Корректор коэффициента мощности своими руками

Корректор коэффициента мощности. Схема. Расчет. Принцип действия.

Схема корректора коэффициента мощности (10+)

Корректор коэффициента мощности. Схема. Расчет. Принцип действия

Проблемы отбора мощности классическим выпрямителем

Основной проблемой классического выпрямителя с накопительным конденсатором, работающего от синусоидального или другого непрямоугольного напряжения, является тот факт, что отбор энергии от сети происходит только в те моменты времени, когда напряжение в ней больше, чем напряжение на накопительном конденсаторе. Действительно, конденсатор может заряжаться только если к нему приложено напряжение, большее чем то, до которого он уже заряжен.

Причем в те моменты, когда напряжение сети становится больше напряжения конденсатора, ток зарядки очень велик, а все остальное время он нулевой. Получается, что, например, для синусоидального напряжения питания, наблюдаются всплески тока при достижении напряжением амплитудных значений. Если Ваше устройство потребляет небольшую мощность, то это можно стерпеть. Но для нагрузки, скажем, 1 кВт 220В всплески тока могут достигать 100 А. Что совершенно неприемлемо.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Государственные стандарты на силовые устройства запрещают их изготовление и продажу, если не обеспечивается равномерный отбор мощности.

Чтобы решить эту проблему, применяют корректоры коэффициента мощности.

Простейший корректор коэффициента мощности

Устройство отличается от классического выпрямителя тем, что зарядка накопительного конденсатора осуществляется через дроссель. Электрический ток через дроссель не может измениться моментально. Соответственно, дроссель как бы усредняет ток зарядки. При правильном выборе дросселя, ток зарядки будет идти постоянно, вне зависимости от текущего значения напряжения. Мощность, соответственно, от сети тоже будет отбираться постоянно, а не только при пиках напряжения. Сила тока не будет иметь ярко выраженных всплесков. Все поставленные задачи решены.

Для нормального функционирования схемы нужен дроссель, который не будет насыщаться при максимально возможном потребляемом токе. Индуктивность дросселя должна быть такой, чтобы пульсации тока не превышали 1А, чтобы соответствовать государственным стандартам. Для 50 Гц индуктивность составляет 3 Гн. Для нагрузки 1 кВт такой дроссель, конечно, можно изготовить, но весить он будет более 50 кг, а стоить больше 10 000 рублей с учетом современной цены меди.

Импульсный корректор коэффициента мощности

Силовая импульсная электроника дает другое решение.

Это классический повышающий преобразователь напряжения. Конденсатор, подключенный к мосту, выбирается небольшой емкости, только для фильтрации высокочастотных импульсов. Напряжение на нем пульсирует. Повышающий преобразователь преобразует пульсирующее напряжение в постоянное на конденсаторе C5 за счет ШИМ модуляции. При фиксированном выходном напряжении входной ток пропорционален входному напряжению, то есть изменяется плавно по синусоидальному закону, без скачков и всплесков.

Устройство рассчитано на выходную мощность 500 Вт. Как увеличить мощность устройства, читайте по ссылке.

Ф — фильтр импульсных помех. Обычно используется уже готовый покупной.

М — Мост на нужное напряжение и ток.

C6 — 1 мкФ 400 В.

C5 — 470 мкФ 400 В электролитический.

VD3 — быстродействующий диод, рассчитанный на напряжение 1000 В и ток, который будет потреблять Ваша нагрузка.

R8 — 2 МОм, R9 — 2 кОм, подстроечный, R10 — 2 кОм.

R4 — 300 кОм, R5 — 30 кОм.

R3 — 100 кОм, C4 — 1 нФ. Эти элементы задают частоту работы ШИМ контроллера. Подбираем их так, чтобы частота составила 30 кГц.

C3 — 0.05 мкФ. Это частотная коррекция цепи обратной связи. Если выходное напряжение начинает пульсировать или недостаточно быстро устанавливается при изменении тока нагрузки, то эту емкость надо подобрать.

C1 — 1000 мкФ. C2 — 4700 мкФ.

VD1 — Стабилитрон 15 В. R1 — 300 кОм 0.5 Вт.

VT1 — Высоковольтный транзистор на 400 вольт. Это схема запуска, через этот транзистор ток идет только в начале работы. После появления ЭДС на обмотке L2, транзистор закрывается. Так что рассеиваемая мощность на этом транзисторе невелика.

D2 — интегральный стабилизатор напряжения (КРЕН) на 12В.

Добавление от 27.02.2013 Иностранный производитель контроллеров Texas Instruments преподнес нам удивительно приятный сюрприз. Появились микросхемы UC3823A и UC3823B. У этих контроллеров функции выводов немного не такие, как у UC3823. В схемах для UC3823 они работать не будут. Вывод 11 теперь приобрел совсем другие функции. Чтобы в описанной схеме применить контроллеры с буквенными индексами A и B, нужно вдвое увеличить резистор R6, исключить резисторы R4 и R5, подвесить (никуда не подключать) ножку 11. Что касается российских аналогов, то нам читатели пишут, что в разных партиях микросхем разводка разная (что особенно приятно), хотя мы пока новой разводки не встречали.

L1 — дроссель 2 мГн, рассчитанный на ток 3 А. Можно намотать на сердечнике Ш16х20 четырьмя проводами 0.5 мм, сложенными вместе, 130 витков, зазор 3 мм. L2 — 8 витков провода 0.2 мм.

Смотрите также онлайн расчет дросселя. В форме задайте амплитуду пульсаций тока равной нулю, чтобы получить нужные нам параметры.

Выходное напряжение формируется на конденсаторе C5.

Комментарий: В параметрах дросселя была ошибка, на которую нам указали читатели. Теперь она исправлена. Кроме того, для повышения стабильности работы схемы может быть полезно ограничить максимальное время открытия силового полевого транзистора. Для этого устанавливаем подстроечный резистор между 16 ножкой микросхемы и минусовым проводом питания, а движок соединяем с ножкой 8. (Как, например, на этой схеме.) Подстраивая этот резистор, можно регулировать максимальную скважность импульсов от ШИМ-контроллера.

Корректор коэффициента мощности своими руками

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах, сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Один из эффективных способов решения этой задачи — применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Коэффициент мощности (Power Factor PF) — параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае — источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений — гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызываются нагрузкой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети.

В общем случае коэффициент мощности — это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:

где I 2 _nэфф — постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I 2 _1эфф — основная гармоника, а под знаком суммы — младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I 2 _эфф=I 2 +(I 2 _1эфф(P) +I 2 _1эфф(Q))+SI 2 _nэфф. Активная мощность — это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке.

Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=U_эфф Ч I_1эфф(P). Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении. Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=U_эфф Ч I_1эфф(Q). Физический смысл — это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза — от нагрузки к генератору. Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U _эфф Ч I_{эфф(общ)}. На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I 2 =I_{1эфф(общ)} cos j, где j — угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

Стоит заметить, что отношение (I_1эфф)/(I_{эфф(общ)} ) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).

Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение — единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 — хорошее значение; 0,9 — удовлетворительное; 0,8 — неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой).

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений . Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо). Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно — время наработки на отказ больше, и во вторых, при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоидальной и — «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» (boost converter). Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение). Еще одно достоинство этой схемы — более простая реализации защиты от перенапряжений. Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 3.

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Временные диаграммы работы корректора показаны на рис. 4. При включенном MOSFET-ключе ток в дросселе линейно нарастает — при этом диод заперт, а конденсатор С2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор запирается, напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор С2 (и одновременно питает нагрузку). В приведенной схеме (в отличие от источника без коррекции) конденсатор С1 имеет малую емкость и служит для фильтрации высокочастотных помех. Частота преобразования составляет 50. 100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом. Существуют способы увеличения эффективности коррекции динамическим изменением рабочего цикла (согласованием цикла с огибающей напряжения от сетевого выпрямителя).

Схема «преобразователя с повышением» может работать в трех режимах: непрерывном , дискретном и так называемом «режиме критической проводимости ». В дискретном режиме в течение каждого периода ток дросселя успевает «упасть» до нуля и через некоторое время снова начинает возрастать, а в непрерывном — ток, не успев достигнуть нуля, снова начинает возрастать. Режим критической проводимости используется реже, чем два предыдущих. Он сложнее в реализации. Его смысл в том, что MOSFET открывается в тот момент, когда ток дросселя достигает нулевого значения. При работе в этом режиме упрощается регулировка выходного напряжения.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных — дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97. 0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04. 0,08.

PFC коррекция коэффициента мощности

Коэффициент мощности и фактор наличия гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронного оборудования, которое этой электроэнергией питается.

Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности потребителей был приближен к единице, а для электронных приборов важно чтобы гармонических искажений было бы как можно меньше. В таких условиях и электронные компоненты устройств проживут дольше, и нагрузке будет более комфортно работать.

В реальности же имеет место проблема, которая состоит в том, что обычный линейный источник питания не способен обеспечить электронное оборудование электроэнергией должного качества, да еще и с высоким КПД. В итоге приходится мириться с тем, что КПД сетевого блока питания в 80% при коэффициенте мощности стремящимся к 0,7 стало принято считать нормой.

А причина данной проблемы кроется в том, что на входе обычного импульсного блока питания стоит диодный мост с конденсатором фильтра, и будь потребитель выпрямленного тока даже линейной нагрузкой, все равно ток, подаваемый из сети на диодный мост, будет иметь всплески, ярко выраженные обособленные пики, между которыми расположены промежутки нулевого потребления тока от сети.

Это происходит потому, что конденсатор фильтра заряжается и разряжается не равномерно, что и приводит к снижению коэффициента мощности, — фактически энергия из сети потребляется в течение коротких импульсов, — по одному импульсу тока на каждые пол периода сетевой синусоиды.

В схеме, которая получает питание от такого конденсатора фильтра, данное явление порождает высокие гармонические искажения. А коэффициент мощности у нагрузки, питаемой от такого простого выпрямителя с конденсатором, как правило не превысит и 0,3.

Существует простой «пассивный» способ немного сгладить острые токовые пики, чуть-чуть повысить коэффициент мощности и слегка снизить таким образом гармоники. Способ заключается в добавлении катушки индуктивности между диодным мостом и конденсатором фильтра. Это немного округлит пики в сторону сближения с синусоидальной формой.

Однако и в данном случае коэффициент мощности окажется по-прежнему далеким от единицы (около 0,7), ведь форма потребляемого тока снова совсем не синусоидальна. И когда такого плана потребителей различной мощности к сети подключено много, это становится серьезной проблемой для генерирующей электроэнергию стороны.

Лучший способ повышения коэффициента мощности и снижения гармоник сетевой частоты — применение в импульсных блоках питания относительно простых схем активной коррекции коэффициента мощности (PFC) на базе импульсного повышающего преобразователя типа boost converter. Здесь в схему входного выпрямителя добавляется не только катушка индуктивности, но и полевой транзистор с драйвером и контроллером, а также диод.

В процессе работы схемы активной коррекции коэффициента мощности (active PFC) полевой транзистор быстро переключается между двумя состояниями.

Первое состояние — когда ключ замкнут, дроссель получает питание от выпрямителя, запасает энергию в магнитном поле, при этом диод смещен в обратном направлении, и нагрузка получает питание только от конденсатора фильтра.

Второе состояние — когда транзистор разомкнут, в эту часть цикла диод переходит в проводящее состояние, и дроссель теперь передает энергию к нагрузке и заряжает конденсатор. Такие переключения происходят с частотой в несколько десятков килогерц на каждой полуволне сетевой синусоиды.

Схема управления ключом регулирует длительность промежутков времени, — как долго дроссель подключен к сети и как долго отдает энергию в конденсатор, с тем, чтобы напряжение на конденсаторе поддерживалось на постоянном уровне, как и средний ток дросселя. Данная схема позволяет повысить коэффициент мощности блока питания до 0,98.

Грамотное управление ключом необходимо для того, чтобы ток потребления находился в фазе с переменным напряжением сети. С этой целью контроллер формирует ШИМ сигнал управления затвором полевого транзистора, чтобы на пике синусоиды дроссель получал энергию менее продолжительно, чем вблизи нулевого напряжения (более продолжительно).

Контроллер PFC имеет цепь обратной связи по выходному напряжению (которое сравнивается с опорным и поддерживается постоянным посредством ШИМ) а также датчик входного напряжения и тока дросселя, чтобы точно, в режиме реального времени, отслеживать средний ток дросселя для обеспечения нагрузке максимального коэффициента мощности.