Probleme ale prizei de putere de către un redresor clasic

Principala problemă a unui redresor clasic cu un condensator de stocare care funcționează de la o tensiune sinusoidală sau altă tensiune nerectangulară este faptul că energia este preluată din rețea numai în acele momente când tensiunea din acesta este mai mare decât tensiunea de pe condensatorul de stocare. Într-adevăr, un condensator poate fi încărcat numai dacă i se aplică o tensiune mai mare decât cea la care este deja încărcat.

Mai mult, în acele momente în care tensiunea rețelei devine mai mare decât tensiunea condensatorului, curentul de încărcare este foarte mare, iar în restul timpului este zero. Se dovedește că, de exemplu, pentru o tensiune de alimentare sinusoidală, se observă supratensiuni de curent atunci când tensiunea atinge valorile de vârf. Dacă dispozitivul dumneavoastră consumă puțină energie, atunci acest lucru poate fi tolerat. Dar pentru o sarcină de, să zicem, 1 kW 220V, supratensiunile de curent pot ajunge la 100 A. Ceea ce este complet inacceptabil.

Dezvoltarea și utilizarea pe scară largă a metodelor pulsate de conversie a energiei electrice a condus la apariția aparatelor electrice de uz casnic și industriale de putere redusă, cu o formă distorsionată sau cu o defazare diferită de zero a curentului consumat din rețea (lămpi). lumina zilei, motoare electrice, televizoare, calculatoare, cuptoare cu microunde etc.). O creștere bruscă a numărului de astfel de consumatori le afectează compatibilitatea electromagnetică și sistemele de alimentare în ansamblu. În 2001, IEC a adoptat standardul IEC-1000-3-2, conform căruia orice produs electric cu o putere mai mare de 200 de wați conectat la rețea curent alternativ, trebuie să aibă un caracter activ al rezistenței de intrare, adică factorul de putere () trebuie să fie egal cu unu.

Pentru crestere În prezent, sunt utilizați corectori de factor de putere pasivi și activi (PFC). Primele sunt folosite la sarcini constante, prin introducerea de reactanțe compensatoare (de exemplu, condensatoare pentru lămpi fluorescente), cele din urmă având o gamă mai largă de aplicații. Luați în considerare o schemă simplificată a corectorului activ, care este prezentată în Fig. 6.1.

Figura 6.1 - Diagrama simplificată a PFC activ

În această figură, R 1, R 2 - senzor de tensiune de intrare (DN), R 3 - senzor de curent (DT). Inductanța L, cheia VT1, dioda VD1 și condensatorul C 1 formează un regulator de tensiune de creștere a impulsului. Funcționarea CMC este ilustrată prin diagrame din Fig. 6.1b. Închiderea tranzistorului VT1 are loc în momentul în care tensiunea la ieșirea senzorului de curent DT devine egală cu zero (adică la curent zero în inductanța L). Deschiderea tranzistorului VT1 are loc în momentul în care tensiunea în creștere liniară de la senzorul de curent devine egală cu tensiunea sinusoidală de la senzorul de tensiune DN. După deschiderea tranzistorului, curentul din inductanță începe să scadă, inductanța este descărcată la sarcină prin dioda VD1, DT și rețea. La curent zero, tranzistorul se închide din nou. Apoi procesul se repetă. Frecvența de comutare a tastei depășește frecvența rețelei și se ridică la zeci... sute de kiloherți. Curentul mediu i cf în inductanță și consumat din rețea repetă forma tensiunii de rețea. În funcție de frecvența înaltă a cheii, rețeaua este manevrată cu un condensator C 2 (de obicei o fracțiune de microfarad). Puteti intra in plus părere tensiunea de ieșire și asigură stabilizarea preliminară. Este evident că funcționarea PFC este posibilă dacă amplitudinea tensiunii de intrare este mai mică decât tensiunea de pe condensatorul C 1 (ținând cont de abateri). Pentru o tensiune de rețea de 220 V (amplitudine 311 V), se presupune că tensiunea de ieșire a PFC este de 380 ... 400 V.

6.2 Soiuri de kkm

În schema KKM considerată mai sus, este utilizată așa-numita metodă de control la frontieră. Este cel mai simplu de implementat, dar cheia este deschisă la un curent semnificativ, care este asociat cu pierderi semnificative de putere.

Sunt cunoscute și alte metode de management al cheilor în KKM:

controlul vârfului curentului

metoda curentului discontinuu cu PWM.

controlul curentului mediu.

Esența acestor metode este ilustrată prin diagrame din Fig. 6.2 a, b, c, respectiv.

Figura 6.2 - Managementul cheilor în KKM

Controlul curentului de vârf (Fig. 6.2.a) este atractiv pentru zgomot invers mic (pentru rețea) și creșteri mici de curent prin comutator, dar există o schimbare de frecvență și comutare dură a diodei de putere.

Controlul curentului discontinuu cu PWM (Fig. 6.2.b). Implementarea acestei metode este apropiată de metoda de control la limită, dar diferă printr-o frecvență de comutare constantă. Avantajul este un circuit de control simplu, dar curenții discontinui ai inductorului devin o sursă suplimentară de interferență. Controlul prin valoarea medie a curentului (Fig. 6.2.c) se realizează la o frecvență constantă, iar prezența unui integrator pentru media curentului crește imunitatea la zgomot a sistemului de control. De obicei, valoarea de vârf a ondulației curentului inductorului este în 20% din valoarea medie și această metodă de control este utilizată în corectoare cu o putere mai mare de 300 de wați.

Nu există doar corectoare monofazate, ci și trifazate. Circuitul de alimentare al unui KKM trifazat cu o cheie controlată este prezentat în fig. 6.3, iar în fig. Figurile 6.4 și 6.5 prezintă diagrame care explică lucrarea.

Figura 6.3 - Circuitul de putere al unui PFC trifazat

Figura 6.4 - Diagramele curenților reactoarelor L1, L2, L3 ale unui CFC trifazat

Figura 6.5 - Diagrame ale principalelor procese ale unui CMC trifazat

Cheia este controlată în același mod ca un corector monofazat.

În schemele PFC considerate, acesta din urmă trece toată puterea de sarcină. Acesta este un corector serial, iar baza elementului său limitează o creștere a puterii de ieșire. KKM poate fi construit, de asemenea, conform schemei de amplificator de amperi (Fig. 1.19) - includerea unui filtru de curent activ în paralel cu sarcina. În acest caz, capacitate instalata elemente ale unui filtru activ concepute pentru a compensa numai puterea de distorsiune de la armonicile superioare curentul de intrare, va fi la un nivel determinat de coeficientul armonic al acestui curent (de exemplu, 0,3 pentru un circuit de punte trifazat și 0,15 pentru un circuit redresor cu douăsprezece faze). Schema structurala un astfel de CMC este prezentat în Fig. 6.6. Principiul compensării armonicilor superioare în curba curentului consumat din rețea este ilustrat prin diagrame din Fig. 6.7. Pentru claritate, se presupune că forma curentului de sarcină este dreptunghiulară. Corectorul formează diferența dintre armonica curentului de rețea și curentul real de sarcină

(6.1)

unde j este indicele de fază (A, B sau C);

i J 1 este prima armonică a curentului de fază j.

Schema de control al corectorului se bazează de obicei pe modularea lățimii impulsului.

Figura 6.6 - Diagrama structurală a unui PFC trifazat paralel

Figura 6.7 - Compensarea armonicilor de curent superior

Ca elemente separate ale tehnologiei electronice, circuitele de control al corectorului au fost lansate pentru prima dată în 1989 de către Mikro Linear (LM 4812). Apoi au preluat dezvoltarea Siemens, Motorola etc.. În prezent, există o familie extinsă de circuite integrate pentru controlul surselor de impulsuri combinate cu PFC și implementarea uneia sau a altei metode de control.

1. DE CE ESTE NECESAR?

Să spunem imediat că, contrar afirmațiilor superficiale, prezența unui corector de factor de putere în sine nu îmbunătățește caracteristicile formale ale dispozitivului în care este utilizat. Dimpotrivă, introducerea CMC ca fiind suficientă dispozitiv complexîn timp ce duce la o creștere vizibilă a costului și complexității produsului în ansamblu (desigur, pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, prețul va scădea). Cu toate acestea, chiar și acum introducerea PFC în amplificatoarele de putere oferă o serie de avantaje foarte importante, care compensează mai mult decât această complicație.

Primul și cel mai important avantaj este faptul că atunci când utilizați amplificatoare cu PFC cu aceeași cablare fără a încălca nicio normă, puteți utiliza de cel puțin trei până la patru ori mai mult. amplificatoare puternice. Apropo, nu există nicio încălcare a legilor fizice (și legale) aici și de ce se întâmplă acest lucru - vom spune în continuare.

Al doilea avantaj, nu mai puțin important, dar rar menționat este că este mult mai ușor să asigurați o intensitate energetică mare a unei surse PFC decât una tradițională. Intensitatea energetică este o măsură a capacității sursei de alimentare de a furniza energie încărcăturii pentru o perioadă de timp fără a „scăpa” rețeaua și fără a reduce foarte mult tensiunea de ieșire. Din punct de vedere practic, lipsa intensității energetice duce la faptul că putere de iesire amplificator pornit frecvente joase ah (unde este cel mai necesar!) se dovedește a fi mult mai puțin, iar distorsiunea altor semnale în prezența frecvenței joase este mult mai mare decât în ​​cazul măsurătorilor la o frecvență de 1 kHz, ale căror rezultate (uneori doar dorite) cele) sunt anunțate în descriere. Mai simplu spus, cu o lipsă de intensitate a energiei, amplificatorul începe să „sugrume” și să distorsioneze semnalul în timpul sunetelor puternice de joasă frecvență, de exemplu, atunci când este lovită o lovitură. Din păcate, pentru amplificatoarele cu o sursă tradițională de alimentare, acest efect nedorit este mai degrabă regula decât excepția. Prin urmare, dacă este necesar să se ofere calitate bunăși a trebuit să aleagă un amplificator cu o marjă mare de putere.

Al treilea avantaj este că unitatea de alimentare cu KKM, conform principiului de funcționare, stabilizează tensiunea de ieșire. Prin urmare, puterea de ieșire a amplificatorului încetează să mai depindă strict de tensiunea rețelei - chiar și cu o rețea „scăzută”, se oferă putere maximă.

Un alt avantaj, complet neașteptat, este că fundalul rețelei (același) atunci când se folosesc doar amplificatoare cu PFC se dovedește a fi, de regulă, cu 10 decibeli mai mic.

2. CE ESTE SI CUM FUNCTIONEAZA?

În ciuda diversităţii dispozitivele existente, principiul de funcționare al CMC poate fi luat în considerare în cele ce urmează exemplu simplu(vezi fig. 1).

Correctorul factorului de putere nu este altceva decât un regulator de comutație aproape obișnuit, alimentat de o tensiune de rețea rectificată, dar nefinisată și care stabilizează tensiunea pe condensatorul de stocare de ieșire C2. Principiul de bază al funcționării sale este destul de simplu și constă în următoarele. În primul rând, cheia S1 se închide pentru o perioadă scurtă de timp, iar în inductorul L1, în deplină conformitate cu manualul de fizică, curentul începe să crească. După ceva timp, cheia se deschide, iar energia acumulată în bobină trece prin diodă în condensatorul de stocare de ieșire. Acest ciclu se repetă continuu, ca urmare a cărui porțiuni de energie sunt furnizate condensatorului de stocare, a cărui valoare depinde de tensiunea de intrare, valoarea inductanței și timpul stării închise a cheii. Pentru ca dimensiunile bobinei și pierderile din aceasta să fie mici, valoarea inductanței este aleasă mică și, în consecință, frecvența de repetare a unor astfel de cicluri este destul de mare - de zeci și sute de mii de ori pe secundă. Trebuie remarcat faptul că, la o frecvență excesiv de mare, pierderile de comutare ale tranzistorului folosit ca cheie devin foarte

esenţial. Cel mai important lucru aici este că, cu un control adecvat, intrarea unui astfel de convertor din partea rețelei va arăta ca o oarecare rezistență (curentul în orice moment este proporțional cu tensiunea) și, în același timp, unele presiune constantă, practic independent de sarcina si tensiunea de retea (!). În acest caz, între tensiunea din rețea și curentul preluat din aceasta, nu va exista nici o defazare (cos j 1) *, nici o încălcare a proporționalității.

Tensiunea ridicată de pe condensatorul de stocare facilitează asigurarea capacității de alimentare a sursei de alimentare, deoarece conținutul de energie din condensator este proporțional cu pătratul tensiunii, în timp ce dimensiunea și greutatea condensatoarelor de capacitate egală sunt aproximativ proporționale. la tensiune. Ca rezultat, un condensator de 2200 uF la o tensiune de 430V conține mai mult de 200 J de energie, iar același condensator la o tensiune de 60V conține doar aproximativ 4 J, sau de 50 (!) de ori mai puțin. Volumul acestor condensatori diferă doar de șase până la opt ori. Prin urmare, pentru a atinge aceeași intensitate energetică la Voltaj scazut sunt necesari condensatori uriași - mai mult de 100.000 de microfarad in acest caz. În același timp, pentru funcționarea perfectă a unui amplificator exemplar de înaltă calitate, intensitatea energetică a sursei sale de alimentare trebuie să fie de cel puțin 0,5 ... 0,8 J pe W de putere totală de ieșire, pentru amplificatoarele de concert (cu excepția subwooferelor), 0,2 ... mar Adică, un amplificator de 2x1000 W trebuie să aibă o capacitate de alimentare de cel puțin 400 J, sau 200.000 de microfarad la 60V și, de preferință, de trei ori mai mult.

În practică, consumul de energie al surselor de alimentare tradiționale pentru marea majoritate a amplificatoarelor este mult mai mic, iar motivul pentru aceasta nu este doar economiile banale ale producătorilor la transformatoare și condensatoare. Nu mai puțin semnificativ este faptul că redresorul cu condensatori capacitate mare este un circuit care încarcă rețeaua doar în perioade scurte de timp (în timpul „vârfurilor” sinusoidelor), dar cu curenți mari (vezi Fig. 2), unde, de altfel, este clar că forma rețelei tensiunea este foarte distorsionată de astfel de redresoare). Mai mult, cu cât transformatorul este mai bun și capacitatea este mai mare, cu atât acest fenomen este mai pronunțat. Este posibil să porniți o astfel de sursă de alimentare în rețea numai dacă există dispozitive de pornire ușoară, altfel siguranțele se vor arde. În plus, orice, chiar și un mic salt în sus a tensiunii de rețea provoacă o creștere bruscă magnitudinea acestor impulsuri de curent, ceea ce duce la defectarea redresoarelor. De aceea, capacitatea condensatoarelor (și, în consecință, intensitatea energetică a surselor de alimentare) la majoritatea amplificatoarelor cu o sursă de alimentare tradițională este aleasă mult mai mică decât este necesar pentru a asigura o rezervă de putere adecvată la frecvențe joase.

Privind la fig. 3, mai pot fi observate două lucruri.

Primul este că curentul de vârf absorbit este de câteva ori mai mare decât media. Dar puterea utilă este determinată de curentul mediu, în timp ce căderea de tensiune pe fire este determinată de vârf. Și se dovedește a fi mult mai mult decât media.

A doua împrejurare este că curentul consumat de impulsuri scurte are de mare viteză se modifică și, prin urmare, creează mai multe interferențe.

O altă problemă apare în rețelele trifazate. Datorită faptului că tensiunea intră în faze retea trifazata deplasate cu un timp mult mai mare decât durata acestor impulsuri de curent, ele încetează să fie compensate în firul neutru. Mai mult, curentul din firul neutru va fi aproximativ egal cu suma curenților de fază, în timp ce într-o situație normală curentul prin acesta nu este deloc

trebuie să curgă, iar firul neutru este de obicei mai subțire decât firele de fază. Având în vedere că curentul prin el devine mai mare decât prin cele de fază și, de asemenea, că este interzisă instalarea siguranțelor în firul neutru, este ușor de ghicit că nu este departe de foc. Prin urmare, valoarea armonicilor de consum de curent este limitată de standarde internaționale destul de stricte. Sursele de alimentare tradiționale cu putere de peste 150 ... 200 W nu pot îndeplini aceste standarde. Acest lucru va duce la faptul că capacitati mari sursele de alimentare tradiționale sunt pur și simplu interzise.

Toate aceste probleme pot fi evitate dacă, din partea rețelei, sursa de alimentare arată ca o rezistență pur activă, ca un fier de călcat sau un bec incandescent.

Exact așa funcționează o sursă de alimentare cu corector de factor de putere. Problemele asociate cu instabilitatea rețelei dispar și, de asemenea, devine posibilă asigurarea intensității energetice necesare a sursei de alimentare.

Devine destul de evident - utilizarea unui corector de factor de putere nu este doar obligatorie (din punctul de vedere al legii), ci și absolut necesară pentru munca „cinstă” a amplificatoarelor profesionale de înaltă calitate.

* O mică adăugare: cos j și factorul de putere sunt adesea confundate, deși nu sunt același lucru. Cos j este o măsură a cât de mult din curentul care curge în fire ajunge efectiv la sarcină (și efectuează muncă utilă), în timp ce atât tensiunea, cât și curentul sunt presupuse a fi strict sinusoidale. Dacă nu există o schimbare de fază, cos j = 1. Dacă schimbarea de fază atinge 90 de grade, indiferent de semn, cos j ajunge la zero - puterea utilă pur și simplu nu este transferată la sarcină.

Factorul de putere coincide cu cos j numai în cazul curenților și tensiunilor pur sinusoidale. Dacă curentul sau tensiunea nu este sinusoidal, rămâne aplicabil doar factorul de putere, care arată cât de mult din curentul care a trecut prin fire și le-a încălzit a mers la sarcină cu beneficii. Factorul de putere al unui redresor convențional nu depășește 0,25 ... 0,3, în timp ce pentru un PFC bun este de cel puțin 0,92 ... 0,95, adică. De 3-4 ori mai mult (de aici vine diferența de trei-patru ori!).

Tehnologia convertoarelor

Introducere

În ultimele decenii, cantitatea de electronice folosite 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 cablarea rețelei electrice și a aparatelor electrice conectate la aceasta. Această influență se exprimă nu numai în diverse interferență afectând funcționarea dispozitivelor sensibile, dar și în supraîncălzirea liniei neutre. Când curenții curg în sarcini cu componente armonice semnificative care sunt defazate cu tensiunea, curentul din firul neutru (care, atunci când sarcina simetrica, practic, zero) poate crește la o valoare critică.

Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) și Organizația Europeană pentru Standarde Electrotehnice (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. lampă fluorescentă, drivere de motor DC și dispozitive similare.

Unul dintre moduri eficiente soluția la această problemă este utilizarea corectoarelor de factor de putere PFC ( factor de putere corecţie). În practică, aceasta înseamnă că în circuitul de intrare al aproape orice dispozitiv electronic cu convertoare de impulsuri trebuie inclus un circuit special PFC, ceea ce 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 doar în acele momente în care tensiunea furnizată de la redresor la condensatorul de netezire este mai mare decât tensiunea de pe aceasta (condensator), care apare timp de aproximativ un sfert de 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 doar 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 distorsiune armonică scăzută, atrage puterea din rețea mai uniform și are un factor de creastă (raportul dintre valoarea curentului de vârf și valoarea RMS) mai mic decât cel al unei surse necorectate. Corecția factorului de putere reduce curentul RMS absorbit, permițând conectarea mai multă putere la o singură priză diferite dispozitive, fără a crea suprasarcini de curent în acesta (vezi Fig. 2).

Factor de putere

Factorul de putere (PF) este un parametru care caracterizează distorsiunea creată de sarcină (în cazul nostru, sursa de alimentare secundară) în rețeaua de curent alternativ. Există două tipuri de distorsiuni - armonică și neliniară. Distorsiunea armonică este cauzată de o sarcină reactivă și este 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 putere activă la puterea totală preluată din rețea. Pentru distorsiuni neliniare factorul de putere este egal cu proporția puterii primei componente armonice a curentului 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 fundamental și vector curent complet. Raționamentul prezentat mai jos conduce la această definiție. Curentul efectiv care curge într-o sarcină activă are forma:

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

unde I 2 neff este componenta constantă (în cazul unei tensiuni sinusoidale este egală cu zero), I 2 1eff este armonica fundamentală, iar sub semnul sumei se află armonicile inferioare. Când se lucrează la sarcina reactiva o componentă reactivă apare în această expresie și ia forma:

I 2 eff \u003d I 2 0 + (I 2 1 eff (P) + I 2 1 eff (Q)) + SI 2 n eff. Puterea activă este valoarea medie a puterii alocate sarcinii active pe parcursul perioadei.

Poate fi reprezentat ca produs tensiune de operare pe componenta activă a curentului P \u003d U eff H I 1eff (P) . Din punct de vedere fizic, aceasta este energia eliberată sub formă de căldură pe unitatea de timp pe rezistență activă. Puterea reactivă este înțeleasă ca produsul dintre tensiunea efectivă și componenta reactivă a curentului: Q \u003d U eff H I 1eff (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 aparentă este produsul dintre tensiunea efectivă și totalul curent efectiv: S=U eff H I eff(gen) . Pe planul complex, poate fi reprezentat ca suma vectorilor P și Q, de la care este vizibilă dependența I 2 \u003d I 1eff (total) cos j, unde j este unghiul dintre vectorii P și Q, care caracterizează de asemenea diferența de fază dintre curent și tensiune din circuit.

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

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

Este de remarcat faptul că raportul (I 1eff)/(I eff(gen)) este cosinusul unghiului dintre vectorii corespunzători lui valoare efectivă curent totalși valoarea efectivă a primei sale armonice. Dacă acest unghi este notat cu q, atunci expresia factorului de putere devine: PF=cos j × cos q. Sarcina corectării factorului de putere este de a aduce la zero unghiul diferenței de fază j dintre tensiune și curent, precum și unghiul q de distorsiune armonică a curentului consumat (sau, cu alte cuvinte, de a aduce forma curentului). curba cat mai aproape de o sinusoida si pentru a compensa cat mai mult defazajul).

Factorul de putere este exprimat ca o zecimală, a cărei valoare se află între 0 și 1. Valoarea sa ideală este una (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 reale. LA caz ideal, când factorul de putere este unitar, dispozitivul atrage un curent sinusoidal din rețea cu defazaj zero față de tensiune (corespunzător unei sarcini complet ohmice cu o caracteristică curent-tensiune liniară).

Corecție pasivă a factorului de putere

Metoda de corecție pasivă este folosită cel mai adesea în dispozitivele cu costuri reduse de putere redusă (unde nu există cerințe stricte pentru intensitatea armonicilor inferioare ale curentului). Corecția pasivă face posibilă atingerea unui factor de putere de aproximativ 0,9. Acest lucru este convenabil atunci când sursa de alimentare a fost deja proiectată, rămâne doar să creați un filtru adecvat și să îl includeți în circuitul de intrare.

Corecția pasivă a factorului de putere constă în filtrarea curentului consumat folosind un filtru LC trece bandă. 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.. 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 de componente în abordarea 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 corecția activă.

Corecție activă factor de putere

Un corector de factor de putere activ 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 se modifică tensiunea rețelei. 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 mărimea sarcinii. Când tensiunea de pe sarcină scade, curentul prin ea trebuie să crească și invers.

Există mai multe scheme cu care puteți implementa corecția factorului de putere activă. Cel mai popular în prezent este „circuitul convertizorului boost”. Această schemă îndeplinește toate cerințele pentru sursele moderne nutriție. in primul rand, vă permite să lucrați în rețele cu diferite valori ale tensiunii de alimentare (de la 85 la 270 V) fără restricții și orice 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 că implementare simplă protectie la supratensiune. O diagramă simplificată a „convertorului boost” este prezentată în fig. 3.

Principiul de funcționare

Corectorul de factor de putere standard este un convertor AD/DC cu modul în lățime de impuls (PWM). Modulatorul controlează un comutator puternic (de obicei MOSFET), care convertește o tensiune de rețea constantă 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 se oprește, tensiunea pe inductor „deschide” dioda și energia stocată în inductor încarcă condensatorul C2 (și alimentează simultan sarcina). În circuitul de mai sus (spre deosebire de sursa fără corecție), condensatorul C1 are o capacitate mică și servește la filtrare interferențe 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 , discret si asa-zisa mod critic de conducere". LA discretîn fiecare perioadă, curentul inductor are timp 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 mai rar folosit decât precedentele două. Este mai greu de implementat. Semnificația sa este că MOSFET-ul se deschide în momentul în care ajunge la curentul inductorului valoare zero. Când funcționează în acest mod, este mai ușor să reglați tensiunea de ieșire.

Alegerea modului depinde de puterea de ieșire necesară a sursei de alimentare. La dispozitivele cu o putere mai mare de 400 W se folosește modul continuu, iar la cele cu putere redusă, modul discret. Corecția factorului de putere activă permite atingerea unor valori de 0,97...0,99 cu THD (Distorsiune armonică totală) în intervalul 0,04...0,08.

Includerea sarcinilor neliniare în rețeaua de curent alternativ, de exemplu, lămpi cu lămpi cu descărcare în gaz, motoare electrice controlate, surse de alimentare în comutare, duce la faptul că curentul consumat de aceste dispozitive are un caracter pulsat cu un procent mare conținut de armonici ridicate. Din acest motiv, pot apărea probleme de compatibilitate electromagnetică în timpul funcționării. diverse echipamente. De asemenea, duce la o scădere a puterii active a rețelei.

Pentru a preveni astfel impact negativ rețelele de alimentare din Europa și SUA sunt supuse standardului IEC IEC 1000-3-2, care definește normele pentru componentele armonice ale curentului consumat și factorului de putere pentru sistemele de alimentare cu o putere mai mare de 50 W și toate tipurile de echipamente de iluminat. Începând cu anii 1980 și până în prezent, aceste standarde au fost înăsprite constant, ceea ce a necesitat adoptarea de măsuri speciale și a determinat dezvoltatorii de echipamente să dezvolte diferite opțiuni pentru scheme care oferă îmbunătățirea factorului de putere.

Începând cu anii 80 ai secolului trecut, în țările menționate mai sus au început să fie dezvoltate și utilizate în mod activ microcircuite, pe baza cărora pot fi create cu ușurință corectoare de factor de putere simple pentru redresoare și balasturi electronice.

În Uniunea Sovietică și mai târziu în Federația Rusă, astfel de restricții pentru consumatorii de energie electrică nu au fost introduse. Din acest motiv, problemele îmbunătățirii factorului de putere nu au primit suficientă atenție în literatura tehnică. LA anul trecut situația s-a schimbat oarecum, în mare parte din cauza prezenței importatelor componente electronice, a căror utilizare vă permite să creați scheme de corectori activi, fiabile în funcționare și ieftine ca cost.

Puterea de distorsiune și factorul de putere generalizat

Impactul negativ asupra rețelei de alimentare este determinat de două componente: distorsiunea formei curente a rețelei de alimentare și consumul de putere reactivă. Gradul de influență a consumatorului asupra rețelei de alimentare depinde de puterea acestuia.

Distorsiunea formei de undă a curentului se datorează faptului că curentul la intrarea convertorului supapei este nesinusoidal (Figura 1). Curenții nesinusoidali creează pe rezistență internă Rețeaua de alimentare scade tensiunea nesinusoidală, provocând distorsiunea formei de undă a tensiunii de alimentare. Tensiunile de rețea nesinusoidale sunt extinse într-o serie Fourier în componente sinusoidale impare ale armonicilor superioare. Prima este cea principală (cea care ar trebui să fie în mod ideal), a treia, a cincea etc. Armonicile superioare au un impact extrem de negativ asupra multor consumatori, forțându-i să ia măsuri speciale (adesea foarte costisitoare) pentru a le neutraliza.

Orez. unu.

Consumul de putere reactivă face ca curentul să rămână în urma tensiunii cu un unghi (Figura 2). Puterea reactivă este consumată de redresoarele care folosesc tiristoare cu o singură funcționare, care întârzie momentul pornirii față de punctul natural de comutare, ceea ce face ca curentul să rămână în urma tensiunii. Dar se consumă și mai multă putere reactivă motoare electrice asincrone având caracter predominant inductiv al sarcinii. Acest lucru implică pierderi uriașe de putere utilă, pentru care, în plus, nimeni nu vrea să plătească - contoarele de energie electrică de uz casnic numără doar puterea activă.

Orez. 2.

Pentru a descrie efectul convertorului asupra rețelei de alimentare, se introduce conceptul de putere maximă:

, Unde:

- valoarea efectivă a tensiunii primare,

- valoarea efectivă a curentului primar,

, - valori efective tensiunea și curentul armonicii primare,

Valori efective ale tensiunilor și curenților armonicilor superioare.

Dacă tensiunea primară este sinusoidală - , apoi:

,

,

ϕ 1 - unghiul de fază între tensiunea sinusoidală și prima armonică a curentului.

N este puterea de distorsiune cauzată de fluxul de curenți armonici mai mari în rețea. Puterea medie pentru perioada datorată acestor armonici este zero, deoarece frecvențele armonicelor și tensiunea primară nu se potrivesc.

Armonicile de curent mai mari provoacă interferențe în echipamentele sensibile și pierderi suplimentare de la curenții turbionari în transformatoarele de rețea.

Pentru convertoarele cu supapă se introduce conceptul de factor de putere χ, care caracterizează efectul puterii reactive și al puterii de distorsiune:

,

- coeficientul de distorsiune al curentului primar.

Astfel, este evident că factorul de putere depinde de unghiul de întârziere al curentului în raport cu tensiunea și de mărimea armonicilor superioare ale curentului.

Metode de îmbunătățire a factorului de putere

Există mai multe modalități de a reduce impactul negativ al convertorului asupra rețelei de alimentare. Iată câteva dintre ele:

Folosind controlul de fază în mai multe etape (Figura 3).

Orez. 3.

Utilizarea unui redresor cu robinete de la transformator duce la o creștere a numărului de ondulații pe perioadă. Cu cât mai multe ramuri de la transformator, cu atât mai mult număr ondulații pe perioadă, cu atât forma curentului de intrare este mai apropiată de o sinusoidală. Un dezavantaj semnificativ această metodă este preț mareși dimensiunile transformatorului cu un număr suficient de robinete (pentru a obține efectul, trebuie să fie mai multe decât în ​​figură). Fabricarea unui element de înfășurare de o asemenea complexitate este o sarcină foarte dificilă, greu de automatizat - de aici și prețul. Și dacă sursa de alimentare secundară dezvoltată este la scară mică, atunci această metodă este fără ambiguitate inacceptabilă.

Orez. patru.

Creșterea fazei redresorului. Metoda duce la o creștere a numărului de pulsații pe perioadă. Dezavantajul acestei metode este proiectarea foarte complicată a transformatorului, redresor scump și voluminos. În plus, nu toți consumatorii au o rețea trifazată.

Utilizare corectori ai factorului de putere (PFC). Există KKM electronice și neelectronice. Ca PFC-uri neelectronice, compensatoarele electromagnetice de putere reactivă sunt utilizate pe scară largă - motoare sincrone care generează în rețea putere reactiva. Evident, din motive evidente, astfel de sisteme nu sunt potrivite pentru consumatorul casnic. PFC electronic - un sistem de soluții de circuite concepute pentru a crește factorul de putere - este poate cel mai mult soluție optimă pentru consumul casnic.

Principiul de funcționare al KKM

Sarcina principală a PFC este reducerea la zero a decalajului curentului consumat de la tensiunea din rețea, menținând în același timp forma sinusoidală a curentului. Pentru a face acest lucru, este necesar să luați curent din rețea nu la intervale scurte, ci pe întreaga perioadă de funcționare. Puterea preluată de la sursă trebuie să rămână constantă chiar dacă se modifică tensiunea rețelei. Aceasta înseamnă că atunci când tensiunea rețelei scade, curentul de sarcină trebuie crescut și invers. Convertizoarele cu stocare inductivă și transfer invers de energie sunt potrivite pentru aceste scopuri.

Metodele de corecție pot fi împărțite condiționat în cele de joasă frecvență și de înaltă frecvență. Dacă frecvența corectorului este mult mai mare decât frecvența rețelei, acesta este un corector de înaltă frecvență, altfel este un corector de joasă frecvență.

Luați în considerare principiul de funcționare al unui corector de putere tipic (Figura 5). Pe o semiundă pozitivă, în momentul în care tensiunea rețelei trece prin zero, tranzistorul VT1 se deschide, curentul trece prin circuitul L1-VD3-VD8. După ce tranzistorul VT1 este oprit, inductorul începe să emită energia stocată în el, prin diodele VD1 și VD6 către condensatorul de filtru și sarcina. Cu o jumătate de undă negativă, procesul are un caracter similar, doar alte perechi de diode funcționează. Ca urmare a utilizării unui astfel de corector, curentul de consum are un caracter pseudo-sinusoidal, iar factorul de putere ajunge la o valoare de 0,96 ... 0,98. Dezavantajul acestei scheme este dimensiunile mari datorate utilizării unui choke de joasă frecvență.

Orez. 5.

Creșterea frecvenței de funcționare a PFC permite reducerea dimensiunilor filtrului (Figura 6). Cu comutatorul de alimentare VT1 deschis, curentul din inductorul L1 crește liniar - în timp ce dioda VD5 este blocată, iar condensatorul C1 este descărcat la sarcină.

Orez. 6.

Apoi tranzistorul se oprește, tensiunea de pe șocul L1 deblochează dioda VD5, iar șocul eliberează energia acumulată condensatorului, în timp ce furnizează simultan sarcina (Figura 7). 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 funcționare (adică, prin potrivirea ciclului la nivelul de tensiune al redresorului de rețea).

Orez. 7. Forme de tensiuni și curenți de PFC de înaltă frecvență: a) cu o frecvență de comutare variabilă, b) cu o frecvență de comutare constantă

Chipuri pentru construirea corectoarelor de înaltă performanță de la STMicroelectronics

Având în vedere posibilitățile moderne industria electronică, PFC-urile de înaltă frecvență sunt alegerea optimă. Designul integral al întregului corector de putere sau al părții sale de control a devenit, de fapt, standardul. În prezent, există o varietate mai mare de cipuri de control pentru construirea circuitelor PFC produse de diverși producători. Dintre toată această varietate, merită să acordați atenție microcircuitelor L6561/2/3 fabricate de STMicroelectronics (www.st.com).

L6561, L6562 și L6563- o serie de microcircuite special concepute de inginerii STMicroelectronics pentru a construi corectoare de factor de putere extrem de eficiente (Tabelul 1).

Tabelul 1. CI de corecție a factorului de putere

Pe baza L6561/2/3, poate fi construit un corector ieftin, dar eficient (Figura 8). Datorită sistemului de control predictiv încorporat, dezvoltatorii au reușit să realizeze precizie ridicata reglarea tensiunii de ieșire (1,5%), controlată de amplificatorul de nepotrivire încorporat.

Orez. opt.

Este posibil să interacționați cu un convertor DC/DC conectat la corector. Această interacțiune constă în oprirea convertorului de către microcircuit (dacă acesta acceptă o astfel de posibilitate) în cazul unor apariții nefavorabile. conditii externe(supraîncălzire, supratensiune). Pe de altă parte, convertorul poate iniția și pornirea și oprirea microcircuitului. Driverul încorporat vă permite să controlați tranzistoare MOSFET sau IGBT puternice. Potrivit producătorului, pe baza LP6561/2/3, poate fi implementată o sursă de alimentare cu o putere de până la 300 W.

Spre deosebire de analogii de la alți producători, LP6561/2/3 sunt echipate cu circuite speciale care reduc conductivitatea distorsiunii curentului de intrare care apare atunci când tensiunea de intrare ajunge la zero. Principalul motiv pentru această interferență este „zona moartă” care apare în timpul funcționării punții de diode, când toate cele patru diode sunt închise. O pereche de diode care funcționează pe o jumătate de undă pozitivă se dovedește a fi închisă din cauza unei modificări a polarității tensiunii de alimentare, iar cealaltă pereche nu a avut încă timp să se deschidă din cauza propriei sale. capacitatea de barieră. Acest efect este sporit de prezența unui condensator de filtru situat în spate punte de diode, care, la schimbarea polarității alimentării, păstrează o oarecare tensiune reziduală, care nu permite deschiderea în timp a diodelor. Astfel, este evident că curentul nu curge în aceste momente, forma lui este distorsionată. Utilizarea noilor controlere PFC poate reduce semnificativ timpul de „zonă moartă”, reducând astfel distorsiunea.

În unele cazuri, ar fi foarte convenabil să controlați tensiunea de ieșire către convertorul DC/DC folosind un PFC. L6561/2/3 permite un astfel de control, numit „controlul amplificarii urmăririi”. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să instalați o rezistență între pinul TBO și GND.

Este demn de remarcat faptul că toate cele trei microcircuite sunt compatibile cu pin între ele. Acest lucru poate simplifica foarte mult dezvoltarea placă de circuit imprimat dispozitive.

Deci, putem distinge următoarele caracteristici ale microcircuitelor L6561 / 2/3:

protectie reglabila la supratensiune;

curent de declanșare ultra-scăzut (mai puțin de 50 µA);

curent de repaus scăzut (mai puțin de 3 mA);

limită largă de tensiune de intrare;

filtru încorporat care crește sensibilitatea;

capacitatea de a se deconecta de la sarcină;

capacitatea de a controla tensiunea de ieșire;

posibilitatea de interacțiune directă cu convertorul.

Concluzie

Există în prezent cerințe stricte la respectarea măsurilor de siguranţă şi economie de modern dispozitive electronice. În special, atunci când se dezvoltă surse de alimentare cu comutație moderne, este necesar să se țină cont în mod oficial standarde acceptate. IEC 1000-3-2 este standardul pentru orice putere sursa de puls alimentare, deoarece definește standardele pentru componentele armonice ale curentului consumat și factorului de putere pentru sistemele de alimentare cu o putere mai mare de 50 W și toate tipurile de echipamente de iluminat. Prezența unui corector de factor de putere ajută la îndeplinirea cerințelor acestui standard, adică. prezența sa în sursă puternică alimentația este o necesitate simplă. L6561/2/3 - alegere optimă pentru a construi un corector de factor de putere eficient și în același timp ieftin.

Chitanță informații tehnice, probă de comandă, livrare - e-mail:

Despre ST Microelectronics