Меню

С корректором фактора мощности что это

В чем разница между пассивной и активной корректировкой коэффициента мощности?

Каждый день количество электронных устройств, использующих импульсные источники питания, увеличивается. В результате коррекция коэффициента мощности (cos φ) стала очень важной проблемой, которая привела к созданию
нормативных стандартов. Благодаря этим стандартам инженеры-проектировщики / прикладные технологи используют новейшие технологии в пассивных и активных компонентах и интегральных схемах контроллеров (ИС) для создания широкого спектра корректоров коэффициента мощности.

Мощность

Давайте начнем с разговора о концепции коэффициента мощности (PF или более привычно для нас cos φ). ). Предполагая идеально линейную нагрузку с идеальными синусоидальными кривыми тока и напряжения (нет сдвига по фазе), коэффициент мощности системы электроснабжения представляет собой отношение реальной мощности (кВт) к полной мощности (кВА) (рисунок выше).

Он также может быть определен как косинус угла между волнами тока и напряжения. Значение коэффициента мощности может варьироваться от 0 до 1. Когда ток и напряжение полностью совпадают по фазе, коэффициент мощности равен 1.

Идеальные синусоидальные значения токов и напряжений обычно возникают, когда нагрузки состоят из резистивных, емкостных и индуктивных элементов, которые являются линейными (не зависят от тока и напряжения). Этот тип коэффициента мощности обычно связан с промышленным оборудованием, таким как электродвигатели (рисунок выше).

Где PF – коэффициент мощности, а THD – общие гармонические искажения

В настоящее время очень часто можно найти коэффициент мощности, который потребляет ток в несинусоидальной форме волны (рисунок ниже) среди электронных устройств с нелинейными нагрузками. Такие электронные устройства используют преобразование мощности для лучшего контроля или экономии энергии. Такое преобразование мощности достигается с помощью импульсных источников питания, которые обычно используются в ПК, аудиовизуальном оборудовании, флуоресцентном освещении, диммерах, копировальных аппаратах, зарядных устройствах и других устройствах.

На рисунке выше показано, что ток и напряжение идеально совпадают по фазе, даже несмотря на сильное искажение волны тока. Применение «косинуса фазового угла» привело бы к неверному выводу, что этот источник питания имеет коэффициент мощности 1,0. В этом случае коэффициент мощности следует анализировать с точки зрения гармонического ряда основной частоты линии электропередачи. Принимая во внимание абсолютные значения общих гармонических искажений (THD), коэффициент мощности для нелинейных нагрузок может быть определен, как показано на в формуле выше.

Коэффициент мощности, который не равен единице, может вызвать гармонические искажения. Такое искажение может мешать работе других устройств, питающихся от одного и того же источника, что и потребитель, генерирующий высшие гармоники. Глядя на рисунок выше, можно сказать, что для достижения коэффициента мощности 1,0 значение THD должно быть равно нулю. Гармонические искажения могут вызвать серьезные проблемы, такие как повреждение кабелей и другого оборудования в электрической сети, а также риск перегрева и возгорания, высокие напряжения и блуждающие токи, неисправности оборудования и отказы отдельных компонентов и так далее.

Корректировка коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (PFC) используется, чтобы избежать гармоник входного тока, тем самым сводя к минимуму помехи для других устройств, питающихся от того же источника. В Европе и Японии электрооборудование должно соответствовать стандарту IEC61000-3-2. Этот стандарт применяется к большинству электроприборов с потребляемой мощностью более 75 Вт (оборудование класса D). Он также определяет
максимальную амплитуду линейных гармоник до 39-й гармоники включительно.

В Соединенных Штатах не существует стандартов для ограничения выбросов гармонического тока, генерируемого электрическим оборудованием, как в Европе (IEC6100-3-2). Однако инициатива под названием 80 PLUS пытается интегрировать более эффективные блоки питания, особенно для персональных компьютеров, серверов и ноутбуков.

80 PLUS сертифицирует более 80% энергоэффективности при 20%, 50% и 100% номинальной нагрузки. Чтобы соответствовать сертификации 80 PLUS, для блоков питания требуется значение коэффициента мощности 0,9 или выше при 100% нагрузке. Это означает, что блоки питания у которых мощность потерь достигает 20% или менее (в виде тепла при указанных уровнях нагрузки), приведут к снижению потребления электроэнергии и снижению счетов за нее. Иногда производителям, использующим блоки питания сертифицированные по стандарту 80 PLUS, предоставляются льготы.

Типы корректоров коэффициента мощности (PFC)

Для уменьшения гармонических искажений используются два типа корректоров коэффициента мощности: пассивный PFC и активный PFC.

Как следует из названия, пассивный корректор мощности использует пассивные компоненты для коррекции значений выходного тока и напряжения (например, катушки индуктивности и конденсаторы). Пассивный PFC способен поднять коэффициент мощности до 0,7-0,85. Вот наиболее распространенные типы пассивных корректоров мощности:

Входной LC фильтр: также называется П-фильтром, он удаляет нежелательные частоты из сигнала. Фильтр уменьшает содержание гармоник в текущем сигнале, следя за тем, чтобы частота среза фильтра была чуть выше основной частоты. В результате достигается оптимальное затухание гармоник (рисунок ниже).

Фильтр на схеме Valley-fill: данный тип корректора коэффициента мощности может использоваться в приложениях с низким энергопотреблением, где допускается высокое эффективное пульсирующее напряжение на выходе постоянного тока. Он часто используется в электронных балластных системах. Схема содержит два конденсатора и три диода. Два конденсатора заряжаются последовательно от пика линии до половины пикового напряжения линии. Когда напряжение линии падает ниже напряжения одного конденсатора, диоды мостового выпрямителя смещаются в обратном направлении, что не позволяет току течь. Затем диоды valley-fill переходят в проводящий режим, а конденсаторы подключаются параллельно для питания нагрузки. На рисунке ниже показан обычный контур valley-fill.

Пассивные методики корректировки коэффициента мощности обычно используют простой LC-фильтр с линейной частотой, чтобы увеличить угол проводимости тока и уменьшить гармонические составляющие входного тока диодно-конденсаторного выпрямителя. Благодаря своей простоте, пассивный LC-фильтр является высокоэффективным и недорогим PFC-решением, которое потенциально может соответствовать спецификациям IEC 61000-3-2 класса D
в диапазоне малой мощности. Однако при более высоких уровнях мощности размер и вес пассивных компонентов становятся проблемой из-за наличия более тяжелых и объемных катушек индуктивности фильтра. Пассивные методы имеют определенные преимущества, такие как простота, надежность и прочность, нечувствительность к шуму и скачкам напряжения, отсутствие генерации электромагнитных помех (EMI) и отсутствие потерь при
высокочастотном переключении.

Читайте также:  Генератор низкочастотный выходная мощность

Активные PFC используют схемы активной электроники, которые содержат такие устройства, как MOSFET, BJT и IGBT. Существует широкий спектр топологий для активных корректоров мощности, и разработчики электроники / источников питания могут создавать схемы с различными режимами работы и различными задачами по мере развития технологий. Вот два основных типа активных корректировщиков коэффициента мощности (PFC):

Boost PFC

Эта популярная реализация, которая также называется повышающим преобразователем, представляет собой преобразователь мощности с выходным напряжением постоянного тока, превышающим его входное напряжение постоянного тока. Этот класс импульсного источника питания (SMPS) содержит, по меньшей мере, два полупроводниковых переключателя и один элемент накопления энергии (конденсатор). Фильтры обычно добавляются к выходу преобразователя для уменьшения пульсации выходного напряжения. Поскольку мощность должна быть сохранена, выходной ток меньше, чем
входной ток.

Практически все повышающие PFC используют стандартную микросхему контроллера для простоты конструкции, снижения сложности схемы и экономии затрат.

Когда переключатель (S) замкнут, выход индуктора соединен с землей, и на него подается напряжение (Vi). Ток индуктора увеличивается со скоростью, равной Vi / L. Однако при размыкании контакта напряжение на катушке индуктивности изменяется и становится равным V L-Vin. Ток, который протекал в индукторе, будет затухать со скоростью, равной (V L-Vi) / L.

Индуктор фильтра на входной стороне является основным преимуществом повышающих PFC, поскольку он допускает мало искаженные входные токи, которые предотвращают уменьшение значения коэффициента мощности. Недостатком этого подхода является то, что выходное напряжение всегда превышает пиковое входное напряжение. Кроме того, отсутствует ограничение тока во время перегрузки и короткого замыкания из-за прямой связи между линией и нагрузкой.

Buck PFC

Этот понижающий преобразователь напряжения и повышающий преобразователь тока работают по принципу накопления энергии в индуктивности. Существует переключающий элемент (силовой MOSFET транзистор или IGBT), который можно открывать или закрывать (схема выше).

Когда переключатель находится во включенном положении (то есть MOSFET
транзистор находится во включенном состоянии), импульс тока течет к
нагрузке, и энергия накапливается как в индуктивности (L), так и в конденсаторе (C), и ток не протекает через диод, как при обратном смещением. Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ., Энергия, накопленная в катушке индуктивности, возвращается в цепь, и ток течет через нагрузку и диод. В какой-то момент, когда напряжение нагрузки начинает падать, заряд, хранящийся в конденсаторе, становится основным источником тока до тех пор, пока переключатель не будет снова включен.

Buck преобразователи могут быть очень эффективными (КПД в 95% или выше для интегральных схем).

Выводы

Корректоры коэффициента мощности значительно изменились из-за возросшего интереса к соблюдению стандартов, таких как IEC61000-3-2 (подавление гармоник), пределов электромагнитных помех и других. Они улучшились и стали более экономичными благодаря улучшенным интегральным контроллерам.

Основное различие между пассивной и активной корректировкой коэффициента мощности заключается в простом использовании пассивных компонентов по сравнению с использованием в основном активных компонентов с интегральными схемами контроллера. Оба могут добиться коррекции коэффициента мощности на разных уровнях. В зависимости от эффективности конструкции, стоимости и топологии они могут использоваться в самых разных приложениях.

Источник



Корректор коэффициента мощности блока питания APFC — что это и зачем он нужен

Подбирая современный блок питания для настольного ПК, пользователь сталкивается с понятием корректора коэффициента мощности. В английской интерпретации это понятие звучит как power factor corrector (PFC). Что это такое, что он корректирует в современных блоках питания и какая от него польза? Попробуем разобраться.

Полная и активная мощность ПК

Для начала, разделим активный и пассивный корректоры коэффициента мощности (ККМ). Пассивные ККМ в современных блоках питания не применяются из-за низкой эффективности. Их мы рассматривать не будем. Далее речь пойдет только об активных ККМ (APFC).

В некоторых блоках питания APFC есть, в других нет. APFC в БП обычно преподносится производителем как неоспоримое преимущество.

Но для начала нужно разобраться с мощностью самого компьютера. Для определения мощности необходимо измерить ток, напряжение и перемножить их. Закон Ома, однако.

Измерим потребляемую мощность ПК, в составе которого установлен БП без корректора.

Измеритель показывает напряжение 220 вольт при токе 0.756 ампер. Все это перемножаем и получаем мощность 166 Вт. Странно, но прибор показывает мощность 100 Вт. Что это, ошибка?

Нет, просто мы сравнили разные мощности. После перемножения тока на напряжение была получена так называемая полная мощность — 166 Вт. А измеритель показал активную мощность 100 Вт, то есть именно ту, которая делает для нас работу. Остальная мощность просто не используются и ее можно условно назвать неактивной мощностью. В понятие неактивной мощности входят составляющие реактивной мощности и мощности гармонических искажений. вычисляются они немного сложнее, чем просто разность полной и активной мощности и останавливаться на этом мы не будем.

Чтобы не запутаться, полную мощность измеряют в вольт-амперах (ВА), активную в ваттах (Вт)

Наверняка пытливый читатель сразу же задался корыстным вопросом: а за какую электрическую мощность мы платим, что учитывает электросчетчик. Так вот, счетчик считает только активную потребленную мощность.

Коэффициент мощности, он же Power Factor

Так вот, отношение активной мощности к полной дает нам так называемый коэффициент мощности (КМ), в английском это Power Factor (PF). Разделим 100 Вт на 166 и получим PF=0.60. Обратите внимание, именно это значение PF и показывает нам измеритель.

Не зная PF, невозможно достоверно определить мощность нелинейной нагрузки в сети переменного тока. Простой амперметр и вольтметр тут не годятся.

Иногда коэффициент мощности путают с коэффициентом полезного действия (КПД). На самом деле это совершенно разные показатели, не имеющие друг к другу никакого отношения.

PF показывает, насколько эффективно БП использует сеть переменного тока. КПД показывает, насколько эффективно БП преобразует мощность из сети для питания компонентов компьютера.

Именно коэффициент мощности и должен скорректировать корректор (PFC), пытаясь довести его до единицы и свести к нулю неиспользуемую мощность. Возникает вопрос: зачем? Ведь счетчик ее не учитывает, зачем же платить за корректор коэффициента мощности, который мы покупаем в одном корпусе с блоком питания.

Читайте также:  Как повысить мощность киа спортейдж

Зачем корректировать коэффициент мощности

Первая причина — она же главная

Сама по себе неактивная мощность не используется и напрямую мы за нее не платим, но она бегает по проводам, по контактам выключателей и реле, по обмоткам трансформаторов и тем самым нагружает их почем зря.

Судите сами, наш подопытный БП потребляет ток 0.756 ампер. А если бы коэффициент мощности был равен 1, то потребляемый ток составил всего 0.45 А.

«А для моей новенькой медной проводки в квартире без разницы», — скажет читатель и будет прав, но только в границах своей квартиры. Для примера возьмем большое офисное здание, в котором установлены 1000 компов. Если все они будут с корректором коэффициента мощности, то общий потребляемый ток будет 450 Ампер. А если все будут без корректора, то мы получим ток в 750 А, из которых 300 А будут лишний раз нагревать провода, кабели и обмотки генераторов, увеличивая общие потери электроэнергии. Теперь умножьте все это на масштабы города, страны или даже всей планеты.

Вторая причина, тоже важная

Импульсный блок питания компьютера имеет на входе достаточно большую емкость в виде электролитического конденсатора. Кто хоть раз вскрывал БП, знает об этом. Именно этот конденсатор является главным виновником низкого PF и необходимости использования APFC.

Дело в том, что конденсатор потребляет ток не равномерно, а только в определенные моменты. И вот в эти моменты возникает бросок тока.

Ниже желтая осциллограмма — это напряжение сети, а голубым цветом как раз обозначены импульсы тока зарядки конденсатора в моменты максимальных значений напряжения.

Все это приводит к искажению формы и симметрии синусоидального напряжения в сети. Даже на этой осциллограмме видно, что макушки синусоиды срезаны, и причина этому — как раз неравномерное потребление тока. Это негативно сказывается на работе других электроприборов, для которых «чистый» синус — залог хорошей работоспособности.

Для сравнения ниже показана осциллограмма, полученная при измерении тока через БП с APFC.

Нетрудно заметить, что форма тока в БП с APFC синхронно повторяет форму напряжения, именно это и требуется от APFC. В данном случае PF составлял 0.98. Кстати, это блок питания be quiet! Pure Power 11 500W.

Требования энергоэффективности

В целях повышения энергоэффективности компьютерных блоков питания была предложена программа сертификации — 80 PLUS. Чуть позже требования программы были включены в международный стандарт энергоэффективности потребительских товаров Energy Star, который является обязательным во многих странах мира.

В стандарте 80 PLUS, кроме базовых требований, существуют несколько дополнительных уровней, которые добавлялись по мере совершенствования технологий изготовления БП.

Обозначаются уровни энергоэффективности вот такими симпатичными значками.

О КПД мы говорить не будем, это совсем другая история, а вот на коэффициент мощности как раз стоит обратить внимание. Как следует из таблицы, даже в базовых требованиях стандарта 80 PLUS коэффициент мощности должен быть не ниже 0.8, и с каждым уровнем энергоэффективности требования к коэффициенту мощности только возрастают.

Получить такой коэффициент мощности можно, только если применять активный корректор коэффициента мощности (APFC). Теперь причина применения APFC в БП становится понятной и заключается в необходимости соответствовать требованиям стандарта 80 PLUS. Кроме того, получение сертификата определенного уровня энергоэффективности является делом чести уважающего себя производителя. Ведь чем выше сертификат, тем более престижным и продвинутым среди покупателей считается блок питания.

Источник

С корректором фактора мощности что это

PFC

Ни для кого не секрет, что одним из главных блоков компьютера является блок питания. При покупке мы обращаем свое внимание на различные характеристики: на максимальную мощность блока, характеристики системы охлаждения и на уровань шума. Но не все задаются вопросом что такое PFC?

Итак, давайте разберемся что дает PFC

Применительно к импульсным блокам питания (в системных блоках компьютеров в настоящее время используются БП только такого типа) этот термин означает наличие в блоке питания соответствующего набора схемотехнических элементов.

Power Factor Correction — переводится как «Коррекция фактора мощности», встречается также название «компенсация реактивной мощности».

Собственно фактором или коэффициентом мощности называется отношение активной мощности (мощности, потребляемой блоком питания безвозвратно) к полной, т.е. к векторной сумме активной и реактивной мощностей. По сути коэффициент мощности (не путать с КПД!) есть отношение полезной и полученной мощностей, и чем он ближе к единице – тем лучше.

PFC бывает двух разновидностей – пассивный и активный.
При работе импульсный блок питания без каких-либо дополнительных PFC потребляет мощность от сети питания короткими импульсами, приблизительно совпадающими с пиками синусоиды сетевого напряжения.

Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.

Пассивный PFC несколько сглаживает импульсы тока, растягивая их во времени – однако для серьезного влияния на коэффициент мощности необходим дроссель большой индуктивности, габариты которого не позволяют установить его внутри компьютерного блока питания. Типичный коэффициент мощности БП с пассивным PFC cоставляет всего лишь около 0,75.

Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
Как видно, форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95. 0,98 при работе с полной нагрузкой.

Читайте также:  Мотор не выдает полной мощности

Правда, по мере снижения нагрузки коэффициент мощности уменьшается, в минимуме опускаясь примерно до 0,7. 0,75 – то есть до уровня блоков с пассивным PFC. Впрочем, надо заметить, что пиковые значения тока потребления у блоков с активным PFC все равно даже на малой мощности оказываются заметно меньше, чем у всех прочих блоков.

Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания — он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, также при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110. 230В, не требующие ручного переключения напряжения сети.

Такие БП имеют специфическую особенность – их эксплуатация совместно с дешёвыми ИБП, выдающими ступенчатый сигнал при работе от батарей может приводить к сбоям в работе компьютера, поэтому производители рекомендуют использовать в таких случаях ИБП класса Smart, всегда подающие на выход синусоидальный сигнал.

Также использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя, эффективность использования которых увеличивается более чем в два раза. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, т.е. такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

А теперь немного теории

Обычная, классическая, схема выпрямления переменного напряжения сети 220V состоит из диодного моста и сглаживающего конденсатора. Проблема в том, что ток заряда конденсатора носит импульсный характер (длительность порядка 3mS) и, как следствие этого, очень большим током.

Например, для БП с нагрузкой в 200W средний ток из сети 220V будет 1A, а импульсный — в 4 раза больше. Если таких БП много и (или) они мощнее? . тогда токи будут просто сумасшедшими — не выдержит проводка, розетки, да и платить придется больше за электричество, ведь качество тока потребления весьма сильно учитывается.

Например, на больших заводах имеются специальные конденсаторные установки для компенсации «косинуса». В современной компьютерной технике столкнулись с теми же проблемами, но ставить многоэтажные конструкции никто не будет, и пошли другим путем — в блоках питания ставят специальный элемент по уменьшению «импульсности» потребляемого тока — PFC.

Разные типы разделены цветами:

  • красный — обычный БП без PFC,
  • желтый — увы, «обычный БП с пассивным PFC»,
  • зеленый — БП с пассивным PFC достаточной индуктивности.

На модели показаны процессы при включении БП и кратковременном провале через 250mS. Большой выброс напряжения при наличии пассивного PFC получается потому, что в дросселе накапливается слишком большая энергия при заряде сглаживающего конденсатора. Для борьбы с этим эффектом производят постепенное включение БП — вначале последовательно с дросселем подключается резистор для ограничения стартового тока, потом он закорачивается.

Для БП без PFC или с декоративным пассивным PFC эту роль выполняет специальный терморезистор с положительным сопротивлением, т.е. его сопротивление сильно возрастает при нагревании. При большом токе такой элемент очень быстро нагревается и величина тока уменьшается, в дальнейшем он охлаждается из-за уменьшения тока и никакого влияния на схему не оказывает. Т.о., терморезистор выполняет свои ограничивающие функции только при очень больших, стартовых токах.

Для пассивных PFC импульс тока при включении не так велик и терморезистор зачастую не выполняет свою ограничивающую функцию. В нормальных, больших пассивных PFC кроме терморезистора ставится еще специальная схема, а в «традиционных», декоративных этого нет.

И по самим графикам. Декоративный пассивный PFC дает всплеск напряжения, что может привести к пробою силовой схемы БП, усредненное напряжение несколько меньше случая без_PFC и при кратковременном пропадании питания напряжение падает на бОльшую величину, чем без_PFC. На лицо явное ухудшение динамических свойств. Нормальный пассивный PFC также имеет свои особенности. Если не учитывать начального всплеска, который в обязательном порядке должен быть компенсирован последовательностью включения, то можно сказать следующее:

— Выходное напряжение стало меньше. Это правильно, ведь оно равно не пиковому входному, как для первых двух типов БП, а «действующему». Отличие пикового от действующего равно корню из двух.
Пульсации выходного напряжения значительно меньше, ведь часть сглаживающих функций переходит на дроссель.
— Провал напряжения при кратковременном пропадании напряжения также меньше по той же причине.
— После провала следует всплеск. Это очень существенный недостаток и это основная причина, почему пассивные PFC не распространены. Этот всплеск происходит потому же, почему он происходит при включении, но для случая начального включения специальная схема может что-то откорректировать, то в работе это сделать много труднее.
— При кратковременном пропадании входного напряжения выходное меняется не так резко, как в других вариантах БП. Это очень ценно, т.к. медленное изменение напряжения схема управления БП отрабатывает весьма успешно и никаких помех на выходе БП не будет.

Для других вариантов БП при подобных провалах на выходах БП обязательно пойдет помеха, что может сказаться на надежности функционирования. Как часты кратковременные пропадания напряжения? По статистике, 90% всех нестандартных ситуаций с сетью 220V приходится как раз на такой случай. Основной источник возникновения, это переключения в энергосистеме и подключение мощных потребителей.

На рисунке показана эффективность PFC по уменьшению импульсов тока:

Для БП без PFC сила тока достигает 7.5A, пассивный PFC уменьшает ее в 1.5 раза, а нормальный PFC уменьшает ток значительно больше.

Источник

Adblock
detector