Железо

О коррекции коэффициента мощности в блоках питания

Иногда вследствие увеличения доли реактивной мощности, наличия нелинейных искажений и гармоник, значительно увеличивается полная мощность, потребляемая устройствами, подключенными к электрической сети. Обычно это происходит вследствие недостаточной коррекции коэффициента мощности (cos φ).

Уменьшение величины косинуса фи приводит к потерям на нагрев силовых проводников, повышенному износу нейтрали (в трехфазной сети) и другим негативным последствиям. Для борьбы с ними используют схемы коррекции фактора мощности (PFC, Power Factor Control).

Все современные импульсные блоки питания мощностью более 50-100 ватт обязательно содержат схемы, корректирующие фактор мощности. К сожалению, введение дополнительных компонентов, работающих в сильно нагруженной высоковольтной части блока питания, снижает его надежность. Поломки в узлах блоков питания, отвечающих за компенсацию фактора мощности, очень часто встречаются и при эксплуатации майнинг ригов.

В связи с этим стоит иметь представление о том, на что влияют и как работают типовые схемы коррекции фактора мощности.

Влияние фактора мощности на потребление электрической энергии

Рассмотрим электрическую схему, использующуюся для измерения потребления тока и мощности нагрузкой, подключенной к сети переменного тока с действующим значением напряжения, равным 240 вольтам:

В этой схеме ваттметр показывает потребляемую (активную) мощность, равную двум киловаттам, при этом среднеквадратичный (RMS) ток в цепи с синусоидальным переменным напряжением 240 вольт равен 10 амперам.

Чтобы найти полную мощность S (Apparent Power), нужно перемножить среднеквадратичные (RMS) значения тока (I) на напряжение (E):

S = IE, или S = 10A * 240V = 2400 kVA

Разница между активной мощностью, потребляемой нагрузкой, и полной составляет 2400-2000=400 ватт. Эта величина связана с реактивной мощностью Q, обусловленной негативным влиянием фактора мощности (Power Factor).

Power Factor равен отношению активной мощности к полной:

Power Factor = P/S,

в данном случае PF = 2kW / 2.4kVA = 0.833

На практике форма переменного тока в сети далека от идеальной синусоидальной формы, поэтому для измерения реальных значений токов и напряжений лучше использовать величину True RMS — истинное среднеквадратичное значение:

При учете значения True RMS величина потерь на реактивную составляющую будет еще больше, так как дополнительно появятся потери, связанные с искажениями синусоидальной формы тока.

Для справки:
Действующее значение напряжения (тока) также называют среднеквадратичным или эффективным напряжением — Urms (для тока Irms).
Период, амплитуда, действующее (Urms) и среднее значения переменного синусоидального тока:
Среднеквадратичное значение напряжения Vrms (именно это напряжение измеряется обычным вольтметром) связано с величиной пикового напряжения Vpk неизменным коэффициентом:



Иллюстрация разницы между значениями пикового (амплитудного) и действующего синусоидального напряжения частотой 60 Герц:



Пиковое напряжение Vpk в сети равно Vrms / 0.707, или, в данном случае 240 / 0.707 = 340 вольт. 

Изображение, иллюстрирующее разницу между пиковым и действующим (среднеквадратичным) синусоидальными напряжениями:



Величина действующего напряжения (Uд) в сети переменного тока меньше пикового (или амплитудного вольтажа Uа) в √2 раз или в 1.41 раза.

Формулы перевода действующего напряжения в амплитудное и наоборот:

Uд=Uа/√2 или Uд=Uа/1.41

Uа=Uд*√2 или Uа=Uд*1.41

Величину √2 (или 1.41), определяющую соотношение пикового и действующего значения переменного напряжения (тока) называют пик-фактором (Crest Factor или крест-фактор):

Для компенсации реактивных потерь, обеспечения равномерной нагрузки на электрическую сеть, снижения нагрузки на нулевой провод, уменьшения негативного влияния блоков питания на синусоидальную форму тока в сети, улучшения КПД, используют специальные схемы, увеличивающие значение фактора мощности.

Существуют пассивные и активные схемы коррекции косинуса фи (фактора мощности), которые сглаживают нагрузку на сеть, обусловленную пульсирующим характером работы диодных выпрямителей со сглаживающими конденсаторами.

Формы входного тока (Input Current), входного напряжения (Vline) и тока на выходном сглаживающем конденсаторе (Vcap):

Почему возникают проблемы с фактором мощности в блоках питания?

Негативное влияние на коэффициент мощности в блоках питания, преобразующих высокое сетевое переменное напряжение в низкое постоянное, оказывает импульсный характер тока на выходе диодного выпрямителя, а также переходные процессы, происходящие при заряде-разряде сглаживающих электролитических конденсаторов, которые устанавливаются после выпрямителя.

Электрическая схема выпрямительного диодного моста (Bridge Rectifier) со сглаживающим накопительным конденсатором:

Форма напряжений на входе и выходе выпрямительного диодного моста:

Благодаря введению в схему сглаживающего конденсатора сглаживаются пульсации выходного выпрямленного напряжения:

Величина пульсаций на выходном конденсаторе связана со временем его заряда-разряда, которое, в свою очередь, связано с мощностью нагрузки.

Связь между формой напряжения Vce на сглаживающем конденсаторе Ce с током на диодах и конденсаторе при постоянной нагрузке:

Как видно из приведенных выше графиков, при выпрямлении синусоидального напряжения значительно изменяется величина входного тока, образуя пики потребления на участках, подобных t1-t2, когда происходит заряд конденсатора.

График зарядного тока для сглаживающего конденсатора Cф однофазного однополупериодного выпрямителя (хорошо виден импульсный характер тока заряда и значительное увеличение его амплитуды во время рабочего цикла):

Эти пики приводят к увеличению потерь и уменьшают значение величины фактора мощности. Кроме того, с увеличением потребляемой мощности возрастает амплитуда пульсаций выходного напряжения и уменьшается КПД.

Для компенсации неравномерного потребления входного тока и сглаживания выходных пульсаций напряжения используют узлы, отвечающие за коррекцию фактора мощности. Их устанавливают в высоковольтной части блоков питания, до сглаживающих электролитических конденсаторов.

Как работают схемы коррекции фактора мощности в блоках питания?

Основной задачей схем коррекции коэффициента мощности (ККМ) является сведение к минимуму отставания потребляемого тока от сетевого напряжения, а также сохранение его синусоидальной формы. Синусоидальное потребление тока из сети должно осуществляться на протяжении всего периода питающего импульса. Благодаря использованию схем коррекции блок питания для питающей сети должен выглядеть как нагрузка с чисто активным сопротивлением.

Для выполнения этих требований в схему БП добавляют индуктивный накопитель, который отдает в электрическую цепь энергию на обратном ходу. Работа индуктивности, увеличивающей значение коэффициента мощности, осуществляется как в пассивном, так и в активном (управляемом) режиме.

Наиболее распространенные виды однофазных схем коррекции фактора мощности:

Сравнение схемотехники пассивной (слева) и активной (справа) коррекции фактора мощности:

Простейшим элементом, который может сгладить форму тока на сглаживающем конденсаторе, является катушка индуктивности, включаемая в цепь последовательно.

Схемы пассивной коррекции коэффициента мощности в блоках питания

Схемы с пассивной коррекцией cos fi (Passive Power Factor Control) не имеют активных компонентов.

Пример реализации пассивной коррекции коэффициента мощности с помощью последовательного включения катушки индуктивности на входе выпрямителя:

Дроссель пассивной коррекции коэффициента мощности компьютерного блока питания (справа внизу):

Добавление дросселя до диодного выпрямителя увеличивает длительность пика синусоиды, что улучшает коэффициент мощности:

В схеме с подключенной ко входу катушкой индуктивности значение ККМ не может быть выше 0.76:

Если подключить катушку индуктивности после выпрямительных диодов, то при достаточной индуктивности (намного большей, чем при включении на входе выпрямителя) можно достичь ККМ, равного 0.9. Добавление в схему конденсатора Ca (на рисунке ниже показан пунктиром), может увеличить ККМ до 0.905:

Практическая схема входной части импульсного блока питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности:

В старых, маломощных блоках питания компьютеров, использовалось именно такое решение. Так как частота пульсаций напряжения на выходе диодного моста мала (100-120 Гц для сети переменного тока с частотой 50-60 Гц), то размер компенсирующих катушек должен быть очень велик. Более эффективно работают схемы активной коррекции коэффициента мощности, собранные на полевых транзисторах, работающих в качестве ключей, управляемых ШИМ-контроллером.

Часть блок-схемы компьютерного блока питания фирмы FSP на 19 вольт (входной фильтр, диодный мост и блок активной коррекции коэффициента мощности):

Упрощенная схема активной коррекции фактора мощности:

Схема активной коррекции коэффициента мощности включает в себя следующие компоненты:

  • контроллер (PFC Control);
  • катушка индуктивности L (дроссель);
  • ключевой MOSFET-транзистор Q;
  • выпрямительный диод D;
  • выходная емкость C0;
  • цепи обратной связи.

Пример схемы PFC boost-преобразователя со схемой контроля:

Примеры практической реализации схем активной коррекции мощности в блоках питания

Упрощенная схема блока питания с APFC-контроллером NCP1653:

Схема активной коррекции коэффициента мощности в блоке питания FSP OPS550-80GLN:

Схема первичной части блока питания HP DPS-300AB-49A 300Watt с активной системой коррекции мощности с контроллером FAN7529:

Схема компьютерного блока питания мощностью 450 ватт с отдельной платой ШИМ и APFC (элемент PC83):

Заключение

Активные схемы коррекции коэффициента мощности предоставляют ряд преимуществ, среди которых:

  • максимальное приближение к активному характера потребления нагрузки, сведение к минимуму пиковых перегрузок;
  • расширение диапазона допустимого входного переменного напряжения;
  • снижение уровня пульсаций на выходе сглаживающего конденсатора при сохранении его емкости за счет уменьшения длительности токовых пауз;
  • улучшение режима работы инвертора блока питания и КПД блока питания за счет стабилизации подающегося на него напряжения.

К недостаткам схем коррекции коэффициента мощности блоков питания можно отнести:

  • увеличение стоимости готового изделия из-за добавления электронных элементов, отвечающих за коррекцию cos φ;
  • уменьшение надежности блока питания из-за включения в его состав еще одного блока, работающего в критических условиях (высокие напряжения и токи).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English English Русский Русский