Problemi di presa di forza da un classico raddrizzatore

Il problema principale di un classico raddrizzatore con un condensatore di accumulo funzionante da una tensione sinusoidale o altra tensione non rettangolare è il fatto che l'energia viene prelevata dalla rete solo nei momenti in cui la tensione in essa contenuta è maggiore della tensione sul condensatore di accumulo. Infatti, un condensatore può essere caricato solo se gli viene applicata una tensione maggiore di quella a cui è già caricato.

Inoltre, in quei momenti in cui la tensione di rete diventa maggiore della tensione del condensatore, la corrente di carica è molto elevata e il resto del tempo è zero. Si scopre che, ad esempio, per una tensione di alimentazione sinusoidale, si osservano picchi di corrente quando la tensione raggiunge valori di picco. Se il tuo dispositivo consuma poca energia, questo può essere tollerato. Ma per un carico, diciamo, di 1 kW 220 V, i picchi di corrente possono raggiungere i 100 A. Il che è del tutto inaccettabile.

Lo sviluppo e l'uso diffuso di metodi pulsati per la conversione dell'energia elettrica ha portato alla nascita di elettrodomestici a bassa potenza e industriali con una forma distorta o uno sfasamento diverso da zero della corrente assorbita dalla rete (lampade fluorescenti, motori elettrici , televisori, computer, forni a microonde, ecc.). Un forte aumento del numero di tali consumatori influisce sulla loro compatibilità elettromagnetica e sui sistemi di alimentazione nel loro insieme. Nel 2001 la IEC ha adottato la norma IEC-1000-3-2, secondo la quale qualsiasi prodotto elettrico con una potenza superiore a 200 watt collegato alla rete CA deve avere una resistenza di ingresso attiva, ovvero il fattore di potenza () deve essere uguale all'unità.

Per aumentare Attualmente vengono utilizzati correttori di fattore di potenza (PFC) passivi e attivi. I primi sono utilizzati a carichi costanti, introducendo reattanze di compensazione (ad esempio condensatori per lampade fluorescenti), i secondi hanno una più ampia gamma di applicazioni. Considera uno schema semplificato del correttore attivo, mostrato in Fig. 6.1.

Figura 6.1 - Schema semplificato del PFC attivo

In questa figura, R 1, R 2 - sensore di tensione in ingresso (DN), R 3 - sensore di corrente (DT). L'induttanza L, il tasto VT1, il diodo VD1 e il condensatore C 1 formano un regolatore di tensione di boost di impulsi. Il funzionamento di CMC è illustrato dai diagrammi in Fig. 6.1b. La chiusura del transistor VT1 si verifica nel momento in cui la tensione all'uscita del sensore di corrente DT diventa uguale a zero (cioè a corrente zero nell'induttanza L). L'apertura del transistor VT1 avviene nel momento in cui la tensione linearmente crescente dal sensore di corrente diventa uguale alla tensione sinusoidale dal sensore di tensione DN. Dopo l'apertura del transistor, la corrente nell'induttanza inizia a diminuire, l'induttanza viene scaricata sul carico attraverso il diodo VD1, DT e la rete. A corrente zero, il transistor si richiude. Quindi il processo viene ripetuto. La frequenza di commutazione della chiave supera la frequenza di rete e ammonta a decine ... centinaia di kilohertz. La corrente media i cf nell'induttanza e consumata dalla rete ripete la forma della tensione di rete. A seconda dell'alta frequenza della chiave, la rete viene deviata con un condensatore C 2 (di solito una frazione di un microfarad). È inoltre possibile introdurre un feedback sulla tensione di uscita e fornire una stabilizzazione preliminare. È ovvio che il funzionamento del PFC è possibile se l'ampiezza della tensione di ingresso è inferiore alla tensione sul condensatore C 1 (tenendo conto delle deviazioni). Per una tensione di rete di 220 V (ampiezza 311 V), si presume che la tensione di uscita del PFC sia 380 ... 400 V.

6.2 Varietà di kkm

Nello schema KKM sopra considerato, viene utilizzato il cosiddetto metodo di controllo dei confini. È il più semplice da implementare, ma la chiave viene aperta con una corrente significativa, associata a significative perdite di potenza.

Sono noti anche altri metodi di gestione delle chiavi in ​​KKM:

controllo del picco di corrente

metodo a corrente discontinua con PWM.

controllo della corrente media.

L'essenza di questi metodi è illustrata dai diagrammi in Fig. 6.2 rispettivamente a, b, c.

Figura 6.2 - Gestione delle chiavi in ​​KKM

Il controllo della corrente di picco (Fig. 6.2.a) è interessante per piccoli disturbi inversi (alla rete) e piccoli picchi di corrente attraverso il tasto, ma c'è una variazione di frequenza e una commutazione forzata del diodo di alimentazione.

Controllo di corrente discontinua con PWM (Fig. 6.2.b). L'implementazione di questo metodo è simile al metodo di controllo dei confini, ma differisce per una frequenza di commutazione costante. Il vantaggio è un semplice circuito di controllo, ma le correnti discontinue dell'induttore diventano un'ulteriore fonte di interferenza. Il controllo del valore medio di corrente (Fig. 6.2.c) viene effettuato a frequenza costante e la presenza di un integratore per la media della corrente aumenta l'immunità al rumore del sistema di controllo. Tipicamente, il valore di picco dell'ondulazione della corrente dell'induttore è entro il 20% del valore medio ed è questo metodo di controllo che viene utilizzato nei correttori con una potenza superiore a 300 watt.

Non esistono solo rifasatori monofase, ma anche trifase. Il circuito di potenza di un KKM trifase con una chiave controllata è mostrato in fig. 6.3, e in fig. Le figure 6.4 e 6.5 mostrano diagrammi che spiegano il lavoro.

Figura 6.3 - Circuito di potenza di un PFC trifase

Figura 6.4 - Diagrammi delle correnti dei reattori L1, L2, L3 di un CFC trifase

Figura 6.5 - Schemi dei principali processi di una CMC trifase

La chiave è controllata allo stesso modo di un correttore monofase.

Negli schemi PFC considerati, quest'ultimo trasmette tutta la potenza del carico. Questo è un correttore seriale e la sua base di elementi limita un aumento della potenza di uscita. KKM può anche essere costruito secondo lo schema ampere-booster (Fig. 1.19): l'inclusione di un filtro di corrente attivo in parallelo con il carico. In questo caso la potenza installata degli elementi filtranti attivi, atti a compensare solo la potenza di distorsione dalle armoniche superiori della corrente in ingresso, sarà ad un livello determinato dal coefficiente armonico di tale corrente (ad esempio 0,3 per un circuito a ponte trifase e 0,15 per circuito raddrizzatore a dodici fasi) . Lo schema a blocchi di tale CMC è mostrato in fig. 6.6. Il principio di compensazione delle armoniche superiori nella curva della corrente assorbita dalla rete è illustrato dai diagrammi di Fig. 6.7. Per chiarezza, si presume che la forma della corrente di carico sia rettangolare. Il correttore forma la differenza tra l'armonica della corrente di rete e la corrente di carico effettiva

(6.1)

dove j è l'indice di fase (A, B o C);

i J 1 è la prima armonica della corrente di fase j.

Lo schema di controllo del correttore è solitamente basato sulla modulazione dell'ampiezza dell'impulso.

Figura 6.6 - Schema strutturale di un PFC trifase parallelo

Figura 6.7 - Compensazione delle armoniche di corrente maggiore

Come elementi separati della tecnologia elettronica, i circuiti di controllo del correttore sono stati rilasciati per la prima volta nel 1989 da Mikro Linear (LM 4812). Successivamente si sono occupati dello sviluppo Siemens, Motorola, ecc.. Attualmente esiste un'ampia famiglia di circuiti integrati per il controllo di sorgenti pulsate combinate con PFC e l'implementazione di uno o un altro metodo di controllo.

1. PERCHÉ È NECESSARIO?

Diciamo subito che, contrariamente ad affermazioni superficiali, la presenza di un rifasatore di per sé non migliora le caratteristiche formali del dispositivo in cui viene utilizzato. Al contrario, l'introduzione del CCM come dispositivo piuttosto complesso porta comunque ad un notevole aumento del costo e della complessità del prodotto nel suo insieme (ovviamente, con lo sviluppo della tecnologia, il prezzo diminuirà). Tuttavia, anche ora l'introduzione del PFC negli amplificatori di potenza offre una serie di vantaggi molto importanti, che più che compensano questa complicazione.

Il primo e più importante vantaggio è il fatto che quando si utilizzano amplificatori con PFC con lo stesso cablaggio senza violare alcuna norma, è possibile utilizzare amplificatori da tre a quattro volte più potenti. A proposito, qui non vi è alcuna violazione delle leggi fisiche (e legali) e perché ciò accade - lo diremo ulteriormente.

Il secondo vantaggio, non meno importante, ma raramente menzionato, è che è molto più facile fornire un'elevata intensità energetica di un alimentatore PFC rispetto a uno tradizionale. L'intensità energetica è una misura della capacità dell'alimentatore di fornire energia al carico per un certo tempo senza "drenare" la rete e senza ridurre notevolmente la tensione di uscita. Da un punto di vista pratico, l'assenza di consumo di energia porta al fatto che la potenza di uscita dell'amplificatore alle basse frequenze (dove è più necessario!) è molto inferiore, e la distorsione di altri segnali in presenza di bassi la frequenza è molto più alta rispetto a quando misurata a una frequenza di 1 kHz, i risultati che (a volte solo desiderati) sono pubblicizzati nella descrizione. In poche parole, con una mancanza di intensità energetica, l'amplificatore inizia a "soffocare" e distorcere il segnale durante i suoni forti a bassa frequenza, ad esempio, quando viene colpito un calcio. Sfortunatamente, per amplificatori con alimentazione tradizionale, questo effetto indesiderato è la regola piuttosto che l'eccezione. Pertanto, se si desidera garantire una buona qualità, è stato necessario scegliere un amplificatore con un ampio margine di potenza.

Il terzo vantaggio è che l'alimentatore con KKM, secondo il principio di funzionamento, stabilizza la tensione di uscita. Pertanto, la potenza di uscita dell'amplificatore cessa di dipendere strettamente dalla tensione di rete - anche con una rete "cadente", viene fornita la piena potenza.

Un altro vantaggio del tutto inaspettato è che lo sfondo della rete (lo stesso) quando si utilizzano solo amplificatori con PFC risulta essere, di regola, inferiore di 10 decibel.

2. CHE COS'È E COME FUNZIONA?

Nonostante la varietà di dispositivi nella vita reale, il principio di funzionamento di CMC può essere considerato utilizzando il seguente semplice esempio (vedi Fig. 1).

Il rifasatore non è altro che un quasi ordinario regolatore a commutazione, alimentato da una tensione di rete raddrizzata ma non livellata e stabilizzante la tensione sul condensatore di accumulo di uscita C2. Il principio di base del suo funzionamento è abbastanza semplice e consiste in quanto segue. Innanzitutto, la chiave S1 si chiude per un breve periodo e nell'induttore L1, in piena conformità con il manuale di fisica, la corrente inizia ad aumentare. Dopo qualche tempo, la chiave si apre e l'energia accumulata nella bobina passa attraverso il diodo nel condensatore di accumulo di uscita. Questo ciclo viene ripetuto continuamente, a seguito del quale vengono fornite porzioni di energia al condensatore di accumulo, il cui valore dipende dalla tensione di ingresso, dal valore dell'induttanza e dal tempo di stato chiuso della chiave. Affinché le dimensioni della bobina e le perdite in essa contenute siano ridotte, l'induttanza viene scelta piccola e, di conseguenza, la frequenza di ripetizione di tali cicli è resa piuttosto alta: decine e centinaia di migliaia di volte al secondo. Va notato che ad una frequenza eccessivamente alta, le perdite di commutazione del transistor utilizzato come chiave diventano molto

essenziale. La cosa più importante qui è che con un controllo adeguato, l'ingresso di un tale convertitore dal lato della rete assomiglierà a una resistenza (la corrente in ogni momento è proporzionale alla tensione) e, allo stesso tempo, una certa costante la tensione sarà mantenuta sul condensatore di uscita, praticamente indipendente dal carico e dalla tensione di rete (!). In questo caso, tra la tensione nella rete e la corrente da essa prelevata, non ci sarà né uno sfasamento (cos j 1) *, né una violazione della proporzionalità.

L'alta tensione sul condensatore di accumulo rende più facile garantire la capacità di alimentazione dell'alimentatore, poiché il contenuto di energia nel condensatore è proporzionale al quadrato della tensione, mentre le dimensioni e il peso dei condensatori di uguale capacità sono approssimativamente proporzionali alla tensione. Di conseguenza, un condensatore da 2200 uF a una tensione di 430 V contiene più di 200 J di energia e lo stesso condensatore a una tensione di 60 V contiene solo circa 4 J, o 50 (!) Volte in meno. Il volume di questi condensatori differisce solo da sei a otto volte. Pertanto, per ottenere la stessa capacità energetica a basse tensioni, sono necessari enormi condensatori, in questo caso più di 100.000 microfarad. Allo stesso tempo, per il perfetto funzionamento di un esemplare amplificatore di alta qualità, l'intensità energetica del suo alimentatore deve essere almeno 0,5 ... 0,8 J per W di potenza di uscita totale, per amplificatori da concerto (ad eccezione dei subwoofer), 0.2 ... mar Cioè, un amplificatore da 2x1000 W deve avere una capacità di alimentazione di almeno 400 J, o 200.000 microfarad a 60V, e preferibilmente tre volte di più.

In pratica, il consumo energetico degli alimentatori tradizionali per la stragrande maggioranza degli amplificatori è molto più basso, e la ragione di ciò non è solo il banale risparmio dei produttori su trasformatori e condensatori. Non meno significativo è il fatto che un raddrizzatore con grandi condensatori è un circuito che carica la rete solo in brevi periodi di tempo (durante le "cime" delle sinusoidi), ma con grandi correnti (vedi Fig. 2), dove, mediante a proposito, è chiaro che la forma della tensione di rete è fortemente distorta da tali raddrizzatori). Inoltre, migliore è il trasformatore e maggiore è la capacità, più pronunciato questo fenomeno. È possibile attivare tale alimentazione sulla rete solo se sono presenti dispositivi di avvio graduale, altrimenti i fusibili si bruceranno. Inoltre, qualsiasi, anche un piccolo salto nella tensione di rete verso l'alto provoca un forte aumento dell'entità di questi impulsi di corrente, che porta al guasto dei raddrizzatori. Ecco perché la capacità dei condensatori (e, di conseguenza, l'intensità energetica degli alimentatori) nella maggior parte degli amplificatori con alimentazione tradizionale viene scelta molto più piccola di quella necessaria per garantire un'adeguata riserva di potenza alle basse frequenze.

Guardando la fig. 3, si possono notare altre due cose.

La prima è che la corrente di picco assorbita è parecchie volte superiore alla media. Ma la potenza utile è determinata dalla corrente media, mentre la caduta di tensione sui fili è determinata dal picco. E risulta essere molto più della media.

La seconda circostanza è che la corrente consumata da impulsi brevi ha un'elevata velocità di variazione e, di conseguenza, crea più interferenze.

Un altro problema sorge nelle reti trifase. A causa del fatto che le fasi di tensione in una rete trifase sono spostate di un tempo molto più lungo della durata di questi impulsi di corrente, cessano di essere compensate nel filo neutro. Inoltre, la corrente nel filo neutro sarà approssimativamente uguale alla somma delle correnti di fase, mentre in una situazione normale la corrente che lo attraversa non è affatto

deve fluire e il filo neutro è solitamente reso più sottile dei fili di fase. Considerando che la corrente che lo attraversa diventa maggiore rispetto a quelle di fase, e inoltre che è vietata l'installazione di fusibili nel filo neutro, è facile intuire che non è lontano dal fuoco. Pertanto, il valore delle armoniche di consumo di corrente è limitato da standard internazionali piuttosto severi. Gli alimentatori tradizionali con potenza superiore a 150 ... 200 W non sono fondamentalmente in grado di soddisfare questi standard. Ciò porterà al fatto che alle alte potenze, gli alimentatori tradizionali si rivelano semplicemente "fuorilegge".

Tutti questi problemi possono essere evitati se, dal lato della rete, l'alimentatore si presenta come una resistenza puramente attiva, come un ferro da stiro o una lampadina a incandescenza.

Questo è esattamente il modo in cui funziona un alimentatore con un rifasatore. I problemi associati all'instabilità della rete scompaiono e diventa anche possibile fornire l'intensità energetica necessaria dell'alimentazione.

Diventa abbastanza ovvio: l'uso di un rifasatore non è solo obbligatorio (dal punto di vista della legge), ma anche assolutamente necessario per il lavoro "onesto" di amplificatori professionali di alta qualità.

* Una piccola aggiunta: cos j e fattore di potenza sono spesso confusi, anche se non sono la stessa cosa. Cos j è una misura di quanta corrente che scorre nei fili va effettivamente nel carico (e fa un lavoro utile), mentre si presume che sia la tensione che la corrente siano rigorosamente sinusoidali. Se non c'è sfasamento, cos j = 1. Se lo sfasamento raggiunge 90 gradi, indipendentemente dal segno, cos j va a zero: la potenza utile semplicemente non viene trasferita al carico.

Il fattore di potenza coincide con cos j solo nel caso di correnti e tensioni puramente sinusoidali. Se la corrente o la tensione non sono sinusoidali, resta applicabile solo il fattore di potenza, che mostra quanta corrente è passata attraverso i fili e li ha riscaldati è andata a beneficio del carico. Il fattore di potenza di un raddrizzatore convenzionale non supera 0,25...0,3, mentre per un buon PFC è almeno 0,92...0,95, cioè 3-4 volte di più (ecco da dove viene la differenza di tre-quattro volte!).

Tecnologia di conversione

introduzione

Negli ultimi decenni, la quantità di elettronica utilizzata nelle case, negli uffici e nelle fabbriche è aumentata notevolmente e la maggior parte dei dispositivi utilizza alimentatori a commutazione. Tali sorgenti generano distorsioni di corrente armoniche e non lineari che influiscono negativamente sul cablaggio della rete elettrica e degli apparecchi elettrici ad essa collegati. Questa influenza è espressa non solo in vario interferenza che interessano il funzionamento di dispositivi sensibili, ma anche in surriscaldamento della linea neutra. Quando le correnti scorrono in carichi con componenti armoniche significative e sfasati rispetto alla tensione, la corrente nel neutro (che, con un carico simmetrico, è praticamente nulla) può aumentare fino a un valore critico.

La Commissione elettrotecnica internazionale (IEC) e l'Organizzazione europea per gli standard elettrotecnici (CENELEC) hanno adottato le norme IEC555 ed EN60555, che fissano limiti al contenuto armonico nella corrente di ingresso di alimentatori secondari, carichi elettronici di lampade fluorescenti, driver di motori CC e dispositivi simili.

Uno dei modi efficaci per risolvere questo problema è utilizzare i correttori di fattore di potenza PFC (Power Factor Correction). In pratica, ciò significa che nel circuito di ingresso di quasi tutti i dispositivi elettronici con convertitori di impulsi deve essere incluso uno speciale circuito PFC, che garantisce la riduzione o la completa soppressione delle armoniche di corrente.

Correzione del fattore di potenza

Un tipico alimentatore switching è costituito da un raddrizzatore di rete, un condensatore di livellamento e un convertitore di tensione. Tale fonte consuma energia solo in quei momenti in cui la tensione fornita dal raddrizzatore al condensatore di livellamento è superiore alla tensione su di esso (condensatore), che si verifica per circa un quarto di periodo. Il resto del tempo, la sorgente non consuma energia dalla rete, poiché il carico è alimentato da un condensatore. Ciò porta al fatto che la potenza viene assorbita dal carico solo al picco di tensione, la corrente consumata ha la forma di un breve impulso e contiene un insieme di componenti armoniche (vedi Fig. 1).

Un alimentatore secondario con rifasamento consuma corrente con bassa distorsione armonica, assorbe energia dalla rete in modo più uniforme e ha un fattore di cresta (il rapporto tra il valore di picco della corrente e il suo valore efficace) inferiore a quello di una sorgente non corretta . Il rifasamento riduce la corrente RMS assorbita, consentendo di collegare più dispositivi alla stessa presa senza sovracorrente sulla rete (vedi Figura 2).

Fattore di potenza

Il fattore di potenza (PF) è un parametro che caratterizza la distorsione creata dal carico (nel nostro caso, l'alimentatore secondario) nella rete AC. Esistono due tipi di distorsione: armonica e non lineare. La distorsione armonica è causata da un carico reattivo ed è uno sfasamento tra corrente e tensione. Le distorsioni non lineari sono introdotte nella rete da carichi "non lineari". Queste distorsioni sono espresse nella deviazione della forma d'onda di corrente o tensione da una sinusoide. quando distorsione armonica Il fattore di potenza è considerato il coseno della differenza di fase tra corrente e tensione o il rapporto tra potenza attiva e potenza apparente consumata dalla rete. Per distorsione non lineare il fattore di potenza è uguale alla proporzione della potenza della componente di prima armonica della corrente sulla potenza totale consumata dal dispositivo. Può essere considerato un indicatore di quanto uniformemente il dispositivo consuma energia dalla rete.

Generalmente il fattore di potenza è il prodotto del coseno dell'angolo della differenza di fase tra tensione e corrente e il coseno dell'angolo tra il vettore fondamentale e il vettore di corrente totale. Il ragionamento esposto di seguito porta a questa definizione. La corrente effettiva che scorre in un carico attivo ha la forma:

I 2 eff \u003d I 2 0 + I 2 1 eff + SI 2 neff,

dove I 2 neff è la componente costante (nel caso di una tensione sinusoidale è uguale a zero), I 2 1eff è l'armonica fondamentale e sotto il segno della somma ci sono le armoniche inferiori. Quando si lavora su un carico reattivo, in questa espressione appare un componente reattivo che assume la forma:

I 2 eff \u003d I 2 0 + (I 2 1 eff (P) + I 2 1 eff (Q)) + SI 2 n eff. La potenza attiva è il valore medio della potenza assegnata al carico attivo nel periodo.

Può essere rappresentato come un prodotto della tensione effettiva e del componente attivo della corrente P \u003d U eff H I 1eff (P) . Fisicamente, questa è l'energia rilasciata sotto forma di calore per unità di tempo sulla resistenza attiva. La potenza reattiva è intesa come il prodotto della tensione effettiva e della componente reattiva della corrente: Q \u003d U eff H I 1eff (Q) . Il significato fisico è l'energia che viene pompata due volte per periodo dal generatore al carico e due volte - dal carico al generatore. La piena potenza è il prodotto della tensione di esercizio e della corrente di esercizio totale: S \u003d U eff H I eff (totale). Sul piano complesso, può essere rappresentato come la somma dei vettori P e Q, da cui è visibile la dipendenza I 2 \u003d I 1eff (totale) cos j, dove j è l'angolo tra i vettori P e Q, che caratterizza anche la differenza di fase tra corrente e tensione nel circuito.

Sulla base di quanto sopra, deriviamo la definizione del fattore di potenza:

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

Vale la pena notare che il rapporto (I 1eff) / (I eff (generale)) è il coseno dell'angolo tra i vettori corrispondenti al valore effettivo della corrente totale ed il valore effettivo della sua prima armonica. Se questo angolo è indicato con q, allora l'espressione per il fattore di potenza diventa: PF=cos j × cos q. Il compito del rifasamento è portare a zero l'angolo della differenza di fase j tra tensione e corrente, nonché l'angolo q di distorsione armonica della corrente consumata (o, in altre parole, riportare la forma della corrente curva il più vicino possibile a una sinusoide e per compensare il più possibile lo sfasamento).

Il fattore di potenza è espresso come frazione decimale, il cui valore è compreso tra 0 e 1. Il suo valore ideale è uno (per confronto, un tipico alimentatore switching senza correzione ha un valore del fattore di potenza di circa 0,65), 0,95 è un buon valore ; 0,9 - soddisfacente; 0,8 - insoddisfacente. L'applicazione della correzione del fattore di potenza può aumentare il fattore di potenza del dispositivo da 0,65 a 0,95. Anche i valori nell'intervallo 0,97 ... 0,99 sono abbastanza reali. Idealmente, quando il fattore di potenza è pari all'unità, il dispositivo preleva dalla rete una corrente sinusoidale con sfasamento zero rispetto alla tensione (corrispondente a un carico completamente resistivo con caratteristica corrente-tensione lineare).

Rifasamento passivo

Il metodo di correzione passiva è più spesso utilizzato in dispositivi a basso costo a bassa potenza (dove non ci sono requisiti rigorosi per l'intensità delle armoniche inferiori della corrente). La correzione passiva consente di ottenere un fattore di potenza di circa 0,9. Questo è conveniente quando l'alimentatore è già stato progettato, resta solo da creare un filtro adatto e includerlo nel circuito di ingresso.

Il rifasamento passivo consiste nel filtrare la corrente consumata utilizzando un filtro LC passa-banda. Questo metodo ha diverse limitazioni. Un filtro LC può essere efficace come correttore del fattore di potenza solo se la tensione, la frequenza e il carico variano all'interno di un intervallo ristretto.. Poiché il filtro deve funzionare nella regione delle basse frequenze (50/60 Hz), i suoi componenti sono di grandi dimensioni, peso e dimensioni fattore di bassa qualità(che non è sempre accettabile). In primo luogo, il numero di componenti nell'approccio passivo è molto inferiore e, quindi, il tempo tra i guasti è maggiore, e in secondo luogo, con la correzione passiva si creano meno interferenze elettromagnetiche e di contatto rispetto alla correzione attiva.

Rifasamento attivo

Un rifasatore attivo deve soddisfare tre condizioni:

1) La forma della corrente consumata dovrebbe essere il più vicino possibile alla sinusoidale e - "in fase" con la tensione. Il valore istantaneo della corrente assorbita dalla sorgente deve essere proporzionale alla tensione istantanea della rete.

2) La potenza prelevata dalla sorgente deve rimanere costante anche al variare della tensione di rete. Ciò significa che quando la tensione di rete diminuisce, è necessario aumentare la corrente di carico e viceversa.

3) La tensione all'uscita del correttore PFC non dovrebbe dipendere dall'entità del carico. Quando la tensione sul carico diminuisce, la corrente che lo attraversa deve aumentare e viceversa.

Esistono diversi schemi con i quali è possibile implementare il rifasamento attivo. Il più popolare al momento è il "circuito del convertitore boost". Questo schema soddisfa tutti i requisiti per i moderni alimentatori. In primo luogo, permette di lavorare in reti con diversi valori ​​della tensione di alimentazione (da 85 a 270 V) senza vincoli ed eventuali regolazioni aggiuntive. In secondo luogo, è meno suscettibile alle deviazioni dei parametri elettrici della rete (sbalzi di tensione o interruzioni di corrente a breve termine). Un altro vantaggio di questo schema è l'implementazione più semplice della protezione contro le sovratensioni. Uno schema semplificato del “convertitore boost” è mostrato in fig. 3.

Principio di funzionamento

Il correttore di fattore di potenza standard è un convertitore AD/DC a modulazione di ampiezza di impulso (PWM). Il modulatore controlla un potente interruttore (solitamente MOSFET), che converte una tensione di rete costante o raddrizzata in una sequenza di impulsi, dopo la rettifica della quale si ottiene una tensione costante in uscita.

I diagrammi di temporizzazione di funzionamento del correttore sono riportati in fig. 4. Quando l'interruttore del MOSFET è acceso, la corrente nell'induttore aumenta linearmente, mentre il diodo è bloccato e il condensatore C2 viene scaricato sul carico. Quindi, quando il transistor si spegne, la tensione ai capi dell'induttore "apre" il diodo e l'energia immagazzinata nell'induttore carica il condensatore C2 (e contemporaneamente alimenta il carico). Nel circuito di cui sopra (a differenza della sorgente senza correzione), il condensatore C1 ha una piccola capacità e serve a filtrare il rumore ad alta frequenza. La frequenza di conversione è 50...100 kHz. Nel caso più semplice, il circuito funziona con un ciclo di lavoro costante. Esistono modi per aumentare l'efficienza della correzione modificando dinamicamente il ciclo di lavoro (facendo corrispondere il ciclo con l'inviluppo di tensione dal raddrizzatore di rete).

Il circuito "boost converter" può funzionare tre modalità: continuo , discreto e il cosiddetto modalità di conduzione critica". V discreto modalità durante ogni periodo, la corrente dell'induttore ha il tempo di "scendere" a zero e dopo un po' ricomincia ad aumentare, e in continuo- la corrente, non avendo il tempo di raggiungere lo zero, ricomincia ad aumentare. Modalità conducibilità critica usato meno frequentemente rispetto ai due precedenti. È più difficile da implementare. Il suo significato è che il MOSFET si apre nel momento in cui la corrente dell'induttore raggiunge lo zero. Quando si opera in questa modalità, è più facile regolare la tensione di uscita.

La scelta della modalità dipende dalla potenza di uscita richiesta dell'alimentatore. Nei dispositivi con una potenza superiore a 400 W viene utilizzata la modalità continua e in quelli a bassa potenza la modalità discreta. Il rifasamento attivo permette di raggiungere valori di 0,97...0,99 con THD (Total Harmonic Distortion) entro 0,04...0,08.

L'inclusione di carichi non lineari nella rete AC, ad esempio lampade con lampade a scarica di gas, motori elettrici controllati, alimentatori switching, porta al fatto che la corrente consumata da questi dispositivi ha natura pulsata con un'alta percentuale di armoniche. Per questo motivo, possono sorgere problemi di compatibilità elettromagnetica durante il funzionamento di varie apparecchiature. Porta anche a una diminuzione della potenza attiva della rete.

Per prevenire un impatto così negativo sulle reti di approvvigionamento in Europa e negli Stati Uniti, uno standard IEC IEC 1000-3-2, che definisce le norme per le componenti armoniche della corrente consumata e il fattore di potenza per sistemi di alimentazione con potenza superiore a 50 W e tutti i tipi di apparecchi di illuminazione. Dagli anni '80 e fino ad oggi, questi standard sono stati costantemente rafforzati, il che ha reso necessaria l'adozione di misure speciali e ha spinto i progettisti di apparecchiature a sviluppare varie opzioni per schemi che forniscano il miglioramento del fattore di potenza.

A partire dagli anni '80 del secolo scorso, i microcircuiti hanno iniziato a essere attivamente sviluppati e utilizzati nei paesi sopra menzionati, sulla base dei quali è possibile creare facilmente semplici correttori di rifasamento per raddrizzatori e reattori elettronici.

In Unione Sovietica, e successivamente nella Federazione Russa, tali restrizioni non sono state introdotte per i consumatori di elettricità. Per questo motivo, i temi del miglioramento del fattore di potenza non hanno ricevuto sufficiente attenzione nella letteratura tecnica. Negli ultimi anni la situazione è alquanto cambiata, in gran parte a causa della presenza di componenti elettronici importati, il cui impiego consente di realizzare circuiti correttori attivi affidabili nel funzionamento ed economici nei costi.

Potenza di distorsione e fattore di potenza generalizzato

L'impatto negativo sulla rete di fornitura è determinato da due componenti: la distorsione della forma attuale della rete di fornitura e il consumo di potenza reattiva. Il grado di influenza del consumatore sulla rete di fornitura dipende dalla sua potenza.

La distorsione della forma d'onda della corrente è dovuta al fatto che la corrente all'ingresso del convertitore della valvola non è sinusoidale (Figura 1). Le correnti non sinusoidali creano cadute di tensione non sinusoidali sulla resistenza interna della rete di alimentazione, causando una distorsione della forma d'onda della tensione di alimentazione. Le tensioni di rete non sinusoidali vengono espanse in una serie di Fourier in componenti sinusoidali dispari di armoniche superiori. Il primo è il principale (quello che idealmente dovrebbe essere), il terzo, il quinto, ecc. Armoniche più alte hanno un impatto estremamente negativo su molti consumatori, costringendoli ad adottare misure speciali (spesso molto costose) per neutralizzarli.

Riso. uno.

Il consumo di potenza reattiva fa sì che la corrente rimanga indietro di un angolo rispetto alla tensione (Figura 2). La potenza reattiva viene consumata dai raddrizzatori che utilizzano tiristori a singola operazione, che ritardano il momento dell'accensione rispetto al punto di commutazione naturale, causando un ritardo della corrente rispetto alla tensione. Ma ancora più potenza reattiva viene consumata dai motori elettrici asincroni, che hanno una natura prevalentemente induttiva del carico. Ciò comporta enormi perdite di potenza utile, per la quale, inoltre, nessuno vuole pagare: i contatori elettrici domestici contano solo la potenza attiva.

Riso. 2.

Per descrivere l'effetto del convertitore sulla rete di alimentazione viene introdotto il concetto di piena potenza:

, dove:

- valore effettivo della tensione primaria,

- valore effettivo della corrente primaria,

, - valori effettivi della tensione e della corrente dell'armonica primaria,

Valori effettivi di tensioni e correnti di armoniche superiori.

Se la tensione primaria è sinusoidale - , poi:

,

,

ϕ 1 - angolo di fase tra la tensione sinusoidale e la prima armonica della corrente.

N è la potenza di distorsione causata dal flusso di correnti armoniche più elevate nella rete. La potenza media per il periodo dovuta a queste armoniche è zero, perché le frequenze delle armoniche e la tensione primaria non corrispondono.

Armoniche di corrente più elevate causano interferenze nelle apparecchiature sensibili e perdite aggiuntive dovute a correnti parassite nei trasformatori di rete.

Per i convertitori di valvole viene introdotto il concetto di fattore di potenza χ, che caratterizza l'effetto della potenza reattiva e della potenza di distorsione:

,

- coefficiente di distorsione della corrente primaria.

Pertanto, è ovvio che il fattore di potenza dipende dall'angolo di ritardo della corrente rispetto alla tensione e dall'ampiezza delle armoniche superiori della corrente.

Metodi di miglioramento del fattore di potenza

Esistono diversi modi per ridurre l'impatto negativo del convertitore sulla rete di alimentazione. Ecco qui alcuni di loro:

Utilizzando il controllo di fase multistadio (Figura 3).

Riso. 3.

L'uso di un raddrizzatore con prese del trasformatore porta ad un aumento del numero di ondulazioni per periodo. Più rami dal trasformatore, maggiore è il numero di increspature per periodo, più la forma della corrente di ingresso è vicina a quella sinusoidale. Uno svantaggio significativo di questo metodo è il costo elevato e le dimensioni del trasformatore con un numero sufficiente di prese (per ottenere l'effetto, devono essercene più che nella figura). La produzione di un elemento di avvolgimento di tale complessità è un compito molto difficile, difficile da automatizzare, da qui il prezzo. E se la fonte di alimentazione secondaria in fase di sviluppo è su piccola scala, allora questo metodo è inequivocabilmente inaccettabile.

Riso. 4.

Aumentando la fase del raddrizzatore. Il metodo porta ad un aumento del numero di pulsazioni per periodo. Lo svantaggio di questo metodo è la progettazione molto complicata del trasformatore, costoso e ingombrante raddrizzatore. Inoltre, non tutti i consumatori dispongono di una rete trifase.

Utilizzo correttori di fattore di potenza (PFC). Esistono KKM elettronici e non elettronici. Come PFC non elettronici, i compensatori di potenza reattiva elettromagnetica sono ampiamente utilizzati: motori sincroni che generano potenza reattiva nella rete. Ovviamente, per ovvi motivi, tali sistemi non sono adatti al consumatore domestico. Il KKM elettronico - un sistema di soluzioni circuitali pensate per aumentare il fattore di potenza - è forse la soluzione più ottimale per il consumo domestico.

Il principio di funzionamento del KKM

Il compito principale di PFC è ridurre a zero il ritardo della corrente consumata dalla tensione nella rete mantenendo la forma sinusoidale della corrente. Per fare ciò, è necessario prelevare corrente dalla rete non a brevi intervalli, ma per l'intero periodo di funzionamento. La potenza prelevata dalla sorgente deve rimanere costante anche al variare della tensione di rete. Ciò significa che quando la tensione di rete diminuisce, è necessario aumentare la corrente di carico e viceversa. Per questi scopi sono adatti convertitori con accumulo induttivo e trasferimento di energia inverso.

I metodi di correzione possono essere suddivisi condizionatamente in quelli a bassa frequenza e ad alta frequenza. Se la frequenza del correttore è molto più alta della frequenza della rete, questo è un correttore di alta frequenza, altrimenti è un correttore di bassa frequenza.

Considera il principio di funzionamento di un tipico correttore di potenza (Figura 5). Su una semionda positiva, nel momento in cui la tensione di rete passa per lo zero, il transistor VT1 si apre, la corrente scorre attraverso il circuito L1-VD3-VD8. Dopo lo spegnimento del transistor VT1, l'induttore inizia a emettere l'energia in esso immagazzinata, attraverso i diodi VD1 e VD6 al condensatore del filtro e al carico. Con una semionda negativa, il processo ha un carattere simile, funzionano solo altre coppie di diodi. Come risultato dell'uso di tale correttore, la corrente di consumo ha un carattere pseudo-sinusoidale e il fattore di potenza raggiunge un valore di 0,96 ... 0,98. Lo svantaggio di questo schema sono le grandi dimensioni dovute all'uso di un'induttanza a bassa frequenza.

Riso. 5.

L'aumento della frequenza di funzionamento del PFC consente di ridurre le dimensioni del filtro (Figura 6). Con l'interruttore di alimentazione VT1 aperto, la corrente nell'induttore L1 aumenta linearmente, mentre il diodo VD5 è bloccato e il condensatore C1 viene scaricato sul carico.

Riso. 6.

Quindi il transistor si spegne, la tensione sull'induttanza L1 sblocca il diodo VD5 e l'induttanza cede l'energia accumulata al condensatore, alimentando contemporaneamente il carico (Figura 7). Nel caso più semplice, il circuito funziona con un ciclo di lavoro costante. Esistono modi per aumentare l'efficienza della correzione modificando dinamicamente il duty cycle (ad esempio, facendo corrispondere il ciclo all'inviluppo di tensione del raddrizzatore di rete).

Riso. 7. Forme di tensioni e correnti di PFC ad alta frequenza: a) con frequenza di commutazione variabile, b) con frequenza di commutazione costante

Chip per la costruzione di correttori ad alte prestazioni di STMicroelectronics

Date le possibilità della moderna industria elettronica, i PFC ad alta frequenza sono la scelta migliore. La progettazione integrale dell'intero correttore di potenza o della sua parte di controllo è diventata, infatti, lo standard. Attualmente, esiste una maggiore varietà di chip di controllo per la costruzione di circuiti PFC prodotti da vari produttori. Tra tutta questa varietà, vale la pena prestare attenzione ai microcircuiti L6561/2/3 prodotti da STMicroelectronics (www.st.com).

L6561, L6562 e L6563- una serie di microcircuiti appositamente progettati dagli ingegneri di STMicroelectronics per realizzare correttori di rifasamento ad alta efficienza (Tabella 1).

Tabella 1. CI di correzione del fattore di potenza

Basato su L6561/2/3, è possibile realizzare un correttore economico ma efficace (Figura 8). Grazie al sistema di controllo predittivo integrato, gli sviluppatori sono riusciti a ottenere un'elevata precisione nella regolazione della tensione di uscita (1,5%), controllata dall'amplificatore di disadattamento integrato.

Riso. otto.

È possibile interagire con un convertitore DC/DC collegato al correttore. Questa interazione consiste nello spegnere il convertitore da un microcircuito (se supporta tale possibilità) in caso di condizioni esterne avverse (surriscaldamento, sovratensione). D'altra parte, il convertitore può anche avviare l'accensione e lo spegnimento del microcircuito. Il driver integrato consente di controllare potenti transistor MOSFET o IGBT. Secondo il produttore, sulla base dell'LP6561/2/3, è possibile implementare un alimentatore con una potenza fino a 300 W.

A differenza degli analoghi di altri produttori, gli LP6561/2/3 sono dotati di circuiti speciali che riducono la conduttività della distorsione della corrente di ingresso che si verifica quando la tensione di ingresso raggiunge lo zero. Il motivo principale di questa interferenza è la "zona morta" che si verifica durante il funzionamento del ponte di diodi, quando tutti e quattro i diodi sono chiusi. Una coppia di diodi operanti su una semionda positiva risulta chiusa a causa di una variazione della polarità della tensione di alimentazione e l'altra coppia non ha ancora avuto il tempo di aprirsi a causa della propria capacità di barriera. Questo effetto è potenziato dalla presenza di un condensatore di filtro posto dietro il ponte a diodi, che, quando la polarità di alimentazione è invertita, trattiene una certa tensione residua, che non consente ai diodi di aprirsi in tempo. Quindi, è ovvio che la corrente non scorre in questi momenti, la sua forma è distorta. L'uso di nuovi controller PFC può ridurre significativamente il tempo della "zona morta", riducendo così la distorsione.

In alcuni casi, sarebbe molto conveniente controllare la tensione di uscita al convertitore CC/CC utilizzando un PFC. L6561/2/3 consente tale controllo, chiamato "controllo boost di tracciamento". Per fare ciò, basta installare un resistore tra il pin TBO e GND.

Vale la pena notare che tutti e tre i microcircuiti sono compatibili con i pin tra loro. Ciò può semplificare notevolmente la progettazione PCB del dispositivo.

Quindi, possiamo distinguere le seguenti caratteristiche dei microcircuiti L6561 / 2/3:

protezione da sovratensione regolabile;

corrente di trigger ultra bassa (meno di 50 µA);

bassa corrente di riposo (inferiore a 3 mA);

ampio limite di tensione di ingresso;

filtro integrato che aumenta la sensibilità;

la capacità di disconnettersi dal carico;

la capacità di controllare la tensione di uscita;

possibilità di interazione direttamente con il convertitore.

Conclusione

Attualmente, ci sono requisiti severi per la sicurezza e l'economia dei moderni dispositivi elettronici. In particolare, quando si sviluppano moderni alimentatori a commutazione, è necessario tenere conto degli standard ufficialmente accettati. IEC 1000-3-2 è lo standard per qualsiasi alimentatore switching ad alta potenza in quanto definisce le armoniche di corrente e i requisiti del fattore di potenza per sistemi di alimentazione superiori a 50 W e tutti i tipi di apparecchiature di illuminazione. La presenza di un rifasatore aiuta a soddisfare i requisiti di questa norma, ovvero la sua presenza in un potente alimentatore è una semplice necessità. L'L6561/2/3 è la scelta ottimale per costruire un rifasatore efficiente e allo stesso tempo economico.

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