Корректор коэффициента мощности: Корректор коэффициента мощности блока питания APFC — что это и зачем он нужен | Блоки питания компьютера | Блог

Корректор коэффициента мощности блока питания APFC — что это и зачем он нужен | Блоки питания компьютера | Блог

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.

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.

Корректоры коэффициента мощности однофазных источников питания

Назначение

и функциональные особенности

Необходимость применения корректора коэффициента мощности (ККМ) в структуре источников бесперебойного питания (ИБП) переменного тока диктуется требованиями к электромагнитной совместимости (ЭМС) с сетью [1]. Высшие гармоники тока,
создаваемые ИБП как объектом с нелинейной входной характеристикой, могут представлять собой серьезные проблемы ЭМС для систем электроснабжения, так как возникают высшие гармонические составляющие с частотами, кратными основной частоте
сети. Отметим, что искажение синусоидальности тока влияет также на форму напряжения питания других потребителей, подключенных к тому же сетевому фидеру. Предельно допустимые значения гармонических составляющих напряжения в точке общего
подключения к электрическим сетям с номинальным
напряжением 380 В не должны превышать 5% для
третьей и 6% для пятой гармоник. Среди основных
способов подавления высших гармоник — использование корректоров коэффициента мощности
в структурах однофазных ИБП [2]. Обладая свойствами бустера — преобразователя повышенного постоянного напряжения, ККМ-бустер выполняет следующие функции:

• обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети и имеющего практически синусоидальную форму независимо
  от характера нагрузки ИБП, благодаря чему входной
  коэффициент мощности близок к единице;
• осуществляет преобразование напряжения сети
  переменного тока в напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным
  напряжением постоянного тока 700–800 В.

Классификация однофазных ККМ

В основе однофазной структуры ККМ (рис. 1) используется повышающий преобразователь напряжения — AC/DC-бустер, содержащий индуктивный
накопитель (дроссель) L, двунаправленный коммутатор (ДК) и удвоитель напряжения (УН) (рис. 2а).

В зависимости от реализации схемы двунаправленного коммутатора можно дать следующую классификацию структур однофазных ККМ:

• структуры на основе двухполюсного двунаправленного ключа;
• дифференциальная структура;
• полумостовая структура.

Рассмотрим подробнее особенности построения каждой из структур ККМ. Так как в настоящее время идеального двунаправленного коммутатора переменного
тока не существует, то его реализация связана с использованием однонаправленных полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов). Возможны следующие
пути создания двунаправленных ключей [3].

Для диодного мостового ключа необходим один
управляемый прибор (обычно IGBT) и, соответственно, один драйвер управления (рис. 2б). Очевидный недостаток такого коммутатора — это
последовательное включение трех полупроводниковых приборов, что увеличивает суммарные статические потери в ключе. Кроме
того, транзистор создает цепь проводимости
тока при обеих полярностях напряжения сети и, следовательно, не может управлять отдельно направлениями входного тока. Тем
не менее, в настоящее время такое решение

в силу простоты реализации используется
многими производителями ИБП малой мощности (1–3 кВ·А).

Встречно включенные транзисторы и диоды представляют вторую реализацию двунаправленных ключей (рис. 2в). В этом случае
можно контролировать протекание тока при
изменении полярности входного напряжения,
что обеспечивает безопасную коммутацию тока. Кроме того, снижаются потери на проводимость, так как в данный момент времени
открыты только два последовательно включенных прибора (транзистор и диод). Для таких коммутаторов необходимы два изолированных источника питания драйверов управления IGBT-транзисторов.

Антипараллельное включение транзисторов представляет третью конфигурацию двунаправленного ключа. Встречно-параллельное включение обычных IGBT требует дополнительных последовательно включенных
диодов в цепи коллекторов транзисторов. Это
необходимо, так как обычные IGBT, выполненные по NРT-структуре, могут блокировать
обратное напряжение не выше 20 В. Новые

структуры RB-IGBT (Reverse Blocking IGBT)
ключей позволяют исключить диоды и иметь
симметричные вольт-амперные характеристики при обеих полярностях напряжения.
Основное преимущество такого двунаправленного ключа — это уменьшение числа полупроводниковых приборов и, следовательно, снижение потерь на проводимость, так как
только один прибор проводит ток в данное
время (рис. 2г). Современные RB-IGBT ключи позволяют работать при напряжениях
до 1200 В и токах до 100 А. Падение напряжения на открытых RB-IGBT ключах составляет
3 В. Для сравнения отметим, что при использовании обычного IGBT четвертого поколения с последовательным диодом это напряжение составляет 3,8 В.

Силовые транзисторы двунаправленных
коммутаторов управляются сигналом с широтно-импульсной модуляцией (20–40 кГц) с помощью специализированных микросхем —
ШИМ-контроллеров (типа UC 3854), на входы
которых поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению (

u₁), входному току (i₁) и напряжению на выходе ККМ (U₂). Кроме этих сигналов, на ШИМ-контроллер поступает сигнал управления (вкл/выкл) ККМ
от центрального микроконтроллера платы
управления ИБП. Сигнал ШИМ поступает
на затвор IGBT-транзистора через узел сопряжения (оптопару типа TLP 250), обеспечивающий необходимое усиление сигнала и гальваническую развязку цепи управления и силовой цепи транзистора. Формы напряжения и тока
транзистора диодного ключа приведены на рис. 3.
На накопительных конденсаторах шины постоянного тока С₁, С₂ формируется высоковольтное стабилизированное постоянное напряжение, необходимое для питания инвертора U₂ = +/–350 В.

Дифференциальная структура ККМ выполнена на IGBT-транзисторах VT1, VT2 c использованием одного (рис. 4а) или двух дросселей L1,
L2 (рис. 4б). С помощью транзистора положительного плеча бустера (VT1) обеспечивается

повышение и стабилизация напряжения на положительной шине постоянного тока в течение одного полупериода сетевого напряжения.
С помощью транзистора отрицательного плеча бустера (VT2) в течение другого полупериода происходит повышение и стабилизация выходного напряжения бустера на отрицательной
шине относительно общей шины. Применение
дифференциальной схемы с двумя индуктивными накопителями позволяет снизить потери мощности в обмотках дросселей за счет
уменьшения в два раза токовой нагрузки
на каждом из них. Такие схемы ККМ нашли широкое применение в ИБП мощностью более
5 кВ·А. Регулировочные характеристики бустера дифференциальной структуры ККМ обеспечивают широкий диапазон изменения входного напряжения при номинальной нагрузке (таблица). При этом снижение нагрузки до 30%
от номинального значения обеспечивает минимальное входное напряжение 120 В.

Полумостовая структура ККМ (рис. 4в) является частным случаем применения управляемого мостового ШИМ-выпрямителя, обычно используемого при трехфазном входном

напряжении. Такие структуры имеют ряд недостатков, среди которых: повышенное напряжение на закрытых ключах и амплитуды гармоник на частоте коммутации, пониженное
значение КПД, сложные алгоритмы управления, требующие информацию о фазе входного напряжения. Мостовые ШИМ-выпрямители, выполненные на шести IGBT, обеспечивают высокие значения входного коэффициента
мощности и находят применение в ИБП средней мощности с трехфазным входом и однофазным выходом.

Таблица. Допустимый диапазон входных напряжений однофазных ККМ

Производитель	Модель ИБП	Мощность, кВ·А	Структура ККМ	Входное напряжение*, В	КР вх**	Напряжение DC-шины, В
Powerware	PW9120	1; 1,5; 2; 3	Мостовой ключ	160–276	0,95–0,97	720
		5; 6	Дифференциальная	184–276	0,99
Liebert	GXT-2U	1; 2; 3	Мостовой ключ	160–280	0,95–0,97	700
	GXT	6; 10	Дифференциальная	160–280	0,97	700
	Nfinity	4; 8; 12; 16	Дифференциальная	170–256	0,98	800
Электромаш	ИДП1	1; 2; 3	Мостовой ключ	160–280	0,95–0,97	700
		6; 10	Дифференциальная
GE Digital Energy	VH	1; 1,5; 2; 3	Мостовой ключ	160–280	0,95–0,97	н/д

Примечание: * — при 100% нагрузки; ** — при номинальном входном напряжении.

Параметры индуктивных

и емкостных накопителей ККМ

Величина индуктивности дросселя влияет
на безразрывный характер входного тока,
определяет необходимый запас энергии для
подзаряда накопительных конденсаторов ККМ
и может быть найдена по следующему соотношению [4]:

где U_1max — максимальное действующее значение входного напряжения, U₂ — выходное напряжение, P₂ — выходная мощность, η — КПД

ККМ, f_k — частота коммутации транзисторов.

Величина емкости накопительных конденсаторов С₁ = С₂ выбирается из соотношения:

где ΔU₂ — пульсация выходного напряжения,
которая не должна превышать (0,5–1,0)% U₂ [6],
f₁ — частота входного напряжения (50 Гц).

Обычно емкостной накопитель выбирается
из расчета 330–470 мкФ на каждый 1 кВт выходной мощности ИБП малой мощности для
обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения. На примере ИБП мощностью 3 кВ·А значение электрической энергии,
запасаемой в накопительных конденсаторах
ККМ, составит:

где С_эк — эквивалентная емкость последовательно включенных конденсаторов, которая составляет С_эк = 0,5С₁ = 0,5(470 × 3) = 705 мкФ;
U₂ = 700 В— выходное напряжение ККМ.

Эта энергия за период выходного напряжения ИБП Т = 0,02 с может обеспечить мощность
нагрузки более 8,5 кВт. Значительный запас
энергии питания инвертора ИБП и высокое
быстродействие его системы управления обеспечивают высокие динамические свойства. Значения динамических параметров — величина
отклонения выходного напряжения от номинального значения и время восстановления статической точности поддержания выходного напряжения при 100% набросе (сбросе) нагрузки
для однофазных ИБП (3–20 кВ·А) — составляют соответственно: +/–5%, 10 мс.

Энергетические показатели ККМ

Входной коэффициент мощности К_{Р вх} характеризует эффективность потребления энергии от сети и представляет отношение активной входной мощности ККМ к полной:

где φ1 — фазовый сдвиг между основными
гармониками входного напряжения и тока,

K_ни — коэффициент нелинейности,
I₁ — действующее значение первой (основной)
гармоники тока,

— действующее значение несинусоидального периодического тока, I_n — действующее значение n-й гармоники тока, n —
порядок высшей гармоники тока.

Коэффициент нелинейности, влияющий
на значение коэффициента мощности, может
быть представлен через коэффициент искажения синусоидальности входного тока.

Коэффициент искажения синусоидальности характеризует степень отклонения формы
периодической кривой тока от синусоидальной:

Коэффициент полезного действия ККМ
представляет отношение выходной активной
мощности к активной мощности, потребляемой из сети:

На рис. 5 представлены результаты экспериментального исследования энергетических характеристик однофазных ИБП — входной коэффициент мощности (рис. 5а) и КПД (рис. 5б) —
в функции относительной нагрузки при различных значениях входного напряжения U₁.
Судя по рис. 5а, входной коэффициент мощности повышается при снижении входного напряжения. Это объясняется тем, что при уменьшении U₁ для обеспечения требуемой мощности нагрузки растет основная гармоника
входного тока I₁, что уменьшает коэффициент
искажения синусоидальности и, как следствие,
увеличивается составляющая коэффициента
мощности К_ни в выражении (3).

Величина КПД в функции степени загрузки ККМ (рис. 5б) зависит от величины входного напряжения. С уменьшением U₁ растет
значение тока I₁, что приводит к росту потерь
в силовой цепи ККМ. Экспериментальные исследования показали, что КПД дифференциальной структуры ККМ выше по сравнению
с двунаправленным коммутатором на основе
диодного ключа. Полученные результаты подтверждаются также опытными данными, приведенными в работе по анализу ИБП малой
мощности [5].

Заключение

• ККМ в структуре ИБП является основным
  звеном, определяющим как эффективность,
  так и надежность системы в целом.
• ККМ сдиодным ключом находит широкое применение в ИБП малой мощности (1–3 кВ·А).
• Дифференциальные структуры ККМ являются основой для ИБП средней мощности
  (5–20 кВ·А).
• Эффективность ККМ во многом определяется оптимальностью алгоритма ШИМ-управления при использовании DSP-контроллера.
• Развитие технологии построения ККМ
  с двунаправленным коммутатором на основе RB-IGBT станет новым шагом в создании
  высокоэффективных структур ККМ для
  ИБП средней мощности.

Литература

1. Климов В., Климов И., Смирнов В. Вопросы электромагнитной совместимости систем бесперебойного питания // Электронные компоненты. 2006. № 2.
2. Климов В. Современные источники бесперебойного питания: классификация и структуры однофазных ИДП. Часть 1 // Электронные компоненты. 2008. № 6.
3. Климов В., Климова С. Двунаправленные
   ключи в матричных структурах преобразователей переменного тока // Силовая электроника. 2008. № 4.
4. L6561 Enhanced Transition Mode Power
   Factor Corrector. Application Note AN966:
   www.st.com.
5. Su G. J., Adams D. J. Comparative Study of
   Power Factor Correction Converters for Single
   Phase Half-Bridge Inverters. Oak Ridge National
   Laboratory, USA, 2001.
6. AC UPS System Guide Specification:
   www.gutor.com/pdf/EN_AC_UPS.pdf.

Корректор коэффициента мощности блока питания APFC — Ozon Клуб

Реактивная мощность БП

В блоках питания для обеспечения стабильности напряжения используются емкие конденсаторы. Они обуславливают формирование значительного уровня реактивной мощности ПК. Коэффициент мощности в устройствах составляет 0,7, что предполагает использование проводки с запасом прочности от 30%. Питание проходит по схеме с непостоянной амплитудой, что негативно воздействует на элементы, уменьшая их ресурс.

В блоках нередко используют компоненты, подобранные без учета запаса по силе тока. Чрезмерная нагрузка выводит элементы из строя и приводит к поломке такого оборудования. Для минимизации негативного влияния реактивных мощностей нужен корректор.

Реактивное напряжение не выполняет полезную работу, передвигаясь от генератора к нагрузке, но при этом нагревает провода. Интенсивный нагрев и регулярные перегрузки приводят к перегоранию отдельных элементов электрической цепи или нарушению целостности обмоток проводов.

Коэффициент мощности — что это?

Коэффициентом мощности (КМ или PF) называют отношение активной питающей электрической мощности к полной. Без PF не удастся правильно вычислить параметры нагрузки в сети. PF указывает на то, какова эффективность использования сети блоком питания компьютера.

Без стороннего вмешательства показатель не достигает единицы как максимально полезного значения. PF исправляется PFC — он стремится повысить PF, тем самым уменьшить количество незадействованной мощности, исключить бесполезный оборот энергии.

Для чего нужна корректировка коэффициента

Неиспользованная мощность не фиксируется приборами учета, так что пользователи не платят за подобные траты энергии. Однако это напряжение постоянно перемещается по кабелям, разъемам и контактам, бессмысленно перегружая их.

Для одного пользователя перегрузка сети не так критична, особенно если в технике используется новая функционирующая проводка. Здесь превышения нагрузки оказываются практически не заметными. Но это только в пределах одной квартиры. При рассмотрении общей системы для большого офиса, здания, города или страны лишняя нагрузка будет ощутимой. Там потребление тока исчисляется сотнями Ампер.

Еще одной причиной использовать PFC является непродуманная система конденсатора большой емкости. Он неравномерно потребляет электрический ток, накапливая напряжение в определенные моменты. Когда конденсатор активируется, появляется реактивный бросок тока, искажающий напряжение. Большинство аппаратов рассчитаны на работу с идеальной синусоидой, так что даже небольшие отклонения могут негативно сказаться на состоянии оборудования.

Разновидности блоков питания с ККМ

БП с корректировкой коэффициента мощности делят на две большие группы, по типу встроенного ККМ.

• Пассивный — система оснащена дросселем.

Дроссель — компонент с сопротивлением, по действию противоположный реактивной работе конденсаторов. С его помощью удается снизить негативное влияние реактивных усилий, компенсируя появляющиеся в момент заряда всплески. Коэффициент мощности при этом немного увеличивается, наблюдается стабилизация входного напряжения на блоке стабилизаторов.

• Активный — в БК встроен источник питания импульсного типа, повышающий напряжение.

Активная схема ККМ рассчитана на увеличение коэффициента до 0.95, приблизив его к идеалу. Такая система оказывается устойчивой к перепадам напряжения в сети и способна некоторое время работать на заряде встроенных в схему конденсаторов. Такое решение обойдется дороже обычного пассивного корректора.

На рынке представлены блоки питания разных конфигураций как со встроенной коррекцией, так и без нее. Необходимость PFC в каждом конкретном случае определяется индивидуально. Надо понимать особенности использования компьютера. Например, на игровых сборках компонент будет полезен, но необязателен.

За счет снижения уровня помех БП с корректорами удобно применять с периферией, направленной на работу с аналоговыми сигналами. Компьютер с подобным БП станет отличным дополнением для звукозаписывающей студии. Даже начинающим музыкантам рекомендуется оснащать сборки такими БП с корректорами, поскольку это позволит нейтрализовать помехи, а также получить чистое звучание на выходе.

Принцип работы

APFC — система активной коррекции коэффициента. В состав конструкции входят электронные компоненты, требующие отдельного питания. Внутри, помимо стандартного импульсного блока, расположен стабилизатор напряжения.

Принцип действия предполагает накопление электрической энергии в дросселе и передачу ее на нагрузку, когда это потребуется. Использование дросселя приводит к тому, что ток сети отстает от напряжения, а когда напряжение в сети пропадает, проявляется самоиндукция. Причем напряжение самоиндукции нередко приближено к двойному начальному. Так удается работать от малого напряжения в исходной сети.

В задачи активного ККМ входит разделение тока и его точное дозирование через дроссель. APFC должен удерживать 410 В на выходе даже при нестабильности внешних условий и показателей питающей сети.

Процессы внутри блока питания управляются при помощи схемы контроля. Регулировка самоиндукции осуществляется при помощи транзисторов, открывающихся в определенное время. Момент связан с периодом накопления энергии в компонентах системы.

Плюсы и минусы APFC

К преимуществам использования активного ККМ относят:

• увеличение коэффициента мощности до 0,9 и выше
• возможность работать в нестабильной сети с изменяющимся уровнем напряжения
• устойчивость к помехам
• получение стабильного напряжения на выходе
• незначительные пульсации выходного сигнала
• компактные фильтры, работающие на 200 КГц
• увеличение КПД. Активные ККМ не влияют напрямую на КПД техники, но они снижают потери в потреблении тока, что в целом повышает полезность действий системы
• снижение помех, которые передаются в общую сеть
• экономия электроэнергии
• снятие чрезмерной нагрузки с проводки
• можно отказаться от использования UPS при запуске компьютеров от батарей и бесперебойников.

Недостатки системы:

• высокая стоимость блоков питания с хорошими APFC
• сложная диагностика и ремонт оборудования
• высокая цена на запчасти не всегда оправдывает проведение ремонтных работ
• чувствительность к большому пусковому току от бесперебойников.

Энергоэффективность оборудования

В контроле эффективности БП для компьютеров используется программа сертификации 80 PLUS, включенная в международный стандарт энергоэффективности электрических приборов. 80 PLUS оценивает технику по PF и КПД, присваивая класс уровня энергоэффективности. Стандарт указывает на необходимость добиться высоких показателей мощности при определенной нагрузке. Чтобы получить первый уровень 80 PLUS устройства должны иметь КПД 80% и PF не менее 0,8. Для максимального 80 PLUS Titanium нужен КПД от 90% и PF не менее 0,95.

Получить такие показатели в PF можно исключительно при помощи корректоров. Причем наибольшей эффективностью обладает активный ККМ. Он устойчив к кратковременным провалам сетевого напряжения и помогают даже при небольшом входном напряжении получить нужный показатель на выходе.

Выбор в пользу блока питания с APFC представляется удачным решением, помогающим сохранить работоспособность элементов компьютера и питающей сети.

Пассивные корректоры коэффициента мощности для однофазных и трехфазных модулей питания — Компоненты и технологии

Сетевые источники вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом (БТВ), благодаря высоким энергетическим и массо-габаритным
характеристикам, за последние 20 лет практически вытеснили традиционные. В то же
время возникли две серьезные проблемы, связанные с применением таких ИВЭП. Первая
связана с тем, что теперь в состав радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) входит новый
мощный генератор радиопомех, который заметно ухудшил электромагнитную обстановку. Чтобы уменьшить помехи в блоках питания на основе ИВЭП с БТВ, используются
фильтры радиопомех (ФРП), как во входных,
так и в выходных цепях, которые занимают
до 10% объема блока [1].

Еще одна проблема таких ИВЭП связана
с импульсным потреблением тока. В ИВЭП
с БТВ входной выпрямитель с емкостным
фильтром потребляет от сети импульсный
ток длительностью всего 0,25–0,3 полупериода при соответствующем увеличении его
амплитуды. Несинусоидальный характер потребляемого тока вызывает искажения формы кривой напряжения питающей сети, причем наиболее остро это проявляется в сетях
ограниченной мощности, к которым относятся системы электроснабжения (СЭС) автономных объектов. Известно, что такие СЭС
строятся на основе встроенных электроагрегатов, прицепных электростанций, электроустановок с отбором мощности, значение которой выбирается соизмеримым с мощностью, потребляемой РЭА.

С искажениями формы кривой напряжения
первичных источников ограниченной мощности разработчики РЭА сталкивались и раньше,
при применении трансформаторных выпрямительных устройств. Обычным требованием
было использование выпрямительных нагрузок, которые составляли не более 20–30% от
мощности первичных источников. Внедрение
ИВЭП с БТВ резко обострило эту проблему.

Искажения формы кривой напряжения
питающей сети не только нарушают функционирование других потребителей, подключаемых параллельно с ИВЭП с БТВ к ЭА,
но и нарушают работу самого источника.
Форма напряжения на выходе ЭА при работе на ИВЭП с БТВ соизмеримой мощности
становится трапецеидальной. Регулятор ЭА
старается поддержать среднее значение этого напряжения на уровне среднего значения
напряжения синусоидальной формы. В результате значительно возрастают токи намагничивания сетевых трансформаторов в сервисных источниках ИВЭП с БТВ, которые перегреваются и выходят из строя.

При импульсном потреблении тока также резко возрастает мощность искажений.
Коэффициент мощности ИВЭП с БТВ не превышает значения 0,7. На стационарных объектах, где применяются десятки ПК с такими
ИВЭП, из-за дополнительной мощности
искажений приходится увеличивать мощность силового ввода. Например, для питания десяти автоматизированных рабочих
мест с персональными компьютерами требуется мощность порядка 3 кВт. При этом от
сети будет одновременно потребляться активная мощность 3 кВт и мощность искажения 1,5 кВА, которая по последствиям равна
реактивной мощности. При этом должен
быть установлен силовой ввод, рассчитанный на мощность 3,35 кВА. В США именно
эта мощность учитывается при оплате электроэнергии автономного объекта.

Имеется еще одна причина, из-за которой
потребляемый ток в стационарных объектах
должен быть синусоидальным. В большинстве зданий проложен нейтральный провод
меньшего сечения, чем фазный. При нагрузках с низким коэффициентом мощности нейтральный провод, в котором высшие гармоники суммируются, перегружается и сгорает.

По перечисленным причинам Международная электротехническая комиссия (МЭК)
с 1992 года ввела стандарт 552-2, требующий
обязательной коррекции коэффициента
мощности (æ) для потребителей мощностью
более 200 Вт.

Чтобы обеспечить синусоидальную форму потребляемого тока, на входе ИВЭП с БТВ
устанавливают активные или пассивные корректоры коэффициента æ. Активные корректоры, построенные на основе транзисторных
высокочастотных преобразователей, позволяют получить высокий коэффициент мощности (более 0,98) и имеют КПД от 96 до 98%.
Но сложность активных корректоров снижает надежность и увеличивает стоимость
ИВЭП в целом. Возрастают и радиопомехи.
Поэтому необходимо исследовать пассивные
корректоры, которые просты и надежны, так
как состоят из одного дросселя и нескольких
конденсаторов, а также привлекательны благодаря их низкой цене.

На рис. 1 показан корректор [2], в котором
элементы были оптимизированы на математической модели с целью получения максимального коэффициента мощности.

Рис. 1. Принципиальная схема корректора коэффициента мощности

По результатам оптимизации для расчета
L и C могут быть рекомендованы следующие
выражения:

где С = С₁+С₂, мкФ.

Расчеты элементов корректора по соотношениям (1, 2) позволяют получить максимальный коэффициент æ, равный 0,98.

Контур LC настроен на третью гармонику
150 Гц с небольшой расстройкой (≈10%) с целью лучшей фильтрации высших гармоник.

Расчетный параметр L×I² использован для
определения объема стали Э330 сердечника
V дросселя L. Данные расчета LC-корректоров на мощность 400, 800, 1200 Вт сведены
в таблицу 1.

Таблица 1. Данные расчета LC-корректоров
на мощность 400, 800, 1200 Вт

Pном	Rн	XL	L	С	I	L×I2	Vст	С3
Вт	Ом	Ом	мГн	мкФ	А	ВА	см2	мкФ
400	234	28,08	88,4	12,7	2,2	0,428	82	200
800	117	14,04	44,2	25,5	4,4	0,86	196	400
1200	78	9,36	30	37,5	6,6	1,3	300	600

В результате математического моделирования получены значения выходного напряжения моста U₀ для номинальной мощности
Р_ном и для 0,1×Р_ном и определена форма входного тока (рис. 2). Все корректоры обеспечивают коэффициент мощности >0,98.

Рис. 2. а) Входной ток; б) напряжение на выходе корректора мощности Рном;
в) напряжение на выходе корректора мощности 0,1×Рном

Для дросселя L необходимо применять ленточные сердечники с зазором, так как ток основной гармоники является подмагничивающим для дросселя, фильтрующего третью
гармонику, или торы с порошкообразными
сердечниками. При создании опытного образца для дросселя использованы замкнутые
магнитопроводы из многослойного железа
фирмы EPCOS, у которых магнитная проницаемость постоянна в широком диапазоне изменений напряженности магнитного поля,
а также перспективные конденсаторы MRP.

Правильное построение корректора предполагает компромисс между массой, которая
определяется дросселем, и стоимостью, определяемой величиной С. Уменьшение величины L в контуре на третью гармонику вызывает ухудшение коэффициента æ и рост
стоимости корректора, хотя вес корректора
снижается. В качестве примера в таблице 2
приведены расчетные значения коэффициента мощности для различных значений индуктивности дросселя при выходной мощности корректора 1200 Вт.

Таблица 2. Расчетные значения коэффициента
мощности

Индуктивность L, мГн	30	15	10
Емкость C, мкФ	37,5	75	112
Коэффициент мощности æ, %	98,8	95,38	89,64
Коэффициент гармоник Кг	15,5	31,2	49,5

Судя по рис. 2в, при мощности 0,1×Р_ном напряжение на выходе корректора достигает
значения 530 В. Чтобы исключить это перенапряжение, предлагается при малых мощностях отключать конденсаторы С1 и С2 от
контура. Устройство [3], реализующее этот
принцип, содержит дроссель фильтра третьей гармоники L1, диодный мост М1, конденсаторы фильтра С1, С2, оптосиммистор V1,
сервисный источник питания (СИП), первый
операционный усилитель ОУ1, источник
опорного напряжения, включающий в себя
сопротивление R1, стабилитрон V2, гистерезисное сопротивление R2, второй операционный усилитель ОУ2, сопротивления делителя R3, R4 (рис. 3).

Рис. 3. Корректор с защитой от перенапряжения

Устройство работает следующим образом.
При номинальной мощности и при ее уменьшении до 30% напряжение на нагрузке не
превышает расчетных значений. На входе источника подключен фильтр третьей гармоники, состоящий из дросселя L1, конденсаторов С1 и С2, которые соединены с нейтралью через включенный оптосиммистор V1.

При уменьшении мощности нагрузки ниже 30% от номинального значения напряжение на выходе моста М становится выше расчетного значения, а напряжение, поступающее со средней точки делителя R3, R4 на
инверсный вход операционного усилителя
ОУ2, выше, чем опорное напряжение на неинверсном входе операционного усилителя
ОУ1, становится выше опорного напряжения
на неинверсном входе, а его выходное напряжение близко к нулю. Ток через светодиод
прекращается, выключается оптосиммистор
V1 и отключает от дросселя конденсаторы С1
и С2.

Напряжение на выходе моста снижается,
однако наличие гистерезисного сопротивления R2 в операционном усилителе ОУ2 препятствует его новому переключению. Отключение конденсаторов оправдано, так как при
малых нагрузках требования к синусоидальности входного тока сетевых источников питания снижаются, и часто достаточно одного дросселя в фазном проводе, чтобы получить приемлемую форму входного тока.

При увеличении тока нагрузки растет падение напряжения на дросселе L1, напряжение на выходе моста еще более снижается.
В результате вновь переключаются операционные усилители ОУ1, ОУ2, включается оптосиммистор V1, резонансные конденсаторы
С1, С2 подсоединяются к дросселю L1, и входной ток становится близким к синусоидальному за счет фильтрации третьей гармоники.

Рассмотренные пассивные корректоры устанавливаются по требованию заказчика
в блоки питания и источники бесперебойного питания [4] ООО «АЭИЭП» (рис. 4).

Рис. 4. а) Блок питания DG800; б) блок питания VZ1200; в) источник бесперебойного питания ИБП600

В таблице 3 приведены параметры блоков
питания с корректорами.

Наименование	Мощность, Вт	Uвх	Uвых, В	Iвых.макс, А	Кол-во выходных каналов	Габаритные размеры, мм	Масса*, кг
Донник	400	115 В/400 Гц 220 В/50 Гц	12, 15, 18 24, 27, 60	33	1, 2, 3	110×74×217	2,5 (4)
Дягель	800			40	1, 2	152×80×305	3 (5)
Вяз	1200		24, 27, 48, 60	40	1, 2	240×140×385	10 (12,5)
Береза	2000			80	1, 2	230×215×382	12 (17)

* В скобках указан вес блоков с корректором.

Пассивные корректоры практически не уступают по габаритам и КПД активным, хотя
в несколько раз тяжелее. Но следует учесть,
что пассивные корректоры, в отличие от активных, не увеличивают уровни радиопомех,
а, наоборот, подавляют их за счет корректирующего дросселя L1. Это позволяет использовать ИВЭП с БТВ и пассивными корректорами в медицине, технике, связи, измерительной и другой аппаратуре, где требуются
низкие уровни помех.

Похожую проблему приходится решать
и при создании трехфазных ИВЭП с БТВ; хотя получить фазный ток, по форме близкий
к синусоиде, в таких ИВЭП значительно проще. Известно, что в трехфазных ИВЭП в спектре входного тока отсутствуют гармоники,
кратные трем, при этом коэффициент æ традиционного выпрямителя на основе трансформатора и трехфазного моста с LC-фильтром достигает 0,96. Но если на выходе моста оставить только емкость С1 (рис. 5), а такой
конденсатор небольшой емкости необходим
для работы большинства высокочастотных
преобразователей, то коэффициент æ снижается до значения 0,7 [5], а форма фазного тока сильно искажается.

Рис. 5. Трехфазный мост с фильтром С и LC

Но стоит поставить между трехфазным
мостом и конденсатором С1 небольшую индуктивность L1, как коэффициент æ значительно повышается, что объясняется высокой
эффективностью подавления 5 из 7 гармоник
индуктивностью L1, реактивное сопротивление которой хL₁ = ω×L1 растет с увеличением частоты. На рис. 6 представлена зависимость коэффициента мощности фазного тока от значения х*, где х* — нормированная
величина реактивного сопротивления индуктивности L1:

где U₀, I₀ — напряжение и ток на выходе моста.

Рис. 6. Зависимость коэффициента мощности фазного
тока от значения x*

Судя по рис. 6, если значение х* близко к 0,
то коэффициент мощности не превышает 0,7,
а форма фазного тока сильно искажена
(рис. 7а).

Рис. 7. Форма кривой фазной тока для трехфазного
моста, работающего на емкость, с индуктивностью L1:
а) при х* = 0,025%, б) при х* = 2,25%, æ = 0,945,
в) при х* = 2,25% для трехфазного традиционного
ИВЭП с LС)фильтром, æ = 0,945

На рис. 7 значения фазного тока iA нормированы относительно тока I₀ (i_A* = i_A/I₀).

Анализ показывает, что достаточно увеличить величину х* до 2,25%, как коэффициент æ повышается до значения 0,95. На рис. 7б
показана форма фазного тока ИВЭП с БТВ,
значение корректирующей индуктивности
L1 которого посчитано по формуле:

Даже при такой незначительной индуктивности кривые фазного тока и коэффициентов æ ИВЭП с БТВ и традиционного трансформаторного ИВЭП с громоздким LC-фильтром (рис. 7в) практически не отличаются.
Конструктивные расчеты показывают, что
объем дросселя, индуктивность которого рассчитана по формуле (3), не превышает 3–5%
от объема трехфазного ИВЭП с БТВ. Пассивные корректоры устанавлены в большинстве
зарубежных трехфазных ИВЭП с БТВ, мощностью сотни Вт – единицы кВт. На рис. 8 показан такой дроссель, который применила
в трехфазном ИВЭП с БТВ мощностью 900 Вт
фирма Mean Well.

Рис. 8. Внутреннее устройство в ИВЭП
с БТВ мощностью 1 кВт
(стрелкой показан корректирующий дроссель L1)

Корректирующие дроссели устанавливаются в модулях КД 1200М, на базе которых
выпускается блок питания «Береза М» (рис. 9)
мощностью 2000 Вт, рассчитанный на трехфазную сеть 380 В без нулевого провода.

Рис. 9. Блок питания BR2000 («Береза М»)

Если предыдущий блок «Береза» подключался к трехфазной сети по цепи фаза-ноль
и для получения синусоидального входного
тока на входе каждого модуля устанавливался корректор массой ≈3,5 кг, то в блоке «Береза М» реализованы преимущества трехфазного подключения, и для получения такого
же коэффициента æ на входе модуля необходим всего один дроссель с массой 0,8 кг.

Литература

1. Твердов И. и др. Модернизация сетевых фильтров радиопомех на предприятии «АЭИЭП» //
   Электронные компоненты. 2005. № 8.
2. Redl R. Power-factor correction in bridge rectifier
   circuts with inductor and capacitor. APEC, 1995.
3. Твердов И. и др. Устройство коррекции коэффициента мощности. Патент РФ № 2328067,
   2007.
4. Каталог продукции ООО «Александер Электрик
   источники электропитания» на диске, 2008,
   осень.
5. RayW. Effect от supply reactance on power factor.
   APEC, 1998.

9. Корректор коэффициента мощности. Электропитание устройств и систем связи

Категория: Электропитание устройств и систем связи

Корректор коэффициента мощности (ККМ) или буст – конвертор предназначен для активной фильтрации тока сети. ККМ приближает фазовый сдвиг между током и напряжением источника к нулю и формирует синусоидальную форму тока потребляемого от сети. ККМ является промежуточным звеном в схеме импульсного источника питания, включенным между выходом входного выпрямителя и входом конвертора напряжения. Он относится к повышающим импульсным стабилизаторам напряжения, т.к. напряжение на выходе выше, чем напряжение на входе ККМ за счет энергии, накопленной в дросселе L_ккм за период открытого состояния ключа VT.

При подачи управляющего импульса на VT ток протекает по контуру: “+” U₁ через открытый диод выпрямителя; L_ккм; сток- исток полевого транзистора VT; резисторный шунт R_s; открытый диод выпрямителя; “- “ U₁. На интервале открытого состояния ключа происходит нарастание тока в дросселе по линейному закону до достижения некоторой величины, определяемой средневыпрямленным напряжением с учетом коэффициента пропорциональности (U1 = K1· U_зад). Максимальный ток ключа также контролируется на R_s. В блоке K1 происходит сравнение напряжения обратной связи, снимаемого с R_д2 и сигнала с датчика тока (R_s). На интервале паузы происходит спадание тока до нуля по экспоненциальному закону. В момент равенства тока нулю подается импульс управления на VT. В ККМ используется два способа модуляции: широтно- импульсный (ШИМ) и частотно-импульсный (ЧИМ).

Для выполнения дополнительной функции – стабилизации выходного напряжения ККМ вводится дополнительный делитель R_ос1, R_ос2и перемножитель напряжения выпрямленного и выходного ККМ.

При проектировании ККМ необходимо учитывать отклонение входного напряжения сети от номинального уровня. Напряжения на выходе корректора выбирается при максимальном значении коэффициента заполнения таким образом, чтобы при минимальном уровне напряжения сети коэффициент заполнения был не менее 0,2…0,3. При питании от сети 220В, максимальный уровень на выходе корректора равен 400В для обеспечения запаса по регулированию при фильтрации тока сети. При высокой частоте коммутации ключа (50 кГц…1мГц) огибающая по ступенчатому уровню тока первой гармоники приближается к синусоидальной форме, следовательно необходимо выполнять ключевой элемент в схеме ККМ на полевом транзисторе. При использовании корректора в трехфазной сети схема корректора одинаковая в каждой фазе трансформатора.

PF Выпрямитель и корректор коэффициента мощности

PF

Выпрямитель и корректор коэффициента мощности

Модули PF могут оказаться эффективным решением для решения некоторых задач по питанию — данная серия преобразователей AC-DC может использоваться для выпрямления тока и коррекции коэффициента мощности, выдавая 360 В постоянного тока на выходе. Модель PF500A-360 может выдавать до 756 Вт, а PF1000A-360 — до 1512 Вт питаясь от линии с номинальным переменным напряжением 200В. Для достижения большей мощности блоки можно соединять параллельно.

Характеристики и преимущества

• Низкий профиль
• Коэффициент мощности 0.95
• Соответствие EN61000-3-2
• Наличие сигнала Output Good
• Наличие сигнала Inverter Good
• Возможность резервного включения по схеме N+I
• Максимальная выходная мощность 750 или 1500 Ватт

Product Range Information

Скрыть детали

Показать детали

Модель	Мощность (Вт)	Выходные параметры	Исполнение	Статус	Просмотреть техническую документацию в PDF
PF 500A-360a	756	360V / 2.1A	Brick
PF 1000A-360a	1512	360V / 4.2A	Brick

объяснение : Производимая модель

Технические материалы

Связанная информация

Дополнительные материалы

Корректор коэффициента мощности в светодиодных источниках питания от MEAN WELL

28.06.2019

Одним из существенных факторов при выборе источника питания для светодиодного освещения является наличие корректора коэффициента мощности (ККМ), или power factor correction (PFC) в англ. обозначении.

Коэффициент мощности характеризует собой качество потребления энергии из сети электропитания переменного тока, и, чем ниже значение коэффициента мощности, тем хуже качество потребления. Для повышения качества электропотребления применяются различные способы коррекции коэффициента мощности, то есть его повышения до значения, близкого к единице. Все виды импульсных источников электропитания генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и другие электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в электромагнитных помехах, которые могут быть значительными для устройств, подключенных к сети, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках тока со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке должен быть равен нулю) может увеличиться до критического значения. Таким образом, для устранения этих недостатков целесообразно использовать источники питания со встроенным корректором коэффициента мощности. Особенно это требование критично для систем светодиодного освещения средней и большой мощности.

В ассортименте компании «ЧИП и ДИП» есть блоки питания для светодиодных применений, (Рис.1) со встроенным активным корректором коэффициента мощности наиболее востребованных серий – HLG, ELG, LCM и других. Наличие активного корректора коэффициента мощности позволяет достичь значения 0.95 – 0.98 коэффициента мощности, что является очень хорошим показателем, и допускает применять такие источники питания в светодиодных системах различных применений, в том числе для освещения жилых и промышленных объектов, теплиц, крупных площадок и сцен, подсветки зданий и сооружений.

Для светодиодных светильников малой мощности, на практике, используются более простые и бюджетные блоки питания, (Рис.2) которые включают в себя элементы пассивной коррекции. В этом случае коэффициент мощности обычно находится в пределах 0.5 – 0.6, не нормируется, и, зачастую, не указывается в спецификациях на источники питания. Наиболее частое их применение – это подсветка локальных зон, точечное освещение, декоративная подсветка.

Для консультирования или уточнения информации по источникам питания MEAN WELL обращайтесь по адресу электронной почты [email protected].

Практическая коррекция коэффициента мощности | Коэффициент мощности

Когда возникает необходимость исправить низкий коэффициент мощности в системе питания переменного тока, вы, вероятно, не сможете позволить себе знать точную индуктивность нагрузки в генри, чтобы использовать ее для своих расчетов.

Возможно, вам повезло, что у вас есть прибор под названием измеритель коэффициента мощности , который покажет вам коэффициент мощности (число от 0 до 1) и полную мощность (которую можно вычислить, сняв показания вольтметра в вольт. и умножение на показание амперметра в амперах).

В менее благоприятных обстоятельствах вам, возможно, придется использовать осциллограф для сравнения форм сигналов напряжения и тока, измерения фазового сдвига в градусов и вычисления коэффициента мощности по косинусу этого фазового сдвига.

Скорее всего, у вас будет доступ к ваттметру для измерения истинной мощности, показания которого вы можете сравнить с расчетом полной мощности (умножением общего напряжения на измерения полного тока). По значениям истинной и полной мощности вы можете определить реактивную мощность и коэффициент мощности.

Пример проблемы

Давайте рассмотрим пример задачи, чтобы увидеть, как это работает: (Рисунок ниже)

Ваттметр показывает истинную мощность; произведение показаний вольтметра и амперметра дает полную мощность.

Как рассчитать полную мощность в кВА

Во-первых, нам нужно рассчитать полную мощность в кВА. Мы можем сделать это, умножив напряжение нагрузки на ток нагрузки:

Как видим, 2.308 кВА — это намного больше, чем 1,5 кВт, что говорит нам о том, что коэффициент мощности в этой цепи довольно низкий (существенно меньше 1). Теперь рассчитаем коэффициент мощности этой нагрузки, разделив истинную мощность на полную:

Используя это значение коэффициента мощности, мы можем нарисовать треугольник мощности и по нему определить реактивную мощность этой нагрузки: (Рисунок ниже)

Реактивная мощность может быть рассчитана на основе истинной и полной мощности.

Как использовать теорему Пифагора для определения неизвестного количества треугольников

Чтобы определить неизвестную величину треугольника (реактивная мощность), мы используем теорему Пифагора «в обратном направлении», учитывая длину гипотенузы (полная мощность) и длина смежной стороны (истинная мощность):

Как скорректировать коэффициент мощности с помощью конденсатора

Если эта нагрузка представляет собой электродвигатель или большую часть другой промышленной нагрузки переменного тока, она будет иметь запаздывающий (индуктивный) коэффициент мощности, что означает, что нам придется исправить это с помощью конденсатора соответствующего размера, подключенного параллельно. .

Теперь, когда мы знаем количество реактивной мощности (1,754 кВАр), мы можем рассчитать размер конденсатора, необходимый для противодействия ее воздействию:

Округляя этот ответ до 80 мкФ, мы можем поместить конденсатор этого размера в схему и вычислить результаты: (рисунок ниже)

Параллельный конденсатор корректирует запаздывающую (индуктивную) нагрузку.

Конденсатор 80 мкФ будет иметь емкостное реактивное сопротивление 33.157 Ом, что дает ток 7,238 ампер и соответствующую реактивную мощность 1,737 кВАр (для конденсатора только ). Поскольку ток конденсатора на 180 ^o не совпадает по фазе с индуктивным вкладом нагрузки в потребляемый ток, реактивная мощность конденсатора будет напрямую вычитаться из реактивной мощности нагрузки, в результате чего получится:

Эта поправка, конечно, не изменит количество истинной мощности, потребляемой нагрузкой, но приведет к значительному снижению кажущейся мощности и общего тока, потребляемого от источника 240 В: (рисунок ниже)

Треугольник мощности до и после коррекции конденсатора.

Новая полная мощность может быть найдена из истинных и новых значений реактивной мощности, используя стандартную форму теоремы Пифагора:

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Коррекция коэффициента мощности

(PFC) объяснена | Статья

.

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Коэффициент мощности определяется как отношение энергии, которую устройство способно передать на выход, к общему количеству энергии, которое оно принимает от входного источника питания.Это ключевая особенность проектирования электрических устройств, особенно из-за правил, введенных в действие странами и международными организациями, такими как ЕС, которые определяют минимальный коэффициент мощности или максимальный уровень гармоник, которые должно иметь устройство, чтобы работать. продается на европейском рынке.

Причина, по которой эти организации так вкладываются в повышение коэффициента мощности, заключается в том, что низкое качество электроэнергии представляет собой реальную угрозу для энергосистемы, увеличивая тепловые потери и потенциально вызывая перебои в подаче электроэнергии.

Есть две основные причины низкого коэффициента мощности:

• Смещение: Это происходит, когда волны напряжения и тока в цепи не совпадают по фазе, обычно из-за наличия реактивных элементов, таких как катушки индуктивности или конденсаторы.
• Искажение: определяется как изменение исходной формы волны, обычно вызывается нелинейными цепями, такими как выпрямители. Эти нелинейные волны содержат много гармоник, которые искажают напряжение в сети.

Коррекция коэффициента мощности (PFC) — это серия методов, используемых для улучшения коэффициента мощности устройства.

Для устранения проблем смещения обычно используются внешние реактивные компоненты для компенсации полной реактивной мощности схемы.

Для решения проблемы искажения есть два варианта:

• Пассивная коррекция коэффициента мощности (PFC): улучшает коэффициент мощности за счет фильтрации гармоник с помощью пассивных фильтров. Обычно это используется в приложениях с низким энергопотреблением, но этого недостаточно при высокой мощности.
• Активная коррекция коэффициента мощности (PFC): использует переключающий преобразователь для модуляции искаженной волны, чтобы преобразовать ее в синусоидальную волну. Единственные гармоники, присутствующие в новом сигнале, находятся на частоте переключения, поэтому они легко отфильтровываются. Это считается лучшим методом коррекции коэффициента мощности, но добавляет сложности конструкции.

Хорошая схема коррекции коэффициента мощности является важным элементом любого современного дизайна, потому что устройство с плохим коэффициентом мощности будет неэффективным, создаст ненужную нагрузку на сеть и, возможно, вызовет проблемы для остальных подключенных устройств. .

Необходимость коррекции коэффициента мощности (PFC) в источниках питания переменного / постоянного тока

Как обсуждалось в нашей предыдущей статье, источник питания переменного / постоянного тока состоит из нескольких цепей, которые преобразуют входное переменное напряжение в стабильное постоянное напряжение на выходе. Наиболее важной из этих схем является выпрямитель, который отвечает за преобразование переменного напряжения в постоянное; однако одной этой схемы недостаточно для обеспечения надлежащей работы.

Чтобы источник питания переменного / постоянного тока был эффективным и безопасным, он должен включать в себя изоляцию, коррекцию коэффициента мощности (PFC) и снижение напряжения.Эти элементы защищают пользователя, сеть и любые подключенные устройства, и каждый из них в той или иной степени интегрирован во все импульсные источники питания.

Первым шагом в любом импульсном источнике питания является выпрямление входного напряжения. Выпрямление — это процесс преобразования сигнала из переменного в постоянный и выполняется с помощью выпрямителя. Отрицательное напряжение в волне переменного тока может быть либо отключено с помощью однополупериодного выпрямителя, либо инвертировано с помощью двухполупериодного выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель состоит из четырех диодов, соединенных по схеме, называемой мостом Гретца.Эти диоды включаются и выключаются, когда напряжение источника питания меняется с отрицательного на положительное, инвертируя полярность отрицательной полуволны и превращая синусоидальную волну переменного тока в волну постоянного тока (см. Рисунок 1) .

Рисунок 1: Схема полномостового выпрямителя

Эта волна имеет большое изменение напряжения, называемое напряжением пульсации, поэтому параллельно диодному мосту подключается накопительный конденсатор, чтобы помочь сгладить пульсации выходного напряжения.

Однако, если вы понаблюдаете за формой волны накопительного конденсатора выпрямителя, вы увидите, что конденсатор заряжается в течение очень короткого времени, от точки, где напряжение на входе конденсатора больше, чем заряд конденсатора, до пик выпрямленного сигнала.Это создает серию коротких всплесков тока в конденсаторе, которые не похожи на синусоиду (см. Рисунок 2) .

Рисунок 2: Формы напряжения и тока на выходе выпрямителя

Это очень большая проблема не только для электроснабжения, но и для всей электросети. Чтобы понять масштаб этой проблемы, мы должны сначала разобраться с концепцией гармоник.

Гармоники и преобразование Фурье

Большинство электрических сигналов, которые вы видели до сих пор, являются синусоидальными.Однако волны часто перестают быть чисто синусоидальными, особенно когда присутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, катушки индуктивности) или нелинейные компоненты (транзисторы, диоды). Эти волны определяются разными, часто сложными математическими функциями. Это может значительно затруднить анализ этой волны, потому что математика, лежащая в основе анализа, значительно усложняется (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Синусоида против искаженной волны — форма волны и волновая функция

К счастью, в 19 веке французский математик Жан-Батист Жозеф Фурье предложил метод разложения любой периодической волны произвольной формы на серию синусоидальных и косинусоидальных волн с разными частотами, названных гармониками (см. Рисунок 4) .Первая из этих волн, называемая основной, — это волна с самой низкой частотой. Затем несколько других волн объединяются с основной частотой и получают определенные амплитуды и частоту. Как показывает практика, чем больше форма волны отклоняется от чистой синусоиды, тем больше гармоник в ней будет.

Рисунок 4: Разложение сигнала произвольной формы на ряд Фурье

Частоты гармоник должны быть целыми числами, кратными основной частоте.Например, если основная частота волны равна 50 Гц, частота второй гармоники будет 100 Гц, третьей — 150 Гц и так далее.

Одним из наиболее важных параметров гармоник является их амплитуда, которая является мерой их влияния на основную частоту. Обычно основная частота имеет наибольшую амплитуду, а амплитуда гармоники уменьшается пропорционально ее порядку, поэтому 9-я или 20-я гармоника практически не существует. Амплитуду этих гармоник можно изобразить в виде графика, показывающего, какую роль каждая гармоника играет в создании произвольной формы волны.

Проблема с током в конденсаторе в том, что он очень похож на дельта-функцию. Этот тип волны в идеале представляет собой бесконечно короткий и бесконечно мощный импульс. Волна такой формы по понятным причинам сложно разложить на синусоидальные волны и приводит к большому количеству мощных гармоник, охватывающих практически все частоты (см. Рисунок 5) .

Рисунок 5: Гармоническое распределение дельта-функции и прямоугольной волны

Это не обязательно проблема, потому что устройство по-прежнему подает питание на нагрузку, поэтому многие производители маломощных источников питания переменного / постоянного тока ничего не делают с этим, потому что это влияет только на коэффициент мощности источника питания.Однако, если к сети подключено слишком много мощных устройств с низким коэффициентом мощности, это может быть проблематично и даже вызвать отключение электроэнергии!

Коэффициент мощности

Есть три типа питания переменного тока. Первая называется активной мощностью и обычно называется реальной мощностью, или P. Она представляет собой чистую энергию, передаваемую нагрузке. Если нагрузка является чисто резистивной, вся мощность в линии является активной, а напряжение и ток колеблются в фазе друг с другом.Во-вторых, если нагрузка является чисто реактивной, такой как катушка индуктивности или конденсатор, мощность будет чисто реактивной, часто выражаемой как Q. Эта мощность используется для создания и поддержания магнитных и электрических полей в реактивных компонентах. Эти поля заставляют ток сдвигаться по фазе относительно напряжения, на 90 ° вперед для емкостных нагрузок и на 90 ° назад для индуктивных (см. Рисунок 6). Это означает, что общая мощность, генерируемая этими чисто реактивными нагрузками, равна нулю, поскольку положительная реактивная мощность компенсируется отрицательной реактивной мощностью.

Рисунок 6: Синфазные волны V-I и связанная с ними мощность (слева). Формы сигналов V-I и соответствующая мощность для разности фаз 90 ° (справа)

На практике нагрузки никогда не бывают чисто резистивными или реактивными, а представляют собой комбинацию обоих. Третий тип мощности переменного тока представляет собой сложение активной и реактивной мощности и называется полной мощностью, или S. Это сложение является квадратичным, и соотношение между активной, реактивной и полной мощностью часто выражается в форме треугольника.

Коэффициент мощности — это отношение между активной мощностью и полной мощностью, он полезен для измерения эффективности передачи энергии в цепи (см. Рисунок 7) .

Треугольник силы

Низкий коэффициент мощности — это комбинация двух факторов: смещения и искажения. Первое, в линейных нагрузках, связано с наличием реактивных компонентов, которые заставляют волны тока и напряжения выпадать в противофазе. Влияние разности фаз между напряжением и током на общий коэффициент мощности определяется коэффициентом смещения, который рассчитывается как косинус угла между волнами с использованием Уравнения (1) :

$$ PF_ {DISPLACEMENT} = COS (\ theta_ {V} — \ theta_ {I}) $$

Однако, если мы вернемся к нашему вопросу, проблема, с которой столкнулись разработчики источников питания, заключается не только в том, что волны тока и напряжения могут быть не в фазе, но и в том, что форма волны тока стала последовательностью импульсов, которая — нелинейная функция.Это означает, что умножение напряжения и тока, также известное как мощность, также нелинейно и крайне неэффективно. Это происходит, когда в цепи есть нелинейные нагрузки, такие как люминесцентные лампы, электронные устройства и мостовые выпрямители. Эти нагрузки потребляют ток очень короткими и резкими всплесками, которые генерируют очень большое количество гармоник, добавляя искажения к сигналу. Наиболее частый способ описания степени искажения, присутствующего в сигнале из-за присутствия гармоник, — это величина общего гармонического искажения (THD), которая представляет собой пропорцию гармонического тока по отношению к току основной гармоники.2} $$

Коэффициент мощности не часто оказывает существенное влияние на работу устройства, но когда ток возвращается в сеть, это приводит к низкому коэффициенту мощности. Например, если индуктивная нагрузка с очень низким коэффициентом мощности, такая как двигатель постоянного тока в смесителе, подключена к сети, экран телевизора соседнего дома может начать мерцать из-за гармоник, вводимых двигателем. В больших масштабах это приводит к значительным потерям тепла в сети и даже может вызвать отключение электроэнергии.

Понятно, что поставщики электроэнергии выдвинули ограничения на количество энергетических помех, которые устройство может воздействовать на сеть. Первая попытка сделать это была в 1899 году, с появлением электрического освещения, когда они поняли, что помехи от других устройств вызывают мерцание ламп накаливания. Затем, в 1978 году, Международная электротехническая комиссия (МЭК) приняла постановление о введении коррекции коэффициента мощности в потребительские товары.

С тех пор в разных странах были созданы свои собственные руководства и правила по ограничению коэффициента мощности.В Соединенных Штатах добровольное руководство Energy Star гласит, что любое компьютерное оборудование должно иметь коэффициент мощности не менее 0,9 при работе с максимальной номинальной мощностью. В ЕС законодательство (IEC31000-3-2) более жесткое, электрические устройства подразделяются на четыре категории: приборы (A), электроинструменты (B), освещение (C) и электронные устройства (D). Каждая категория имеет определенные ограничения на относительный вес, который может иметь каждая гармоника (до 39-й) относительно основной частоты. В других странах есть свои собственные версии этого законодательства, например, китайский GB / T 14549-93 или международный IEEE 519-1992.

На рисунке 8 показаны ограничения формы сигнала, установленные IEC61000-3-2 для устройств класса C, как в частотной области, так и во временной области. Как видите, максимальные значения амплитуды гармоник в частотной области имеют форму прямоугольной волны, что подтверждается наблюдением за результирующими волнами во временной области.

Рисунок 8: Максимальные значения гармоник для устройств класса C в частотной (слева) и временной (справа) области

Хотя форма волны, определенная стандартом IEC61000-3-2, сильно отличается от идеальной синусоидальной волны, нетрудно найти устройство без PFC, превышающего регулируемые пределы по гармоникам и коэффициенту мощности.Следовательно, в любом коммерчески доступном устройстве необходима хорошая схема коррекции коэффициента мощности, чтобы повысить эффективность работы и иметь возможность продавать устройство как потребительский продукт.

Что такое коррекция коэффициента мощности (PFC)?

Коррекция коэффициента мощности (PFC) — это серия методов, которые производители электронных устройств используют для улучшения своего коэффициента мощности.

Как упоминалось ранее, низкий коэффициент мощности вызван наличием смещения или искажения в сигнале.Отрицательное влияние смещения на коэффициент мощности относительно просто решить, поскольку конденсаторы тянут фазу вперед, а катушки индуктивности — назад. Если волна тока в системе отстает от напряжения, вы можете просто добавить в схему конденсатор с правильным импедансом, и фаза волны тока будет сдвигаться вперед, пока она не будет в фазе с напряжением (см. Рисунок 9) .

Рисунок 9: Передача мощности с низким коэффициентом мощности без коррекции коэффициента мощности (слева) и передача мощности с скорректированным коэффициентом мощности и коррекцией коэффициента мощности (справа)

С другой стороны, улучшение коэффициента искажения системы, который обычно присутствует в нелинейных схемах, немного сложнее, чем компенсация коэффициента смещения, обнаруженного в линейных схемах.Для этого есть два варианта:

1. Отфильтруйте гармоники: примите потерю эффективности, но попытайтесь уменьшить количество гармоник, вводимых в сеть, добавив фильтры на входе. Это называется пассивной коррекцией коэффициента мощности, и в ней используется фильтр нижних частот, направленный на устранение гармоник более высокого порядка, в идеале оставляя только основную частоту 50 Гц (см. Рисунок 10). В практических приложениях это не очень эффективно для улучшения коэффициента мощности устройства, а также непрактично для решений с большой мощностью из-за потери эффективности, размера и веса необходимых конденсаторов и катушек индуктивности.Обычно он не используется в приложениях мощностью более сотен ватт.

Рисунок 10: Активный PFC в режиме DCM, форма выходного тока (слева) и частотная характеристика пассивного фильтра PFC (справа)

1. Активная коррекция коэффициента мощности. Этот метод изменяет форму сигнала тока, заставляя его следовать за напряжением. Таким образом, гармоники перемещаются на гораздо более высокие частоты, что значительно упрощает их фильтрацию. Наиболее широко используемой схемой для этих случаев является повышающий преобразователь (см. Рисунок 11) .Эта схема увеличивает постоянное напряжение, уменьшая при этом его ток, как в трансформаторе. Самый простой повышающий преобразователь состоит из катушки индуктивности, транзистора и диода.

Рисунок 11: Импульсный источник питания переменного / постоянного тока с активным PFC

Повышающий преобразователь имеет две ступени работы. На первом этапе, когда переключатель замкнут, индуктор заряжается от источника напряжения (в данном случае напряжения, выходящего из выпрямителя). Когда переключатель размыкается, катушка индуктивности вводит в цепь ток, накопленный на предыдущем этапе, увеличивая напряжение на выходе.Этот ток также заряжает конденсатор, который отвечает за поддержание уровня напряжения на выходе во время перезарядки катушки индуктивности.

Если частота переключения достаточно высока, ни катушка индуктивности, ни конденсатор никогда не разряжаются полностью, а нагрузка на выходе всегда имеет большее напряжение, чем источник входного напряжения. Это называется режимом непрерывной проводимости (CCM). Чем дольше переключатель закрыт (т.е. чем дольше включен транзистор), тем больше будет напряжение на выходе.Если рабочий цикл (время включения переключателя по отношению к общему циклу переключения) правильно регулируется, волна входного тока может иметь форму синусоиды.

Однако не все преобразователи PFC используют CCM. Есть еще один метод, который предлагает меньшие коммутационные потери и более дешевые схемы, хотя и жертвует конечным качеством коэффициента мощности. Этот метод, называемый режимом граничной проводимости (BCM) или режимом критической проводимости, переключает транзистор, как только индуктор полностью разряжен (см. Рисунок 12) .Это называется переключением при нулевом токе (ZCS), которое позволяет диоду в повышающем преобразователе быстрее и легче менять полярность, уменьшая потребность в высококачественных и дорогих компонентах.

Рисунок 12: Ток индуктора, транзистора и диода PFC для режима непрерывной проводимости (слева) и режима граничной проводимости (справа)

Преобразователь отслеживает входное напряжение, поэтому выходной ток выглядит как синусоида с частотой 50 Гц. Однако эта форма волны тока все еще сильно отличается от чистой синусоиды, поэтому логически она будет иметь большое количество гармонических составляющих.Поскольку эти гармонические составляющие кратны частоте переключения, которая намного выше (от 50 кГц до 100 кГц), чем основная частота 50 Гц, они будут очень эффективно отфильтрованы. Это значительно увеличивает коэффициент мощности, поэтому некоторые импульсные блоки питания достигают значений коэффициента мощности до 0,99.

Одной из реализаций корректора коэффициента мощности BCM является контроллер MP44010. При подключении к повышающему преобразователю вывод ZCS определяет, когда катушка индуктивности разряжена, и активирует полевой МОП-транзистор (Q1 на рисунке 13).Эта ИС также сравнивает ток и напряжение, формируя пики тока в соответствии с формой входного напряжения.

Рисунок 13: Типовая прикладная схема MP44010

Резюме

Коэффициент мощности — ключевой элемент, который необходимо учитывать при разработке любого электронного устройства, но особенно в случае источников питания переменного / постоянного тока. Однако выбор правильной схемы PFC означает анализ различных доступных компромиссов.

Во-первых, определите, вызвана ли причина вашего низкого коэффициента мощности смещением или искажением.Затем, в зависимости от мощности в цепи, выберите активную или пассивную коррекцию коэффициента мощности. Для активной коррекции коэффициента мощности разработчику необходимо будет выбрать между реализацией преобразователя в режиме непрерывной или граничной проводимости, что является компромиссом между эффективностью и качеством коэффициента мощности.

Какое бы решение вы ни решили внедрить, MPS предлагает широкий спектр доступных контроллеров PFC, и наши инженеры также готовы помочь вам с любыми вопросами, которые могут у вас возникнуть.

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Что такое конденсаторы коррекции коэффициента мощности и почему они используются?

Показатель того, насколько эффективно оборудование или сооружение использует энергию для выполнения работы, известен как коэффициент мощности.Хотя резистивные нагрузки, такие как отопление и освещение, имеют высокий коэффициент мощности, индуктивные нагрузки, в том числе асинхронные двигатели переменного тока, не используют всю подаваемую мощность для выполнения полезной работы, поэтому их коэффициенты мощности, как правило, низкие. Это различие особенно важно для промышленных предприятий, поскольку поставщики коммунальных услуг часто взимают штрафы и дополнительные сборы с предприятий с низким коэффициентом мощности.

---

Коэффициент мощности — это безразмерная величина от 0 до 1,0. Коэффициент мощности ниже 0.85 обычно считаются «низкими» коммунальными предприятиями.

Асинхронные двигатели

---

переменного тока используют мощность для двух задач: для создания магнитного поля в роторе и для создания крутящего момента за счет мощности, подаваемой на статор. Мощность, подаваемая на статор, называется «реальной» или «активной» мощностью, потому что она производит работу, в то время как мощность, используемая для создания магнитного поля в роторе, называется «реактивной» мощностью, поскольку она активно не производит работу. . Энергокомпании определяют коэффициент мощности на основе реальной мощности и другого показателя, известного как «кажущаяся мощность».”

Чтобы понять полную мощность, полезно визуализировать ее (вместе с реальной и реактивной мощностью) на треугольнике мощности. Треугольник мощности — это прямоугольный треугольник, в котором реальная мощность и реактивная мощность расположены под прямым углом друг к другу, а полная мощность — это гипотенуза. Коэффициент мощности — это косинус угла θ (угол между реальной и полной мощностью). Поскольку косинус находится путем деления соседнего катета треугольника на гипотенузу, коэффициент мощности представляет собой действительную мощность, деленную на полную мощность.

---

Угол θ представляет собой смещение или разность фаз между напряжением и током. Реактивная мощность, необходимая для индуктивных нагрузок, имеет тенденцию сдвигать по фазе ток и напряжение, что приводит к большему углу θ и, следовательно, более низкому коэффициенту мощности.

Если нет разности фаз между напряжением и током, угол θ равен нулю. Косинус нуля градусов равен 1 (cos (0) = 1), поэтому коэффициент мощности равен 1.С другой стороны, если напряжение и ток не совпадают по фазе на 90 градусов, θ равно 90. Th e косинус 90 градусов равен нулю (cos (90) = 0), поэтому коэффициент мощности равен нулю!

---

Хотя реальная мощность, потребляемая асинхронным двигателем переменного тока, изменяется в зависимости от нагрузки двигателя, величина реактивной мощности, потребляемой двигателем, остается постоянной независимо от нагрузки. Из треугольника мощности видно, что для увеличения коэффициента мощности (уменьшения угла θ) необходимо уменьшить реактивную мощность.

Здесь на помощь приходят конденсаторы для коррекции коэффициента мощности — они генерируют реактивную мощность и, следовательно, уменьшают количество реактивной мощности, требуемой двигателем от электросети. Конечным результатом является более высокий коэффициент мощности.

---

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности могут быть фиксированными или переключаемыми автоматически. Конденсаторы коррекции коэффициента мощности обычно устанавливаются для отдельных двигателей или групп двигателей. Эти конденсаторы включены, когда двигатель включен (и выключен, когда двигатель выключен), что позволяет избежать появления емкости в системе, когда двигателю не требуется реактивная мощность.

Конденсаторы с автоматическим переключением используются в централизованных конденсаторных батареях и часто устанавливаются на вводе электроэнергии в объект. Эти конденсаторы обеспечивают различную коррекцию коэффициента мощности для работы всего объекта.

Еще один способ повысить коэффициент мощности асинхронного двигателя переменного тока — это установить частотно-регулируемый привод (VFD). Конденсаторы шины постоянного тока в частотно-регулируемом приводе подают на двигатель необходимую реактивную мощность для создания магнитного поля ротора, поэтому линия питания переменного тока должна подавать только реальную мощность, а это означает, что вся (или почти вся) подаваемая мощность используется для полезной работы. .

---

Кредит изображения функции: Energex

5 преимуществ коррекции коэффициента мощности, которые могут повлиять на ваш счет за коммунальные услуги

Коррекция коэффициента мощности может быть очень полезной. Преимущества включают в себя все: от снижения затрат на энергосистему до увеличения несущей способности существующих цепей и общего снижения потерь в энергосистеме. Ниже вы найдете список из пяти преимуществ в порядке убывания потенциального финансового воздействия на ваш счет за коммунальные услуги.

1. Избегайте штрафов за коэффициент мощности

Большинство промышленных перерабатывающих предприятий используют множество асинхронных двигателей для привода насосов, конвейеров и другого оборудования на предприятии. Эти асинхронные двигатели обеспечивают низкий коэффициент мощности для большинства промышленных объектов. Многие электроэнергетические компании оценивают штраф за коэффициент мощности для более низкого коэффициента мощности (обычно ниже 0,80 или 0,85). Некоторые также стимулируют высокий коэффициент мощности (например, выше 0,95). Добавив коррекцию коэффициента мощности, вы можете исключить штраф за коэффициент мощности из своего счета.

2. Сниженные сборы за спрос

Многие электроэнергетические компании взимают плату за максимальную измеренную потребляемую мощность на основе либо самого высокого зарегистрированного потребления в киловаттах (киловатт-метр), либо процента от самого высокого зарегистрированного потребления в киловаттах (киловатт-метр), в зависимости от того, что больше. Если коэффициент мощности низкий, процент измеренной кВА будет значительно больше, чем потребляемая мощность в киловаттах. Повышение коэффициента мощности за счет коррекции коэффициента мощности снизит плату за электроэнергию, что поможет сократить ваши счета за электроэнергию.

3. Повышенная способность выдерживать нагрузку в существующих цепях

Нагрузки, потребляющие реактивную мощность, также требуют реактивного тока. Установка конденсаторов коррекции коэффициента мощности в конце существующих цепей рядом с индуктивными нагрузками снижает ток, переносимый каждой цепью. Уменьшение протекания тока в результате повышения коэффициента мощности может позволить схеме выдерживать новые нагрузки, сокращая затраты на модернизацию распределительной сети, когда требуется дополнительная мощность для дополнительных машин или оборудования, что позволяет вашей компании сэкономить тысячи долларов на ненужных затратах на модернизацию.Кроме того, уменьшение протекания тока снижает резистивные потери в цепи.

4. Улучшенное напряжение

Более низкий коэффициент мощности вызывает более высокий ток для данной нагрузки. По мере увеличения линейного тока падение напряжения в проводнике увеличивается, что приводит к снижению напряжения на оборудовании. Благодаря улучшенному коэффициенту мощности падение напряжения в проводнике уменьшается, повышая напряжение на оборудовании.

5. Снижение потерь в энергосистеме

Хотя финансовой отдачи от одного лишь сокращения потерь в проводнике недостаточно для оправдания установки конденсаторов, иногда это является привлекательным дополнительным преимуществом; особенно на старых установках с длинными питателями или при полевых перекачках.

Эта статья была первоначально опубликована 24 мая 2017 г., а затем проверена и обновлена ​​5 мая 2021 г.

Поиск и устранение неисправностей Конденсаторы коррекции коэффициента мощности

Бенни Кеннеди

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности сокращают затраты на электроэнергию за счет отказа от надбавок, взимаемых коммунальными предприятиями, когда коэффициент мощности падает ниже указанных значений. Эти конденсаторы обычно устанавливают, когда индуктивные нагрузки вызывают проблемы с коэффициентом мощности. Конденсаторные батареи обычно служат годами, но их необходимо регулярно проверять, чтобы убедиться, что они работают должным образом.Такие проблемы, как ненадежные соединения, перегоревшие предохранители или неисправные конденсаторы, могут уменьшить объем доступной коррекции мощности и, в крайних случаях, даже вызвать полный отказ системы или пожар. В этой статье описывается, как проверить конденсаторы коррекции коэффициента мощности и избежать этих проблем.

Безопасность прежде всего!

Конденсаторы — это устройства накопления энергии, которые могут вызвать смертельный удар через долгое время после отключения питания. Большинство конденсаторов оснащено разрядной цепью, но при выходе из строя цепи опасность поражения электрическим током сохраняется в течение длительного периода времени.Если требуется испытание с поданным напряжением, необходимо проявлять особую осторожность. Техническое обслуживание конденсаторной батареи требует специальной подготовки для конкретного оборудования, его применения и задачи, которую вы должны выполнять. Кроме того, требуются соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ) в соответствии с NFPA 70E.

Дополнительные опасности связаны с работой с цепями трансформатора тока (ТТ), включая проводку и блокировку короткого замыкания. Сам трансформатор тока обычно располагается в распределительном щите, а не в корпусе конденсаторной батареи.Даже после обесточивания конденсаторной батареи существует опасность поражения электрическим током от проводки ТТ. Если цепь ТТ размыкается при наличии нагрузки на распределительном щите, ТТ может создать смертельное напряжение на своих выводах.

Что такое коэффициент мощности?

Коэффициент мощности определяется как процентное соотношение между реальной мощностью, измеренной в киловаттах (кВт), и полной мощностью, измеренной в киловольт-амперах (кВА). Полная мощность — это общее требование, которое предприятие предъявляет к электросети для подачи напряжения и тока, независимо от того, работает оно или нет.Коммунальные предприятия обычно взимают более высокую плату, когда коэффициент мощности падает ниже определенного уровня, часто 90%.

Истинная мощность (кВт) / полная мощность (кВА) = коэффициент мощности
50 кВт / 52 кВА = 0,96 (хороший коэффициент мощности 96%)
50 кВт / 63 кВА = 0,79 (низкий коэффициент мощности 79% )

Индуктивность двигателя является наиболее типичной причиной низкого коэффициента мощности, и проблема возрастает только тогда, когда двигатели не загружены на полную мощность. Гармонические токи, отраженные обратно в системы, также снижают коэффициент мощности.

Для измерения коэффициента мощности требуется измеритель, который может одновременно измерять напряжение, ток, мощность и потребление в течение как минимум одной секунды. Цифровой мультиметр (DMM) не может выполнять эти измерения, но анализатор качества электроэнергии, такой как Fluke 43B, используемый с токовыми клещами, будет измерять все эти элементы с течением времени и строить точную картину энергопотребления. Регистратор мощности, другой тип инструмента контроля качества электроэнергии, может выполнять 30-дневное исследование нагрузки, чтобы обеспечить еще лучшее понимание коэффициента мощности и других параметров с течением времени.

Низкий коэффициент мощности можно скорректировать путем добавления конденсаторов коррекции коэффициента мощности в систему распределения электроэнергии. Лучше всего это сделать с помощью автоматического контроллера, который включает и выключает конденсаторы, а иногда и реакторы. В большинстве базовых приложений используется батарея фиксированных конденсаторов.

В нормальных условиях конденсаторы должны работать без сбоев в течение многих лет. Но такие условия, как гармонические токи, высокие температуры окружающей среды и плохая вентиляция, могут вызвать преждевременные отказы конденсаторов коррекции мощности и связанных с ними схем.Отказы могут привести к значительному увеличению затрат на электроэнергию, а в крайних случаях могут стать причиной пожара или взрыва. Поэтому важно регулярно проверять конденсаторы коррекции коэффициента мощности, чтобы убедиться, что они работают должным образом. Большинство производителей размещают сервисные бюллетени на своих веб-сайтах. Их типичный рекомендуемый интервал профилактического обслуживания составляет два раза в год.

Обследование с помощью инфракрасного сканера

Самым ценным инструментом для оценки конденсаторных батарей является тепловизор.Система должна быть под напряжением не менее чем за час до испытания. Для начала проверьте дисплей контроллера, чтобы определить, все ли ступени подключены. Затем убедитесь, что охлаждающие вентиляторы работают правильно. Перед открытием дверей проведите инфракрасное обследование шкафа. И, исходя из вашей оценки дугового разряда, наденьте необходимые средства индивидуальной защиты.

Повреждение выключателя, питающего конденсаторную батарею. Тепловое обследование обнаружило бы ненормальное нагревание.

Осмотрите проводку питания и управления с помощью тепловизора, ищите неплотные соединения.Тепловая оценка идентифицирует плохое соединение, показывая повышение температуры из-за дополнительного сопротивления в точке соединения. Хорошее соединение должно быть не более чем на 20 градусов выше температуры окружающей среды. В точках подключения не должно быть разницы в температуре между фазами или между батареями.

Разница температур указывает на перегорел предохранитель слева. Это инфракрасное изображение указывает на неисправность конденсатора.

Инфракрасная оценка обнаруживает перегоревший предохранитель, выделяя разницу температур между перегоревшими и исправными предохранителями.Перегоревший предохранитель в каскаде конденсаторной батареи снижает объем доступной коррекции. Некоторые устройства оснащены индикаторами перегорания предохранителей, а другие нет. Если вы обнаружите перегоревший предохранитель, отключите весь блок и определите, что вызвало его срыв. Некоторые частые причины — плохие конденсаторы, проблемы с реактором; и плохие соединения в соединениях линейных предохранителей, соединениях предохранителей нагрузки или зажимах предохранителей.

Обратите внимание на разницу температур отдельных конденсаторов. Если конденсатор не требуется или не подключается во время проверки, он должен быть холоднее.Также имейте в виду, что температура компонентов может быть выше в верхних частях из-за конвекции. Но если, по словам контроллера, все ступени подключены, то разница температур обычно указывает на проблему. Например, высокое давление может привести к срабатыванию прерывателя внутреннего давления конденсатора перед внешним предохранителем, что приведет к отключению конденсатора из цепи без предупреждения.

Измерения тока

В рамках профилактического обслуживания необходимо выполнить измерение тока на всех трех фазах каждой ступени и записать его с помощью мультиметра и токоизмерительных клещей.Также используйте мультиметр для измерения тока на входе в контроллер от трансформатора тока в распределительном щите, используя токовые клещи вокруг вторичного проводника ТТ. Требуется расчет для преобразования измеренного значения тока в фактический ток, протекающий через распределительный щит. Если трансформатор тока рассчитан на 3000–5 А, а вы измеряете 2 А, фактический ток равен. Кроме того, измерьте ток через прерыватель, питающий конденсаторную батарею, на предмет дисбаланса фаз при подключенных ступенях.Ведите журнал всех показаний, чтобы обеспечить ориентир для показаний, снятых позже.

Измерение емкости

Перед измерением емкости обесточьте батарею конденсаторов и подождите в течение периода, указанного в сервисном бюллетене производителя. Надев соответствующие средства индивидуальной защиты, убедитесь с помощью глюкометра с надлежащими характеристиками, что нет переменного тока. Следуйте процедуре блокировки / маркировки вашего учреждения. Используя измеритель постоянного тока, рассчитанный на тестируемое напряжение и установленный на 1000 В постоянного тока, проверьте каждую фазу между фазами и фазой на землю.Напряжения быть не должно. Наличие напряжения указывает на то, что конденсатор не может быть разряжен. Если напряжение не обнаружено, измерьте емкость измерителем и сравните показания со спецификациями производителя для каждой ступени.

Визуальный осмотр и очистка

Также выполните полный визуальный осмотр. Ищите обесцвеченные компоненты, вздутые и / или протекающие конденсаторы, а также признаки нагрева и / или влаги. Очистите и / или замените фильтры охлаждающих вентиляторов. Очищайте агрегаты с помощью пылесоса — никогда не используйте сжатый воздух.Перед повторным включением конденсаторов выполните проверку целостности изоляции между фазой и землей шины. Выключатель или предохранители на стороне линии силового трансформатора управления должны быть удалены, чтобы предотвратить ошибочные показания между фазами. Конденсаторы коррекции коэффициента мощности рассчитаны на годы эксплуатации при надлежащем обслуживании в соответствии с инструкциями производителя. Регулярный осмотр конденсаторных батарей дает уверенность в том, что они работают безопасно, обеспечивая при этом ожидаемую экономию затрат на электроэнергию.

Коррекция коэффициента мощности | Enerdoor

Коррекция коэффициента мощности — это использование технологии для восстановления коэффициента мощности, максимально близкого к единице. Обычно это достигается за счет дополнительного использования конденсаторов в электрической сети. Хотя конденсаторные батареи помогают с коррекцией коэффициента мощности, они определенно оставляют место для улучшений. Компания Enerdoor поняла это и разработала новую технологию FINSVG, которая обеспечивает лучшее решение для коррекции коэффициента мощности, чем обычно используемые конденсаторные батареи.

Коэффициент мощности

, или отношение реальной мощности к полной, идеально измеряется равным 1. Производственные предприятия обычно имеют низкий коэффициент мощности. Электроэнергетические компании часто взимают с этих заводов-производителей штрафы и дополнительные сборы, если коррекция коэффициента мощности составляет 90% или меньше. Кроме того, в качестве стимула для предприятий к повышению коэффициента мощности, электроэнергетические компании предлагают кредит на счета за электроэнергию, когда коэффициент мощности превышает 95%. Низкий коэффициент мощности не только создает дополнительные расходы, но и вызывает ненужную нагрузку на оборудование на предприятии и приводит к преждевременному выходу из строя.

Объекты конечных пользователей требуют, чтобы новое OEM-оборудование соответствовало минимальному коэффициенту мощности 90-95%.

Большинство нагрузок на современных объектах представляют собой индуктивные нагрузки, такие как двигатели и трансформаторы. Асинхронному двигателю требуется рабочая мощность (кВт) для выполнения фактической работы и реактивная мощность (кВАр) для поддержания магнитного поля. Другими устройствами с нелинейными нагрузками, влияющими на коэффициент мощности, являются выпрямители, люминесцентные лампы, электросварочные и дуговые печи.

В отличие от конденсаторных батарей, FINSVG невосприимчив к гармоникам благодаря активной балансировке нагрузки с помощью расширенного цифрового управления.Компенсационная способность никогда не снижается, и система способна компенсировать как индуктивную, так и емкостную реактивную мощность.

Enerdoor FINSVG предлагает компенсацию от 30 кВАр, имеет модульную конструкцию и может быть установлен на стене или в стойке. Он доступен начиная с 208 В перем. Тока и может быть установлен либо в одной блочной системе, либо в нескольких параллельных модулях для всего объекта.

Преимущества коррекции коэффициента мощности Enerdoor:

• Без конденсаторных батарей
• Не подвержен гармоническому резонансу
• Компенсация индуктивной и емкостной реактивной мощности
• Снижает затраты и защищает оборудование от преждевременного выхода из строя

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности (PFC)

Большинство электрических нагрузок, включая трансформаторы, сварочные аппараты, асинхронные двигатели и индукционные печи, являются индуктивными.Индуктивным нагрузкам для работы требуется как рабочая мощность, обычно измеряемая в киловаттах (кВт), так и реактивная мощность, обычно измеряемая в киловольт-амперах реактивной мощности (кВАр). Рабочая мощность используется для выполнения фактической работы, а реактивная мощность используется для поддержания магнитного поля, необходимого для индуктивных нагрузок. При объединении рабочая мощность и реактивная мощность образуют полную мощность, обычно измеряемую в киловольт-амперах (кВА).

Коэффициент мощности — это мера эффективности, с которой электрические нагрузки преобразуют электрическую мощность в полезную работу.Это отношение полезной мощности (рабочей мощности) к общей мощности (полной мощности). Высокий коэффициент мощности является показателем того, что электрические нагрузки используют мощность эффективно, в то время как низкий коэффициент мощности указывает, что подключенные электрические нагрузки используют мощность неэффективно. Низкий коэффициент мощности приводит к значительным потерям энергии и снижает мощность электрической системы. Это может быть вызвано разницей фаз между током и напряжением на клеммах электрической нагрузки или искаженной формой волны тока.

Решения для коррекции коэффициента мощности

Низкий коэффициент мощности из-за асинхронных двигателей, трансформаторов и других индуктивных нагрузок можно исправить, подключив подходящие конденсаторы. Низкий коэффициент мощности, вызванный искажением формы волны тока, корректируется путем добавления фильтров гармоник. Процесс создания магнитного поля, требуемого индуктивной нагрузкой, вызывает разность фаз между напряжением и током. Конденсатор корректирует коэффициент мощности, обеспечивая опережающий ток для компенсации запаздывающего тока.Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности разработаны таким образом, чтобы коэффициент мощности был максимально близок к единице. Хотя конденсаторы для коррекции коэффициента мощности могут значительно снизить нагрузку, вызванную индуктивной нагрузкой на источник питания, они не влияют на работу нагрузки. Нейтрализуя магнитный ток, конденсаторы помогают сократить потери в системе распределения электроэнергии и снизить счета за электроэнергию.

Чтобы предотвратить потери энергии, некоторые компании по распределению электроэнергии наказывают потребителей коэффициентом мощности ниже указанного значения и предлагают стимулы для потребителей с хорошим коэффициентом мощности (обычно выше 0.95). Это побуждает потребителей устанавливать оборудование для коррекции коэффициента мощности в свои электрические системы. Преимущества добавления конденсаторов коррекции коэффициента мощности в электрические сети включают снижение потерь, повышение напряжения, увеличение пропускной способности системы и снижение счетов за электроэнергию. Ключевые переменные, которые следует учитывать при выборе конденсаторов для коррекции коэффициента мощности, включают тип нагрузки, постоянство нагрузки, размер нагрузки, нагрузочную способность, метод выставления счетов за коммунальные услуги и методы запуска нагрузки.

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности обычно устанавливаются в виде конденсаторных батарей, когда задействованы подстанции или крупные объекты.В случае синусоидальных или линейных нагрузок они могут быть установлены как отдельные конденсаторы, которые легко установить или заменить и не требуют отдельного переключения. С другой стороны, установки конденсаторных батарей имеют более низкую стоимость на кВАр и обеспечивают точную емкость коррекции коэффициента мощности при использовании систем автоматического переключения.
В зависимости от потребностей конкретной подстанции или объекта могут быть установлены фиксированные или автоматически переключаемые конденсаторные батареи. Конденсаторная батарея с фиксированным коэффициентом мощности может быть включена, когда индуктивная нагрузка включена, и выключена, когда отдельная нагрузка отключена.Такие конденсаторы активируются только тогда, когда требуется коррекция коэффициента мощности. На объектах с несколькими нагрузками условия нагрузки и потребности в коррекции коэффициента мощности часто меняются. Для таких объектов подходят автоматические конденсаторные системы. Они предотвращают чрезмерную и недостаточную коррекцию.

Типы конденсаторов коррекции коэффициента мощности

Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности производятся различных типов, размеров и конструкций. Наиболее часто используемые типы изготавливаются с использованием металлизированной полипропиленовой пленки, в то время как некоторые используют металлизированную полиэфирную пленку или бумагу.