Care este tipul pfc din sursa de alimentare. Proiectarea surselor de alimentare pentru calculatoare și metode de testare a acestora

19.06.2019 Recenzii

PFC (Correcția factorului de putere) este tradus ca „corecția factorului de putere”, numită și „compensarea puterii reactive”. În ceea ce privește comutarea surselor de alimentare (în prezent sunt utilizate doar sursele de alimentare de acest tip în unitățile de sistem informatic), acest termen înseamnă prezența în sursa de alimentare a unui set corespunzător de elemente de circuit, care este denumit și „PFC”. Aceste dispozitive sunt concepute pentru a reduce puterea reactivă consumată de sursa de alimentare.

De fapt, factorul sau factorul de putere este raportul dintre puterea activă (puterea consumată irevocabil de sursa de alimentare) și total, adică. la suma vectorială a puterilor active și reactive. În esență, factorul de putere (a nu se confunda cu eficiența!) este raportul dintre puterea utilă și cea primită, iar cu cât este mai aproape de unitate, cu atât mai bine.
PFC vine în două soiuri - pasiv și activ.
Când funcționează, o sursă de alimentare comutată fără PFC-uri suplimentare consumă energie de la rețea în impulsuri scurte, care coincid aproximativ cu vârfurile sinusoidei tensiunii rețelei.

Cel mai simplu și deci cel mai comun este așa-numitul PFC pasiv, care este un inductor convențional de inductanță relativ mare, conectat la rețea în serie cu sursa de alimentare.

PFC pasiv netezește oarecum impulsurile de curent, întinzându-le în timp - totuși, pentru a influența serios factorul de putere, este necesar un inductor cu inductanță mare, ale cărui dimensiuni nu permit instalarea acestuia în interiorul unei surse de alimentare a computerului. Factorul de putere tipic al unei surse de alimentare cu PFC pasiv este de numai aproximativ 0,75.

PFC activ este o altă sursă de alimentare comutată, care crește tensiunea.
Forma curentului consumat de o sursă de alimentare cu un PFC activ diferă foarte puțin de consumul unei sarcini rezistive convenționale - factorul de putere rezultat al unei astfel de surse de alimentare fără o unitate PFC poate ajunge la 0,95...0,98 atunci când funcționează la maxim. sarcină. Adevărat, pe măsură ce sarcina scade, factorul de putere scade, la un minim coborând la aproximativ 0,7...0,75 - adică la nivelul unităților cu PFC pasiv. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că valorile de vârf ale consumului de curent pentru blocurile cu PFC activ sunt încă, chiar și la putere scăzută, considerabil mai mici decât pentru toate celelalte blocuri.

Pe lângă faptul că PFC activ oferă un factor de putere aproape de ideal, de asemenea, spre deosebire de pasiv, îmbunătățește performanța sursei de alimentare - stabilizează suplimentar tensiunea de intrare a stabilizatorului principal al unității - unitatea devine vizibil mai puțin sensibilă. la tensiune joasă de rețea, de asemenea, atunci când se utilizează unitățile PFC active sunt destul de ușor dezvoltate cu sursă de alimentare universală 110...230V, care nu necesită comutarea manuală a tensiunii rețelei. (Astfel de surse de alimentare au o caracteristică specifică - funcționarea lor în combinație cu UPS-uri ieftine care produc un semnal de pas atunci când funcționează cu baterii poate duce la defecțiuni ale computerului, așa că producătorii recomandă utilizarea UPS-urilor din clasa Smart în astfel de cazuri, care furnizează întotdeauna un semnal sinusoidal către ieșire.)

De asemenea, utilizarea PFC activă îmbunătățește răspunsul sursei de alimentare în timpul scăderilor de scurtă durată (fracții de secundă) ale tensiunii de rețea - în astfel de momente unitatea funcționează folosind energia condensatoarelor redresoare de înaltă tensiune, eficiența care mai mult decât se dublează. Un alt avantaj al utilizării unui PFC activ este nivelul scăzut de zgomot de înaltă frecvență pe liniile de ieșire

De exemplu, tensiunea pe 1 picior al FAN7530 depinde de divizorul asamblat pe R10 și R11 și, în consecință, de condensatorul C9.

Ce este PFC și de ce este necesar?

Dispozitive electronice

PFC( abreviere pentru Corecția factorului de putere- tradus ca „Correcție factor de putere”, numit și „compensare putere reactivă”.

PFC vine în două soiuri − pasiv și activ.
Când funcționează, o sursă de alimentare comutată fără PFC-uri suplimentare consumă energie de la rețea în impulsuri scurte, care coincid aproximativ cu vârfurile sinusoidei tensiunii rețelei.

Cel mai simplu și, prin urmare, cel mai comun este așa-numitul PFC pasiv, care este un inductor convențional de inductanță relativ mare, conectat la rețea în serie cu sursa de alimentare.

PFC pasiv netezește oarecum impulsurile de curent, extinzându-le în timp - cu toate acestea, pentru a influența serios factorul de putere, aveți nevoie de un inductor de inductanță mare, ale cărui dimensiuni nu permit instalarea acestuia în interiorul unei surse de alimentare (computer sau televizor - acolo nu este nicio diferență). Factorul de putere tipic al unei surse de alimentare cu PFC pasiv este de numai aproximativ 0,75.

PFC activ este o altă sursă de alimentare comutată, care crește tensiunea.
Foarte des este numit și „pompare” sau „precondey”
După cum puteți vedea, forma curentului consumat de sursa de alimentare cu PFC activ, diferă foarte puțin de consumul unei sarcini rezistive convenționale - factorul de putere rezultat al unei astfel de unități poate ajunge la 0,95...0,98 atunci când funcționează la sarcină maximă.

Adevărat, pe măsură ce sarcina scade, factorul de putere scade, la un minim coborând la aproximativ 0,7...0,75 - adică la nivelul blocurilor cu PFC pasiv. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că valorile de vârf ale consumului de curent pentru blocurile cu PFC activ oricum, chiar și la putere mică se dovedesc a fi vizibil mai puțin decât toate celelalte blocuri.

Pe lângă asta PFC activ oferă un factor de putere aproape de ideal și, de asemenea, spre deosebire de unul pasiv, îmbunătățește funcționarea sursei de alimentare - stabilizează suplimentar tensiunea de intrare a stabilizatorului principal al unității - unitatea devine vizibil mai puțin sensibilă la tensiunea de rețea scăzută, iar la utilizarea unui PFC activ, unități cu alimentare universală 110...230V, care nu necesită comutarea manuală a tensiunii de rețea.

Astfel de surse de alimentare au o caracteristică specifică - funcționarea lor în combinație cu UPS-uri ieftine care produc un semnal de pas atunci când funcționează cu baterii poate duce la defecțiuni ale computerului, așa că producătorii recomandă utilizarea UPS-urilor din clasa Smart în astfel de cazuri, care scot întotdeauna un semnal sinusoidal.

De asemenea folosind PFC activîmbunătățește răspunsul sursei de alimentare în timpul scăderilor de scurtă durată (fracțiuni de secundă) ale tensiunii de rețea - în astfel de momente unitatea funcționează folosind energia condensatoarelor redresoare de înaltă tensiune, a căror eficiență se dublează cu mult. Un alt avantaj al folosirii PFC activ este nivel mai scăzut de interferență de înaltă frecvență pe liniile de ieșire, adică astfel de surse de alimentare sunt recomandate pentru utilizare la PC-uri cu periferice proiectate să funcționeze cu materiale audio/video analogice.

Și acum puțină teorie

Circuitul obișnuit, clasic, de redresare a tensiunii de 220 V AC constă dintr-o punte de diode și un condensator de netezire. Problema este că curentul de încărcare a condensatorului este de natură pulsat (durată aproximativ 3mS) și, în consecință, un curent foarte mare.

De exemplu, pentru o sursă de alimentare cu o sarcină de 200W, curentul mediu dintr-o rețea de 220V va fi de 1A, iar curentul de impuls va fi de 4 ori mai mare. Ce se întâmplă dacă există multe astfel de surse de alimentare și (sau) sunt mai puternice? ... atunci curenții vor fi pur și simplu nebuni - cablajul și prizele nu vor rezista și va trebui să plătiți mai mult pentru electricitate, pentru că se ia foarte mult în considerare calitatea consumului de curent.

De exemplu, fabricile mari au unități speciale de condensatoare pentru compensarea cosinusului. În tehnologia computerelor moderne, ne confruntăm cu aceleași probleme, dar nimeni nu va instala structuri cu mai multe etaje și au mers în sens invers - în sursele de alimentare instalează un element special pentru a reduce „pulsul” curentului consumat - PFC .

Diferitele tipuri sunt separate prin culori:

roșu - alimentare obișnuită fără PFC,
galben - din păcate, „alimentare obișnuită cu PFC pasiv”,
verde - alimentare cu PFC pasiv de inductanță suficientă.

Modelul arată procesele când sursa de alimentare este pornită și există o scădere pe termen scurt de 250mS. O creștere mare de tensiune în prezența unui PFC pasiv are loc deoarece se acumulează prea multă energie în inductor la încărcarea condensatorului de netezire. Pentru a combate acest efect, sursa de alimentare este pornită treptat - mai întâi, un rezistor este conectat în serie cu inductorul pentru a limita curentul de pornire, apoi este scurtcircuitat.

Pentru o sursă de alimentare fără PFC sau cu PFC pasiv decorativ, acest rol este jucat de un termistor special cu rezistență pozitivă, adică. rezistența sa crește foarte mult la încălzire. Cu un curent mare, un astfel de element se încălzește foarte repede și valoarea curentului scade, apoi se răcește din cauza scăderii curentului și nu are niciun efect asupra circuitului. Astfel, termistorul își îndeplinește funcțiile de limitare numai la curenți de pornire foarte mari.

Pentru PFC-urile pasive, impulsul de curent de pornire nu este atât de mare, iar termistorul nu își îndeplinește adesea funcția de limitare. În PFC-urile pasive normale, mari, pe lângă termistor, este instalat și un circuit special, dar în cele „tradiționale”, decorative, nu este cazul.

Și conform programelor în sine. PFC pasiv decorativ dă o supratensiune, care poate duce la defectarea circuitului de alimentare, tensiunea medie este puțin mai mică decât în cazul fără_PFC, iar în cazul unei căderi de curent pe termen scurt, tensiunea scade cu o cantitate mai mare decât fără_PFC. Există o deteriorare clară a proprietăților dinamice. PFC pasiv normal are, de asemenea, propriile sale caracteristici. Dacă nu luăm în considerare creșterea inițială, care trebuie neapărat compensată de secvența de comutare, atunci putem spune următoarele:

Tensiunea de ieșire a scăzut. Acest lucru este corect, deoarece nu este egal cu intrarea de vârf, ca pentru primele două tipuri de surse de alimentare, ci cu cea „actuală”. Diferența dintre vârf și real este egală cu rădăcina a doi.
Ondularea tensiunii de ieșire este mult mai mică, deoarece o parte din funcțiile de netezire este transferată la inductor.
- Căderea de tensiune în timpul unei căderi de curent pe termen scurt este, de asemenea, mai mică din același motiv.
- După un eșec vine un val. Acesta este un dezavantaj foarte semnificativ și este principalul motiv pentru care PFC-urile pasive nu sunt comune. Această supratensiune apare din același motiv pentru care apare atunci când este pornită, dar pentru cazul pornirii inițiale, un circuit special poate corecta ceva, dar în funcționare acest lucru este mult mai dificil de făcut.
- Când există o pierdere pe termen scurt a tensiunii de intrare, ieșirea nu se modifică la fel de brusc ca în alte opțiuni de alimentare. Acest lucru este foarte valoros pentru că... Schimbarea lentă a tensiunii a circuitului de control al sursei de alimentare funcționează cu succes și nu vor exista interferențe la ieșirea sursei de alimentare.

Pentru alte opțiuni de alimentare, în cazul unor astfel de defecțiuni, vor apărea cu siguranță interferențe la ieșirile sursei de alimentare, ceea ce poate afecta fiabilitatea funcționării. Cât de frecvente sunt întreruperile de curent pe termen scurt? Conform statisticilor, 90% din toate situațiile non-standard cu o rețea de 220V apar doar într-un astfel de caz. Principala sursă de apariție este comutarea sistemului de alimentare și conectarea consumatorilor puternici.

Figura arată eficacitatea PFC în reducerea supratensiunilor de curent:

Pentru o sursă de alimentare fără PFC, curentul ajunge la 7,5A, PFC pasiv îl reduce de 1,5 ori, iar PFC normal reduce curentul mult mai mult.

Tehnologia de conversie

Introducere

În ultimele decenii, numărul de electronice utilizate în case, birouri și fabrici a crescut dramatic, iar majoritatea dispozitivelor folosesc surse de alimentare comutatoare. Astfel de surse generează distorsiuni de curent armonice și neliniare, care afectează negativ cablajul electric și aparatele electrice conectate la acesta. Această influență este exprimată nu numai în diferite tipuri interferență, afectând funcționarea dispozitivelor sensibile, dar și în supraîncălzirea liniei neutre. Atunci când curenții curg în sarcini cu componente armonice semnificative care sunt defazate cu tensiunea, curentul din firul neutru (care este practic zero cu o sarcină simetrică) poate crește până la o valoare critică.

Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) și Organizația Europeană pentru Standardizare Electrotehnică (CENELEC) au adoptat standardele IEC555 și EN60555 care stabilesc limite ale conținutului de armonici în curentul de intrare al surselor de alimentare secundare, sarcinilor electronice ale lămpilor fluorescente, driverelor de motoare DC și dispozitivelor similare.

Una dintre modalitățile eficiente de a rezolva această problemă este utilizarea corectoarelor de factor de putere PFC (Power Factor Correction). În practică, aceasta înseamnă că un circuit special PFC trebuie să fie inclus în circuitul de intrare al aproape orice dispozitiv electronic cu convertoare de impulsuri, care asigură reducerea sau suprimarea completă a armonicilor de curent.

Corecția factorului de putere

O sursă de alimentare cu comutație tipică constă dintr-un redresor de rețea, un condensator de netezire și un convertor de tensiune. O astfel de sursă consumă energie numai în acele momente în care tensiunea furnizată de la redresor la condensatorul de netezire este mai mare decât tensiunea pe ea (condensatorul), care apare pentru aproximativ un sfert din perioadă. În restul timpului, sursa nu consumă energie din rețea, deoarece sarcina este alimentată de un condensator. Aceasta duce la faptul că puterea este preluată de sarcină numai la vârful tensiunii, curentul consumat are forma unui impuls scurt și conține un set de componente armonice (vezi Fig. 1).

O sursă de alimentare secundară cu corecție a factorului de putere consumă curent cu distorsiuni armonice scăzute, preia puterea de la rețea mai uniform și are un factor de creastă (raportul dintre valoarea amplitudinii curentului și valoarea sa efectivă) mai mic decât cel al unei surse necorectate. . Corecția factorului de putere reduce valoarea RMS a consumului de curent, ceea ce vă permite să conectați mai multe dispozitive diferite la o priză a rețelei electrice fără a crea supracurent în ea (vezi Fig. 2).

Factor de putere

Factor de putere PF este un parametru care caracterizează distorsiunea creată de sarcină (în cazul nostru, sursa secundară de alimentare) în rețeaua de curent alternativ. Există două tipuri de distorsiuni - armonice și neliniare. Distorsiunea armonică este cauzată de o sarcină reactivă și reprezintă o schimbare de fază între curent și tensiune. Distorsiunile neliniare sunt introduse în rețea de sarcini „neliniare”. Aceste distorsiuni sunt exprimate în abaterea formei de undă de curent sau tensiune de la o sinusoidă. Când distorsiuni armonice Factorul de putere este cosinusul diferenței de fază dintre curent și tensiune sau raportul dintre puterea activă și puterea totală consumată din rețea. Pentru distorsiuni neliniare Factorul de putere este egal cu ponderea puterii primei componente de curent armonic în puterea totală consumată de dispozitiv. Poate fi considerat un indicator al modului în care dispozitivul consumă energie de la rețea.

În general factorul de putere este produsul dintre cosinusul unghiului diferenței de fază dintre tensiune și curent și cosinusul unghiului dintre vectorul armonic fundamental și vectorul curent total. Raționamentul prezentat mai jos conduce la această definiție. Curentul efectiv care curge în sarcina activă are forma:

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

unde I 2 neff este componenta constantă (în cazul tensiunii sinusoidale este zero), I 2 1eff este armonica principală, iar sub semnul sumei se află armonicile inferioare. Când lucrați cu o sarcină reactivă, o componentă reactivă apare în această expresie și ia forma:

I 2 eff =I 2 0 +(I 2 1eff(P) +I 2 1eff(Q))+SI 2 neff. Puterea activă este valoarea medie a puterii alocate sarcinii active într-o perioadă.

Poate fi reprezentat ca produsul dintre tensiunea efectivă și componenta activă a curentului P=U eff H I 1eff(P). Din punct de vedere fizic, aceasta este energia eliberată sub formă de căldură pe unitatea de timp prin rezistența activă. Puterea reactivă este înțeleasă ca produsul dintre tensiunea efectivă și componenta reactivă a curentului: Q = U eff H I 1 eff (Q). Semnificația fizică este energia care este pompată de două ori pe perioadă de la generator la sarcină și de două ori de la sarcină la generator. Puterea totală este produsul dintre tensiunea efectivă și curentul efectiv total: S=U eff H I eff(total). Pe plan complex, poate fi reprezentat ca suma vectorilor P și Q, din care este vizibilă dependența I 2 =I 1eff(total) cos j, unde j este unghiul dintre vectorii P și Q, care caracterizează și diferența de fază între curentul și tensiunea din circuit.

Pe baza celor de mai sus, obținem definiția pentru factorul de putere:

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

Este de remarcat faptul că raportul (I 1eff)/(Ieff(total)) este cosinusul unghiului dintre vectori corespunzător valorii efective a curentului total și valoarea efectivă a primei sale armonice. Dacă notăm acest unghi cu q, atunci expresia factorului de putere ia forma: PF=cos j Х cos q. Sarcina corectării factorului de putere este de a aduce unghiul diferenței de fază j între tensiune și curent, precum și unghiul de distorsiune armonică q al curentului consumat, mai aproape de zero (sau, cu alte cuvinte, de a aduce forma curbei curentului). cât mai aproape de o sinusoidă și să compenseze pe cât posibil defazajul).

Factorul de putere este exprimat ca o fracție zecimală, a cărei valoare variază de la 0 la 1. Valoarea sa ideală este unul (pentru comparație, o sursă de alimentare cu comutație tipică fără corecție are o valoare a factorului de putere de aproximativ 0,65), 0,95 este o valoare bună ; 0,9 - satisfăcător; 0,8 - nesatisfăcător. Aplicarea corecției factorului de putere poate crește factorul de putere al dispozitivului de la 0,65 la 0,95. Valorile în intervalul 0,97...0,99 sunt, de asemenea, destul de realiste. În cazul ideal, când factorul de putere este unitar, dispozitivul atrage curent sinusoidal din rețea cu defazaj zero față de tensiune (corespunzător unei sarcini complet rezistive cu o caracteristică curent-tensiune liniară).

Corecție pasivă a factorului de putere

Metoda de corecție pasivă este folosită cel mai adesea în dispozitivele ieftine de putere redusă (unde nu există cerințe stricte pentru intensitatea armonicilor de curent mai scăzute). Corecția pasivă vă permite să obțineți un factor de putere de aproximativ 0,9. Acest lucru este convenabil în cazul în care sursa de alimentare a fost deja proiectată, tot ce rămâne este să creați un filtru adecvat și să îl includeți în circuitul de la intrare.

Corecția pasivă a factorului de putere constă în filtrarea consumului de curent folosind un filtru trece-bandă LC. Această metodă are mai multe limitări. Un filtru LC poate fi eficient ca corector al factorului de putere numai dacă tensiunea, frecvența și sarcina variază într-un interval restrâns de valori. Deoarece filtrul trebuie să funcționeze în regiunea de frecvență joasă (50/60 Hz), componentele sale sunt mari ca dimensiune, greutate și factor de calitate scăzut(ceea ce nu este întotdeauna acceptabil). in primul rand, numărul componentelor cu abordare pasivă este mult mai mic și, prin urmare, timpul dintre defecțiuni este mai mare, iar în al doilea rând, cu corecția pasivă, se creează mai puține interferențe electromagnetice și de contact decât cu cea activă.

Corecția factorului de putere activă

O corecție activă a factorului de putere trebuie să îndeplinească trei condiții:

1) Forma curentului consumat trebuie să fie cât mai apropiată de sinusoidală și „în fază” cu tensiunea. Valoarea instantanee a curentului consumat de la sursa trebuie sa fie proportionala cu tensiunea instantanee a retelei.

2) Puterea preluată de la sursă trebuie să rămână constantă chiar dacă tensiunea rețelei se modifică. Aceasta înseamnă că atunci când tensiunea rețelei scade, curentul de sarcină trebuie crescut și invers.

3) Tensiunea la ieșirea corectorului PFC nu ar trebui să depindă de dimensiunea sarcinii. Pe măsură ce tensiunea pe sarcină scade, curentul prin aceasta trebuie să crească și invers.

Există mai multe scheme care pot fi utilizate pentru a implementa corecția factorului de putere activă. Cel mai popular în prezent este „circuitul convertizorului boost”. Acest circuit satisface toate cerințele pentru sursele de alimentare moderne. in primul rand, vă permite să lucrați în rețele cu tensiuni de alimentare diferite (de la 85 la 270 V) fără restricții sau ajustări suplimentare. În al doilea rând, este mai puțin susceptibil la abateri ale parametrilor electrici ai rețelei (supratensiuni sau întreruperi de scurtă durată). Un alt avantaj al acestei scheme este implementarea mai simplă a protecției la supratensiune. O diagramă simplificată a unui „convertor de amplificare” este prezentată în Fig. 3.

Principiul de funcționare

Corectorul de factor de putere standard este un convertor AD/DC cu modulație de lățime a impulsurilor (PWM). Modulatorul controlează un comutator puternic (de obicei MOSFET), care convertește tensiunea de rețea directă sau redresată într-o secvență de impulsuri, după rectificarea cărora se obține o tensiune constantă la ieșire.

Diagramele de timp ale funcționării corectorului sunt prezentate în Fig. 4. Când comutatorul MOSFET este pornit, curentul din inductor crește liniar - în timp ce dioda este blocată, iar condensatorul C2 este descărcat la sarcină. Apoi, când tranzistorul este oprit, tensiunea pe inductor „deschide” dioda, iar energia stocată în inductor încarcă condensatorul C2 (și alimentează simultan sarcina). În circuitul de mai sus (spre deosebire de o sursă fără corecție), condensatorul C1 are o capacitate mică și servește la filtrarea interferențelor de înaltă frecvență. Frecvența de conversie este de 50...100 kHz. În cel mai simplu caz, circuitul funcționează cu un ciclu de lucru constant. Există modalități de a crește eficiența corecției prin modificarea dinamică a ciclului de lucru (potrivirea ciclului cu anvelopa de tensiune de la redresorul de la rețea).

Circuitul „boost converter” poate funcționa în trei moduri: continuu , discretși așa-numitul „ modul critic de conductivitate" ÎN discret modul, în fiecare perioadă curentul inductorului reușește să „scădeze” la zero și după un timp începe să crească din nou, iar în continuu- curentul, neavând timp să ajungă la zero, începe din nou să crească. Modul conductivitate critică utilizate mai rar decât precedentele două. Este mai greu de implementat. Sensul său este că MOSFET-ul se deschide în momentul în care curentul inductorului ajunge la zero. Când funcționează în acest mod, reglarea tensiunii de ieșire este simplificată.

Alegerea modului depinde de puterea de ieșire necesară a sursei de alimentare. Dispozitivele cu o putere mai mare de 400 W folosesc modul continuu, în timp ce dispozitivele cu putere redusă folosesc modul discret. Corecția activă a factorului de putere vă permite să obțineți valori de 0,97...0,99 cu un coeficient THD (Total Harmonic Distorsion) de 0,04...0,08.

Nu este un secret că unul dintre principalele blocuri ale unui computer este unitate de putere. La cumpărare, acordăm atenție diverselor caracteristici: puterea maximă a unității, caracteristicile sistemului de răcire și nivelul de zgomot. Dar nu toată lumea se întreabă ce este PFC?

Deci, să ne dăm seama ce oferă PFC

În ceea ce privește comutarea surselor de alimentare (numai acest tip de alimentare este utilizat în prezent în unitățile de sistem informatic), acest termen înseamnă prezența în sursa de alimentare a unui set corespunzător de elemente de circuit.

Corecția factorului de putere- tradus ca „Correcție factor de putere”, numit și „compensare putere reactivă”.

Cel mai simplu și, prin urmare, cel mai comun este așa-numitul PFC pasiv, care este un inductor convențional de inductanță relativ mare, conectat la rețea în serie cu sursa de alimentare.

PFC activ este o altă sursă de alimentare comutată, care crește tensiunea.
După cum puteți vedea, forma curentului consumat de sursa de alimentare cu PFC activ, diferă foarte puțin de consumul unei sarcini rezistive convenționale - factorul de putere rezultat al unei astfel de unități poate ajunge la 0,95...0,98 atunci când funcționează la sarcină maximă.

Pe lângă asta PFC activ asigură un factor de putere aproape ideal, de asemenea, spre deosebire de una pasivă, îmbunătățește funcționarea sursei de alimentare - stabilizează suplimentar tensiunea de intrare a stabilizatorului principal al unității - unitatea devine vizibil mai puțin sensibilă la tensiunea de rețea scăzută, iar atunci când se utilizează un PFC activ, unitățile cu o sursă de alimentare universală de 110... 230V, care nu necesită comutarea manuală a tensiunii de rețea.

Astfel de surse de alimentare au o caracteristică specifică - funcționarea lor în combinație cu UPS-uri ieftine care produc un semnal de pas atunci când funcționează cu baterii. poate cauza defecțiuni ale computerului, așa că producătorii recomandă utilizarea în astfel de cazuri UPS inteligent, emitând întotdeauna un semnal sinusoidal.

De asemenea folosind PFC activîmbunătățește răspunsul sursei de alimentare în timpul scăderilor de scurtă durată (fracțiuni de secundă) ale tensiunii de rețea - în astfel de momente unitatea funcționează folosind energia condensatoarelor redresoare de înaltă tensiune, a căror eficiență se dublează cu mult. Un alt avantaj al folosirii PFC activ este nivel mai scăzut de interferență de înaltă frecvență pe liniile de ieșire, adică astfel de surse de alimentare sunt recomandate pentru utilizare la PC-uri cu periferice proiectate să funcționeze cu materiale audio/video analogice.

Și acum puțină teorie

Diferitele tipuri sunt separate prin culori:

roșu - alimentare obișnuită fără PFC,
galben - din păcate, „alimentare obișnuită cu PFC pasiv”,
verde - alimentare cu PFC pasiv de inductanță suficientă.

Figura arată eficacitatea PFC în reducerea supratensiunilor de curent:

Pentru o sursă de alimentare fără PFC, curentul ajunge la 7,5A, PFC pasiv îl reduce de 1,5 ori, iar PFC normal reduce curentul mult mai mult.

Buna din nou!..
Din păcate, articolul meu a fost amânat pentru că... a apărut un proiect de lucru urgent și dificultăți interesante la implementarea unui corector de factor de putere ( mai departe KKM). Și au fost cauzate de următoarele - în producția noastră, pentru a controla casa de marcat, folosim un microcircuit „la comandă”, care pentru scopurile noastre este produs de Austria, care a fost prietenos mai ales în 1941 și, în consecință, nu poate fi găsit. de vanzare. Prin urmare, a apărut sarcina de a converti acest modul într-o bază elementară accesibilă și alegerea mea a căzut pe un cip de controler PWM - L6561.
De ce ea? Disponibilitate banala, sau mai bine zis am gasit-o in „Chip & Dip”, am citit fișa tehnică și mi-a plăcut. Am comandat 50 de bucăți deodată, pentru că... mai ieftin și în proiectele mele de amatori am deja mai multe sarcini pentru asta.

Acum despre principalul lucru: în acest articol vă voi spune cum mi-am amintit că am proiectat convertoare cu un singur capăt aproape de la zero ( s-ar părea că au ceva de-a face cu asta), de ce am ucis o duzină de chei și cum poți evita asta. Această parte îți va spune teoria și ce se întâmplă dacă o neglijezi. Implementarea practică va apărea în partea următoare, așa cum am promis, împreună cu încărcător, deoarece Ele sunt în esență un singur modul și trebuie testate împreună.
Privind în viitor, voi spune că pentru următoarea parte am pregătit deja câteva zeci de fotografii și videoclipuri în care memoria mea nu va dura mult. "recalificat" mai întâi în aparatul de sudură și apoi în sursa de alimentare pentru "capră". Cei care lucrează în producție vor înțelege ce fel de animal este acesta și cât consumă pentru a ne ține de cald)))

Și acum la oile noastre...

De ce avem nevoie chiar de această casă de marcat?

Principal necaz Un redresor „clasic” cu condensatori de stocare (acesta este lucrul care transformă 220V AC în +308V DC), care funcționează dintr-un curent sinusoidal, este că același condensator se încarcă (preia energie din rețea) doar în momentele în care tensiunea este aplicat lui mai mult decât asupra lui.

Nu citiți în limbajul uman, pentru cei slabi de inimă și cu grade științifice

După cum știm, curentul electric refuză complet să curgă dacă nu există o diferență de potențial. Direcția fluxului de curent va depinde și de semnul acestei diferențe! Dacă ați speriat și ați decis să încercați să vă încărcați telefonul mobil cu o tensiune de 2V, unde bateria Li-ion este proiectată pentru 3,7V, atunci nimic nu vă va funcționa. Deoarece Curentul va fi dat de sursa care are potentialul mai mare, iar energia va fi primita de cea cu potentialul mai mic.
Totul este ca în viață! Cântărești 60 de kg, iar tipul de pe stradă care a venit să-ți ceară să suni 120 de kg - este clar că va înmâna păsărica și o vei primi. Deci și aici - o baterie cu 2V de 60 kg nu va putea furniza curent unei baterii cu 3,7V de 120 kg. La fel este și cu un condensator, dacă are +310V și îi aplicați +200V, atunci va refuza să primească curent și nu se va încărca.

De asemenea, merită remarcat faptul că, pe baza „regulii” descrise mai sus, timpul alocat condensatorului pentru încărcare va fi foarte scurt. În cazul nostru, curentul se modifică după o lege sinusoidală, adică tensiunea necesară va fi doar la vârfurile sinusoidei! Dar condensatorul trebuie să funcționeze, așa că devine nervos și încearcă să se încarce. El cunoaște legile fizicii, spre deosebire de unii, și „înțelege” că timpul este scurt și, prin urmare, începe să consume un curent uriaș chiar în aceste momente, când tensiunea este la vârf. La urma urmei, ar trebui să fie suficient să operați dispozitivul până când apare următorul vârf.

Câteva despre aceste „vârfuri”:

Figura 1 - Vârfurile în care este încărcat condensatorul

După cum putem vedea, porțiunea din perioada în care EMF ia o valoare suficientă pentru încărcare (figurativ 280-310V) este de aproximativ 10% din perioada totală în rețeaua AC. Se pare că, în loc să luăm în mod constant treptat energie din rețea, o scoatem numai în episoade mici, „supraîncărcând” astfel rețeaua. Cu o putere de 1 kW și o sarcină inductivă, curentul în momentul unor astfel de „vârfuri” poate atinge cu ușurință valori de 60-80A.

Prin urmare, sarcina noastră se rezumă la a asigura extragerea uniformă a energiei din rețea pentru a nu supraîncărca rețeaua! Casa de marcat este cea care ne va permite să implementăm această sarcină în practică.

Cine este acest KKM al tău?

Corector de putere- Acesta este un convertor de tensiune obișnuit, cel mai adesea este cu un singur capăt. Deoarece Folosim modulația PWM, apoi în momentul în care comutatorul este deschis, tensiunea pe condensator este constantă. Dacă stabilizăm tensiunea de ieșire, atunci curentul preluat din rețea este proporțional cu tensiunea de intrare, adică se modifică fără probleme conform unei legi sinusoidale fără vârfurile și salturile de consum descrise anterior.

Circuitul PFC-ului nostru

Aici am decis să nu-mi schimb principiile și, de asemenea, m-am bazat pe fișa de date a controlerului pe care l-am ales - L6561. Inginerii companiei STMicroelectronics au făcut deja totul pentru mine și, mai precis, au dezvoltat deja designul de circuit ideal pentru produsul lor.
Da, pot recalcula totul de la zero și pot petrece o zi sau două pe această chestiune, adică toate weekendurile mele deja rare, dar întrebarea este de ce? Dovediți-mi că pot, din fericire, această etapă a fost trecută de mult)) Aici îmi amintesc o glumă cu barbă despre zona bilelor roșii, se spune că un matematician aplică o formulă, iar un inginer scoate o masă cu zona bilelor roșii.... Așa este și în acest caz.

Vă sfătuiesc să acordați imediat atenție faptului că circuitul din fișa de date este proiectat pentru 120 W, ceea ce înseamnă că ar trebui să se adaptează la cei 3 kW ai noștri și stres extrem de muncă.

Acum câteva documentații pentru ceea ce a fost descris mai sus:
Fișă tehnică pentru L6561

Daca ne uitam la pagina 6 vom vedea mai multe diagrame, ne intereseaza diagrama cu semnatura Rețea cu gamă largă, care înseamnă în basurmană „pentru funcționarea într-o gamă largă de tensiuni de alimentare” . Este acest „mod” pe care l-am avut în vedere când vorbeam despre tensiuni extreme. Dispozitivul este considerat universal, adică poate funcționa din orice rețea standard (de exemplu, în statele 110V) cu un interval de tensiune de 85 - 265V.

Această soluție ne permite să punem la dispoziție UPS-ul nostru funcția de stabilizator de tensiune! Pentru mulți, această gamă va părea excesivă și atunci pot realiza acest modul ținând cont de tensiunea de alimentare de 220V + - 15%. Acest lucru este considerat norma și 90% dintre dispozitivele din categoria de prețuri de până la 40 de mii de ruble sunt complet lipsite de casă de marcat, iar 10% o folosesc numai cu calculul abaterilor de cel mult 15%. Acest lucru ne permite, fără îndoială, să reducem oarecum costul și dimensiunile, dar dacă nu ați uitat încă, facem un dispozitiv cu care trebuie să concureze ARS!

Prin urmare, pentru mine, am decis să aleg cea mai corectă opțiune și să fac un rezervor indestructibil care poate fi tras chiar și într-o casă de țară unde există 100V în rețea, o mașină de sudură sau o pompă într-un puț:

Figura 2 - Design de circuit standard oferit de ST

Adaptarea circuitelor standard la sarcinile noastre

a) Când mă uit la această diagramă din DS, primul lucru care îmi vine în minte este trebuie să adăugați un filtru de mod comun!Și acest lucru este corect, pentru că. la putere mare vor începe să „înnebunească” electronicele. Pentru curenți de 15 A sau mai mult, va avea un aspect mai complicat decât mulți sunt obișnuiți să vadă în aceleași surse de alimentare pentru computer, unde doar 500-600 W. Prin urmare, această revizuire va fi un articol separat.

B) Vedem condensatorul C1, puteți lua o formulă complicată și puteți calcula capacitatea necesară și îi sfătuiesc pe cei care doresc să se aprofundeze în asta să facă acest lucru, amintindu-și la un moment dat de inginerie electrică de anul 2 de la orice politehnică. Dar nu voi face asta, pentru că... Pe baza propriilor mele observații din calcule vechi, îmi amintesc că până la 10 kW această capacitate crește aproape liniar în raport cu creșterea puterii. Adică, ținând cont de 1 µF la 100 W, constatăm că pentru 3000 W avem nevoie de 30 µF. Acest recipient se umple ușor din 7 condensatoare cu film de 4,7 µF și 400 V fiecare. Chiar și puțin cu rezervă, până la urmă Capacitatea unui condensator este foarte dependentă de tensiunea aplicată.

C) Vom avea nevoie de un tranzistor de putere serios, pentru că... Curentul consumat din rețea va fi calculat după cum urmează:

Figura 3 - Calculul curentului nominal pentru PFC

Am inteles 41,83A. Acum admitem sincer că nu vom putea menține temperatura cristalului tranzistorului în regiunea de 20-25 o C. Sau, mai degrabă, ne putem descurca, dar va fi scump pentru o astfel de putere. După 750 kW, costul răcirii cu freon sau oxigen lichid este erodat, dar până acum acest lucru este departe de a fi cazul))) Prin urmare, trebuie să găsim un tranzistor care poate produce 45-50A la o temperatură de 55-60 o C.

Având în vedere că există inductanță în circuit, aș prefera IGBT tranzistor, deoarece sunt cele mai durabile. Curentul maxim trebuie selectat pentru căutare mai întâi aproximativ 100A, deoarece acesta este curentul la 25 o C; cu creșterea temperaturii, curentul maxim de comutare al tranzistorului scade.

Câteva despre Cree FET

Literal, pe 9 ianuarie, am primit un pachet din State de la prietenul meu cu o grămadă de tranzistori diferiți pentru testare, acest miracol se numește - CREE FET. Nu voi spune că aceasta este o nouă mega-tehnologie; de fapt, tranzistorii pe bază de carbură de siliciu au fost fabricați în anii 80, și-au adus-o în minte abia acum. Ca om de știință al materialelor primare și compozitor în general, sunt scrupuloasă în această industrie, așa că m-a interesat foarte mult acest produs, mai ales că spunea 1200V la zeci și sute de amperi. Nu le-am putut cumpăra din Rusia, așa că m-am adresat fostului meu coleg de clasă și mi-a trimis amabil o grămadă de mostre și o placă de testare cu înainte.
Pot spune un lucru - au fost cele mai scumpe artificii ale mele!
8 chei au fost atât de dărâmate încât m-am supărat mult timp... De fapt, 1200V este o cifră teoretică pentru tehnologie, 65A declarat s-a dovedit a fi doar un curent pulsat, deși documentația spunea clar că era nominal. . Se pare că a existat un „curent de puls nominal” sau orice au venit chinezii. În general, este încă o prostie, dar există un DAR!
Când am făcut-o în sfârșit CMF10120D Corector de 300 W, s-a dovedit că pe același calorifer și circuit avea o temperatură de 32 o C față de 43 la IGBT, iar asta este foarte semnificativ!
Concluzie despre CREE: tehnologia este brută, dar este promițătoare și cu siguranță AR AR trebui să fie.

Drept urmare, după ce m-am uitat prin cataloagele din expozițiile pe care le-am vizitat (un lucru convenabil, apropo, ala căutare parametrică), am ales două chei, acestea au fost - IRG7PH50Și IRGPS60B120. Ambele sunt 1200V, ambele sunt 100+A, dar la deschiderea foii de date, prima cheie a fost eliminată imediat - este capabilă să comute un curent de 100A doar la o frecvență de 1 kHz, ceea ce este dezastruos pentru sarcina noastră. Al doilea comutator este de 120A și frecvența este de 40 kHz, ceea ce este destul de potrivit. Priviți fișa de date de la linkul de mai jos și căutați un grafic care arată dependența curentului de temperatură:

Figura 4.1 - Graficul care arată dependența curentului maxim de frecvența de comutare pentru IRG7PH50, să-l lăsăm pentru convertizorul de frecvență

Figura 4.2 - Graficul cu curentul de funcționare la o temperatură dată pentru IRGPS60B120

Aici vedem cifrele prețuite care ne arată că la 125 o C atât tranzistorul, cât și dioda pot gestiona cu ușurință curenți de puțin peste 60A, în timp ce putem implementa conversia la o frecvență de 25 kHz fără probleme sau restricții.

D) Dioda D1, trebuie să alegem o diodă cu o tensiune de funcționare de cel puțin 600V și un curent nominal pentru sarcina noastră, adică 45A. Am decis să folosesc diodele pe care le aveam la îndemână (le-am achiziționat recent pentru a dezvolta un sudor pentru un „punte oblic”): VS-60EPF12. După cum se vede din marcaje, este de 60A și 1200V. Pariez totul cu rezervă, pentru că... Acest prototip este făcut pentru mine și persoana iubită și mă face să mă simt mai bine.
De fapt, puteți obține o diodă de 50-60A și 600V, dar nu există niciun preț între versiunea de 600V și 1200V.

D) Condensatorul C5, totul este la fel ca în cazul lui C1 - doar creșteți valoarea din fișa de date proporțional cu puterea. Rețineți că, dacă plănuiți o sarcină inductivă puternică sau o sarcină dinamică cu creșteri rapide de putere (adică un amplificator de concert de 2 kW), atunci este mai bine să nu vă zgâriți asupra acestui punct.
O voi pune la opțiunea mea 10 electroliți la 330 uF și 450V, dacă intenționați să alimentați câteva computere, routere și alte lucruri mici, atunci vă puteți limita la 4 electroliți de 330 uF și 450V fiecare.

E) R6 - cunoscut și sub numele de șunt de curent, ne va salva de stângăcie și erori accidentale și, de asemenea, protejează circuitul de scurtcircuite și suprasarcină. Lucrul este cu siguranță util, dar dacă procedăm ca inginerii de la ST, atunci la curenți de 40A vom ajunge la o centrală obișnuită. Există 2 opțiuni: un transformator de curent sau un șunt din fabrică cu o cădere de 75 mV + op-amp ala LM358.
Prima opțiune este mai simplă și asigură izolarea galvanică a acestui nod de circuit. Am spus cum se calculează un transformator de curent într-un articol anterior, este important să ne amintim asta protecția va funcționa atunci când tensiunea de pe piciorul 4 crește la 2,5 V (în realitate până la 2,34 V).
Cunoscând această tensiune și curent a circuitului, folosind formulele din părțile 5 puteți calcula cu ușurință transformatorul de curent.

G) Și ultimul punct este șocul de putere. Mai multe despre el mai jos.

Choke de putere și calculul său

Dacă cineva citește cu atenție articolele mele și are o memorie excelentă, atunci ar trebui să-și amintească articolul 2 și fotografia nr.5, prezinta 3 elemente de scar pe care le folosim. Îți voi arăta din nou:

Figura 5 - Cadre și miez pentru produse de bobinare electrică

În acest modul vom folosi din nou inelele noastre toroidale preferate din fier pulverizat, dar doar de data aceasta nu doar unul, ci 10 deodată! Ce ai vrut? 3 kW nu sunt artizanat chinezesc...

Avem datele inițiale:
1) Curent - 45A + 30-40% din amplitudinea inductorului, total 58,5A
2) Tensiune de ieșire 390-400V
3) tensiune de intrare 85-265V AC
4) Miez - material -52, D46
5) Gap - distribuit

Figura 6 - Și din nou, draga Starichok51 ne economisește timp și îl consideră ca pe un program CaclPFC

Cred că calculul a arătat tuturor cât de serios va fi acest design)) 4 inele, un radiator, o punte de diode și un IGBT - groază!
Regulile de lichidare pot fi citite în articolul „Partea 2”. Înfășurarea secundară este înfășurată pe inele în cantitate de - 1 tură.

Rezumatul clapetei:

1) după cum puteți vedea, numărul de inele este deja de 10 bucăți! Acesta este scump, fiecare inel costă aproximativ 140 de ruble, dar ce vom primi în schimb în paragrafele următoare
2) temperatura de funcționare este de 60-70 o C - aceasta este absolut ideală, deoarece mulți setează temperatura de funcționare la 125 o C. În producția noastră o setăm la 85 o C. De ce se face asta - pentru un somn odihnitor, plec calm de acasă pentru o săptămână și știu că nimic nu va izbucni, nimic nu va arde și totul va fi înghețat. Cred că prețul pentru asta la 1500 de ruble nu este atât de letal, nu-i așa?
3) Am setat densitatea de curent la un mic 4 A/mm 2 , acest lucru va afecta atât căldura, cât și izolarea și, în consecință, fiabilitatea.
4) După cum puteți vedea din calcul, capacitatea recomandată după inductor este de aproape 3000 uF, așa că alegerea mea cu 10 electroliți de 330 uF se potrivește perfect aici. Capacitatea condensatorului C1 s-a dovedit a fi de 15 uF, avem o rezervă dublă - o puteți reduce la 4 condensatoare de film, puteți lăsa 7 bucăți și va fi mai bine.

Important! Numărul de inele din șocul principal poate fi redus la 4-5, crescând simultan densitatea de curent la 7-8 A/mm2. Acest lucru va economisi o mulțime de bani, dar amplitudinea curentului va crește oarecum și, cel mai important, temperatura va crește la cel puțin 135 o C. Consider că aceasta este o soluție bună pentru un invertor de sudare cu un ciclu de lucru de 60%, dar nu. pentru un UPS care funcționează non-stop și probabil într-un spațiu destul de limitat.

Ce pot să spun - avem un monstru în creștere)))

Filtru de mod comun

Pentru a înțelege diferența dintre circuitele pentru acest filtru pentru curenți de 3A (sursa de alimentare a computerului menționată mai sus) și pentru curenți de 20A, puteți compara circuitul de la Google pe ATX cu următoarele:

Figura 7 - Schema schematică a unui filtru de mod comun

Mai multe caracteristici:

1) C29 este un condensator pentru filtrarea interferențelor electromagnetice și este marcat "X1". Valoarea sa nominală ar trebui să fie în intervalul 0,001 - 0,5 mF.

2) Choke-ul atârnă pe miez E42/21/20.

3) Două șocuri pe inelele DR7 și DR9 sunt înfășurate pe orice miez de pulverizare cu un diametru mai mare de 20 mm. Am înfășurat același D46 din material -52 până când am umplut 2 straturi. Practic, nu există zgomot în rețea, chiar și la puterea nominală, dar acest lucru este de fapt excesiv chiar și după înțelegerea mea.

4) Condensatorii C28 și C31 au 0,047 µF și 1 kV fiecare și trebuie să fie de clasă „Y2”.

Conform calculului inductanței bobinelor:

1) Inductanța inductorului de mod comun ar trebui să fie de 3,2-3,5 mH

2) Inductanța pentru bobinele diferențiale se calculează folosind formula:

Figura 8 - Calculul inductanței bobinelor diferențiale fără cuplare magnetică

Epilog

Folosind dezvoltările competente și profesionale ale inginerilor ST, am reușit să produc, dacă nu ideal, atunci pur și simplu excelent, la costuri minime. corectarea factorului de putere activă cu parametri mai buni decât orice Schneider. Singurul lucru de care ar trebui să-ți amintești cu siguranță este cât de mult ai nevoie de el? Și pe baza acestui lucru, ajustați parametrii pentru dvs.

Scopul meu în acest articol a fost tocmai să arăt procesul de calcul cu posibilitatea de a ajusta datele inițiale, astfel încât fiecare, după ce a decis asupra parametrilor sarcinilor sale, să poată calcula și fabrica singur modulul. Sper că am reușit să arăt acest lucru și în următorul articol voi demonstra funcționarea în comun a casei de marcat și a încărcătorului din partea nr. 5.