenju, što može biti ekvivalentni otpornik.

Napon na kapiji tranzistora. S radnim mikro krugom, njegov izlazni napon su pravokutni impulsi visoke frekvencije, mnogo veći od frekvencije mreže. S radnim MIS tranzistorom, razlika u naponu na izlazu mikrokruga i kapije tranzistora je praktički nula. Ako se kapija tranzistora pokvari, pojavljuje se razlika u ovim naponima od nekoliko volti.

Napon na izvoru tranzistora, koji je napon uzet od trenutnog senzora. Tokom normalnog rada CM-a, talasni oblik napona treba da bude sličan ključnom trenutnom talasnom obliku prikazanom na Sl. 3. Razlika će ukazati na mogući kvar MIS tranzistora. Dijagnostika njihovih kvarova je detaljno opisana u.

Napon na DVN. Oblik ovog napona je ispravljena sinusoida. S ispravljačem koji normalno radi, otporni razdjelnik može pokvariti rad.

Za testiranje samog mikrokola potreban je dodatni izvor konstantnog napona sa regulacijom napona od 3 do 15 V. Ovaj napon se dovodi na ulaze strujnog kola mikrokola kada je KM isključen iz mreže. Kada se promijeni napon reguliranog izvora, prati se izlazni napon mikrokola. Sve dok je napon napajanja manji od 12..13 V, izlazni napon je nula. S višim naponom na izlazu mikrokola, pojavljuje se izlazni signal s razinom koja prati napon napajanja. Kada napon napajanja padne ispod 7 V, ovaj izlazni signal naglo pada na nulu. U nedostatku takvog uzorka, velika je vjerovatnoća da je mikro krug neispravan.

Književnost
1. Bachurin V.V., Dyakonov V.P., Remnev A.M., Smerdov V.Yu. Sklop uređaja baziranih na moćnim tranzistorima sa efektom polja. Imenik. M.: Radio i komunikacija, 1994.
2. V. Dyakonov, A. Remnev, V. Smerdov. Značajke popravke radioelektronske opreme na MIS tranzistorima. Repair & Service, 1999, br. 11, str. 57-60.
[email protected]