Что такое коррекция коэффициента мощности (PFC)?

Всем привет. Я Роуз. Добро пожаловать в новый пост сегодня. Полное английское название PFC — «Power Factor Correction», что означает «коррекция коэффициента мощности». Коэффициент мощности относится к взаимосвязи между эффективной мощностью и общей потребляемой мощностью (полная мощность), то есть эффективная мощность делится на общую потребляемую мощность. Отношение суммы (полная мощность). По сути, коэффициент мощности может измерять степень эффективного использования электроэнергии. Чем больше значение коэффициента мощности, тем выше коэффициент использования мощности.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Компенсация коэффициента мощности и коррекция коэффициента мощности

Ⅱ. Осциллограммы напряжения и тока в линии электропитания при индуктивной нагрузке

Ⅲ. Опасности емкостных нагрузок

Ⅳ. Как выполнить коррекцию коэффициента мощности

Ⅴ. Принцип активной схемы PFC

Ⅵ. Чопперная часть (импульсный источник питания с коррекцией коэффициента мощности)

Ⅰ. Компенсация коэффициента мощности и коррекция коэффициента мощности

Усовершенствованные подходы к снижению эффективности электроснабжения , вызванному изменением фаз напряжения и тока электроприборов переменного тока с индуктивной нагрузкой (рис. 1), были предложены в 1950-х годах (из-за токового гистерезиса индуктивной нагрузки). Напряжение увеличивает нагрузку на линию электропитания и снижает ее эффективность из-за различных фаз напряжения и тока. Для изменения фазовых характеристик напряжения и тока индуктивного электрического устройства параллельно ему необходимо подключить конденсатор .

Например, конденсатор емкостью 4,75 Ф необходимо в это время подключить параллельно люминесцентной лампе мощностью 40 Вт. Конденсатор подключается параллельно индуктивной нагрузке, и опережающее по току напряжение на его емкости используется для компенсации текущего запаздывающего напряжения на индукторе, приближая общую характеристику к резистивной и тем самым улучшая неэффективность. Регулировка коэффициента мощности (переменного тока) – название методики. Значение косинусной функции cos фазового угла между напряжением источника питания и током нагрузки можно использовать для выражения коэффициента мощности.

Рисунок 1

Ⅱ. Осциллограммы напряжения и тока в линии электропитания при индуктивной нагрузке

Однако с 1980-х годов высокоэффективные импульсные источники питания используются в широком спектре электрооборудования. Нагрузочные характеристики электроприборов являются емкостными, поскольку в импульсном источнике питания после выпрямления используется фильтрующий конденсатор большой емкости . В результате заряда и разряда конденсатора фильтра напряжение постоянного тока на обоих концах конденсатора фильтра имеет слегка пилообразную пульсацию, когда переменный ток 220 В подает питание на электроприбор. Минимальное значение напряжения на конденсаторе фильтра далеко от нуля, а максимальное значение существенно не отличается (пиковая пульсация). Выпрямительный диод включится за счет прямого смещения только тогда, когда мгновенное значение линейного напряжения переменного тока выше, чем напряжение на конденсаторе фильтра, и когда мгновенное значение входного переменного напряжения ниже напряжения на фильтре. конденсатор, в зависимости от однонаправленной проводимости выпрямительного диода. Из-за обратного смещения выпрямительный диод выключается при повышении напряжения.

Другими словами, диод будет включаться только вблизи своего пикового значения в течение каждого полупериода сетевого напряжения переменного тока. Хотя входное напряжение переменного тока в большинстве случаев сохраняет синусоидальную форму, входной ток переменного тока демонстрирует всплески большой амплитуды, как показано на рисунке 2. Эта значительно искаженная форма сигнала тока содержит большое количество гармонических составляющих, что приводит к значительным потерям в коэффициент мощности линии.

Угол проводимости выпрямительного диода существенно меньше 1800 в положительном полупериоде (1800) и всего 300-700 в отрицательном полупериоде (1800). При чрезвычайно узком угле проводимости будет создаваться значительный ток проводимости из-за требования обеспечения мощности нагрузки. Когда мощность линии электропитания недостаточна или нагрузка на цепь велика (рис. 3), подайте импульсный ток источника питания в цепи питания, это не только снижает эффективность источника питания, но также приводит к серьезному искажению формы сигнала переменного напряжения. и генерирует множество гармоник, мешающих нормальной работе других электроприборов (это электромагнитные помехи – ЭМП и электромагнитная совместимость – проблемы ЭМС).

фигура 2

Поскольку в прошлом использовались индуктивные нагрузки (ранние телевизоры, радиоприемники и другие электроприборы использовали индуктивные устройства с силовыми трансформаторами), понятие коррекции коэффициента мощности расширилось и теперь включает выпрямительные и фильтрующие конденсаторы. Проблема различных фаз напряжения и тока особенно проблематична при попытке решить проблемы электромагнитных помех (EMI) и электромагнитной совместимости (EMC), вызванные сильными импульсами тока источника питания.

Это совершенно новая технология, изобретенная на рубеже веков (ее происхождение связано с быстрым развитием и широким применением импульсных источников питания). Его основная цель — преодолеть проблемы электромагнитных помех (EMl) и электромагнитной совместимости (EMC), возникающих из-за чрезмерного искажения формы сигнала тока емкостной нагрузкой. В результате современная технология PFC существенно отличается от предыдущих технологий регулирования коэффициента мощности. Он используется для коррекции несинусоидальных искажений формы сигнала тока, заставляя сетевой ток переменного тока следовать мгновенной траектории изменения формы сигнала напряжения и сохраняя синусоидальность тока и напряжения, создавая видимость чисто резистивной технологии (технология коррекции формы сигнала линейного тока) (мощность факторная коррекция).

В результате современная технология PFC завершает выпрямление формы тока, одновременно решая проблему синфазности напряжения и тока.

Рисунок 3

По причинам, изложенным выше, электроприборы с емкостной нагрузкой, требующие мощность более 85 Вт (по некоторым данным, более 75 Вт), должны включать схему коррекции для исправления характеристик нагрузки и приближения их к характеристикам резистивной нагрузки (формы сигналов напряжения и тока синфазны, а форма волны аналогична). Современная схема коррекции коэффициента мощности (PFC) выглядит следующим образом.

Ⅲ. Опасности емкостных нагрузок

Схема однополупериодного выпрямителя без фильтрующего конденсатора показана на рисунке 4, а схема полупериодного выпрямителя с фильтрующим конденсатором большой емкости - на рисунке 5. На основе этих двух схем исследованы формы сигналов тока в две цепи.

Рисунок 4

Выпрямитель — D, а нагрузка — R в А. Когда цепь подключена к переменному току, на рисунке 4B показана диаграмма формы напряжения и тока в цепи.

В момент времени (001800) t0t3 напряжение равно нулю в момент времени t0 и ток равен нулю; в момент времени t1 напряжение достигает максимума и ток также достигает максимума; в момент времени t3 напряжение равно нулю и ток равен нулю; и в момент времени t3 напряжение равно нулю и ток равен нулю. (Диод имеет проводимость 1800)

Диод смещен в обратном направлении без напряжения и тока в момент (18003600) t3t4: время. (Отсечной диод)

В (36005400) момент времени t4t6 напряжение и ток равны нулю в момент времени t4, напряжение достигает максимума в момент времени t5, ток также достигает максимума, а напряжение и ток оба равны нулю в момент времени t6. (Диод имеет проводимость 1800)

Вывод: В схеме выпрямителя без фильтрующего конденсатора напряжение и ток цепи питания синфазны, а угол проводимости диода равен 1800. Схема цепи питания имеет чисто резистивную нагрузочную характеристику.

Рисунок 5

D — выпрямительная трубка, R — нагрузка, а C — конденсатор фильтра на рисунке 5А. Когда цепь подключена к переменному току, на рисунке 5B показана диаграмма формы напряжения и тока в цепи.

В момент времени (001800) t0t3 напряжение равно нулю в момент времени t1 и ток равен нулю; тем не менее, в момент времени t1 напряжение достигает максимального значения, и ток также достигает максимального значения, поскольку конденсатор C заряжается одновременно с нагрузкой R. В результате величина тока довольно велика. Конденсатор C заряжается в момент времени t1, и напряжение Uc конденсатора приближается к пиковому значению входного переменного тока. Напряжение на правой стороне диода равно Uc в течение t1t3, а напряжение на левой стороне постепенно изменяется от максимального значения в момент t2. Диод смещается в обратном направлении в момент t1t3, когда он падает до нуля, и ток в это время равен нулю. (Для первого положительного полупериода переменного тока угол проводимости диода после добавления фильтрующего конденсатора C составляет 90°.)

Диод смещен в обратном направлении без напряжения и тока в течение периода (18003600) t3t4. (Отсечной диод)

t4t5 at (36004100): Напряжение на C разряжается через нагрузку, поскольку диод имеет обратное смещение в момент t3t4, и напряжение постепенно снижается (величина падения определяется емкостью C и сопротивлением R). Uc снижается очень медленно, если емкость C достаточно велика и сопротивление R также достаточно велико.) В течение t4t5 напряжение на левой стороне диода постепенно возрастает, но напряжение Uc на правой стороне остается постоянным из-за медленного разряда диода. Uc на правой стороне диода. Хотя диод больше левого, он все равно смещен в обратном направлении и закрыт.

При (41005400)t5t7 напряжение на левой стороне диода возрастает и превышает напряжение на правой стороне при t5. Диод включается, чтобы заряжать C и подавать электричество в нагрузку. Через диод протекает значительный ток. Напряжение на левой стороне диода постепенно снижается в момент t6. В течение t6t7 диод снова достигает отсечки обратного смещения, поскольку Uc заряжается до максимального значения.

Вывод: Формы напряжения и тока цепи питания кардинально отличаются в схеме выпрямителя с фильтрующим конденсатором. В течение короткого периода времени форма сигнала тока демонстрирует сильный импульс. Угол проводимости диода менее 1800 градусов (в зависимости от нагрузки R и конденсатора фильтра С). Постоянное время). В течение чрезвычайно короткой продолжительности интенсивного импульса тока в этой цепи наблюдается большое падение напряжения (особенно существенное для линий электропитания с большим внутренним сопротивлением), вызывающее искажение формы сигнала напряжения линии электропитания. Другие электроприборы серьезно страдают от высших гармоник.

Ⅳ. Как выполнить коррекцию коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (PFC):

Телевизор, который мы сейчас используем, оснащен высокоэффективным импульсным источником питания, а во внутренней секции входного питания импульсного источника питания используется схема диодного двухполупериодного выпрямления и фильтра, как показано на рисунке 6А, с формами сигналов напряжения и тока, показанными на рисунке 6А. Рисунок 6Б.

Рисунок 6

6А 6Б

Современные электроприборы более высокой мощности (более 85 Вт) с импульсным источником питания (емкостной нагрузкой) должны использовать меры PFC, такие как PFC, активная PFC и пассивная PFC, чтобы уменьшить искажение формы сигнала тока и повысить коэффициент мощности.

Некоторые производители в настоящее время не используют корректирующие схемы, состоящие из активных элементов, таких как транзисторы. Он в основном состоит из пассивных компонентов, включая диоды, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Добавьте дроссель между выпрямительным мостом и конденсатором фильтра (соответствующий выбор индуктивности) в соответствии с текущими отечественными производителями телевизоров для телевизоров с более высокой мощностью, разработанных в прошлом, используя характеристику, согласно которой ток на дросселе не может резко меняться, чтобы сгладить колебания сильный импульс зарядки конденсатора, улучшение искажения формы волны тока линии электропитания и характеристики индуктивности напряжения le. Электромагнитная совместимость и электромагнитные помехи являются факторами, которые можно улучшить, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7

Хотя эта схема является базовой, вы можете просто добавить достаточную индуктивность (соответственно выбрав значения L и C) к оборудованию без функции PFC, разработанному на ранних стадиях для выполнения функции PFC, но это простое и недорогое решение более эффективно. . Выходная пульсация пассивного PFC высока, постоянное напряжение на конденсаторе фильтра низкое, возможности коррекции искажений тока и компенсации коэффициента мощности плохие, а L-обмотка и контроль качества железного сердечника плохие. Серьезные помехи, создаваемые изображением и сопровождающим звуком, можно использовать только в качестве временной меры для скорейшего вывода на рынок без оборудования PFC.

Ⅴ. Принцип активной схемы PFC

Активная PFC оказывает благоприятный эффект; он может практически полностью устранить искажение формы сигнала тока и обеспечить согласованность фазы напряжения и тока; он может полностью решить проблемы коэффициента мощности, электромагнитной совместимости и электромагнитных помех. Однако схема чрезвычайно сложна. После установки выпрямительного моста на 220 В основная идея состоит в том, чтобы удалить конденсатор фильтра (чтобы устранить искажение формы сигнала тока и изменение фазы, вызванное зарядкой конденсатора). При удалении конденсатора фильтра образуется «прерыватель». Пульсирующий постоянный ток преобразуется в высокочастотный (около 100 К) переменный ток, а затем напряжение постоянного тока после выпрямления и фильтрации подается в традиционный импульсный стабилизированный источник питания с ШИМ. Процесс следующий: AC→DC→AC→DC.

Основная идея активной коррекции коэффициента мощности заключается в установке прерывателя постоянного тока между цепью выпрямителя импульсного источника питания и конденсатором фильтра. Рисунок 8 (дополнительный импульсный источник питания). Поскольку выход схемы выпрямителя не подключен напрямую к конденсатору фильтра линии электропитания, он обеспечивает полностью резистивную нагрузку на линию электропитания, а ее формы напряжения и тока синфазны. Работа схемы прерывателя также аналогична импульсному источнику питания. В результате активный импульсный источник питания с коррекцией коэффициента мощности представляет собой схему источника питания с двойной коммутацией, состоящую из прерывателя (получившего название «импульсный источник питания с коррекцией коэффициента мощности») и регулируемого импульсного источника питания (в дальнейшем называемого «импульсный источник питания с ШИМ»). .

Рисунок 8

Ⅵ. Чопперная часть (импульсный источник питания с коррекцией коэффициента мощности)

После выпрямления выпрямительного диода конденсатор фильтра не добавляется, а нефильтрованное пульсирующее напряжение положительного полупериода используется в качестве источника питания прерывателя. В результате серии «переключений» прерывателя пульсирующее положительное напряжение «нарезается» на рисунок 9. Характеристики формы сигнала тока:

1. Форма сигнала тока является прерывистой, его огибающая такая же, как форма волны напряжения, а фаза огибающей и форма волны напряжения одинаковы.

2. Из-за эффекта прерывания полуволновая пульсирующая мощность постоянного тока становится высокочастотной (определяемой частотой прерывания, около 100 кГц) мощностью «переменного тока». Эту высокочастотную мощность «переменного тока» необходимо снова выпрямить, прежде чем ее можно будет стабилизировать последующим переключателем ШИМ. Используется источник напряжения.

3. С общей точки зрения внешнего источника питания, энергосистема обеспечивает синусоидальность переменного напряжения и переменного тока, а формы напряжения и тока соответствуют синусоидальной форме сигнала, что не только решает проблему компенсации коэффициента мощности, но также решает проблему электромагнитной совместимости (EMC) и электромагнитных помех (EMI).

Эта высокочастотная мощность переменного тока выпрямляется выпрямительным диодом и фильтруется в напряжение постоянного тока (источник питания) для подачи питания на последующий импульсный источник питания с ШИМ. Это постоянное напряжение в некоторых материалах называется B+PFC (в данном случае TPW-4211). Выходное напряжение B+PFC прерывателя обычно выше, чем у исходного выпрямителя переменного тока 220 В с фильтрацией +300 В. Причина в том, что необходимо выбрать высокое напряжение, диаметр провода индуктивности небольшой, падение линейного напряжения небольшое, емкость фильтрующего конденсатора небольшая, эффект фильтрации хороший, он имеет много преимуществ, таких как низкие требования к нисходящему ШИМ. трубка переключателя. Черный — форма сигнала напряжения, красная пунктирная линия — форма сигнала огибающей тока.

Рисунок 9

В настоящее время в части импульсного источника питания PFC трубка прерывателя (K), которая играет роль переключателя, имеет два режима работы:

1. Режим непрерывной проводимости (CCM): рабочая частота переключающей трубки постоянна, а рабочий цикл (коэффициент) проводимости изменяется в зависимости от амплитуды прерываемого напряжения, как показано на рисунке 10. Положения T1 и T2 на На рисунках: T1 находится в области низкого напряжения прерываемого напряжения (полупериод), T2 находится в области высокого напряжения прерываемого напряжения, T1 (время) = T2 (время). Из рисунка видно, что все времена циклов переключения равны. Это показывает, что при любой амплитуде прерывающего напряжения рабочая частота прерывателя остается неизменной, как видно из рисунка 10; рабочий цикл каждого цикла прерывания различен в области высокого напряжения и области низкого напряжения (T1 Время такое же, как и T2, но ширина нарастающего импульса другая), когда напряжение прерывания равно нулю (нет напряжение), частота прерывания остается прежней, поэтому его называют режимом непрерывной проводимости (CCM). Этот режим обычно используется на оборудовании мощностью 250–2000 Вт.

Рисунок 10

2. Режим прерывистой проводимости (DCM). Рабочая частота прерывателя переключателя изменяется в зависимости от величины прерываемого напряжения (время включения и выключения в каждом цикле переключения одинаково. Как показано на рисунке 11: T1 и Время T2 различно, Это также отражает то, что частота прерывания также изменяется с изменением амплитуды напряжения.Напряжение прерывания равно нулю, и переключатель останавливается (колебания прекращаются), поэтому это называется режимом прерывистой проводимости (DCM), то есть есть прерывание входного напряжения. Лампа работает, трубка-прерыватель не работает без входного напряжения. Обычно используется в маломощном оборудовании ниже 250 Вт.

Рисунок 11

(3) Критический режим проводимости (CRM) или переходный режим (TCM):

Работа ведется между CCM и DCM, и работа ближе к режиму DCM. После окончания последнего периода проводимости и перед следующим периодом проводимости ток дросселя упадет до нуля, а частота будет меняться в зависимости от напряжения сети и изменений нагрузки.

Преимущества: дешевый чип, простота конструкции, отсутствие потерь проводимости ключа, выбор повышающего диода не имеет решающего значения;

Недостатки: Из-за изменений частоты возникают потенциальные проблемы с электромагнитными помехами, поэтому требуется точно спроектированный входной фильтр.

Frequently Asked Questions

1. Что такое ПФК?

PFC (коррекция коэффициента мощности) относится к коррекции коэффициента мощности, которая в основном используется для характеристики эффективности использования электрической энергии электронными продуктами. Чем выше коэффициент мощности, тем выше эффективность использования электрической энергии.

2. В чем разница между активным PFC и пассивным PFC?

Разница между ними заключается в том, что пассивная технология PFC обычно использует компенсацию индуктивности для уменьшения разности фаз между основным током и напряжением входного переменного тока и увеличения коэффициента мощности. Однако коэффициент мощности пассивного PFC не очень высок и может достигать лишь около 0,7-0,8. Активный PFC состоит из катушек индуктивности, конденсаторов и электронных компонентов. Он имеет небольшой размер и может обеспечить высокий коэффициент мощности, но стоимость выше, чем у пассивного PFC.

3. Какова роль схемы PFC в импульсном источнике питания?

Импульсный источник питания представляет собой схему с конденсаторным входом. Разность фаз между его током и напряжением приведет к потере обменной мощности. В настоящее время необходима схема PFC для улучшения коэффициента мощности.