142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154

Раздел 16 Импульсные источники питания

Первичный источник питания

Компенсация коэффициента мощности

Коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности, потребляемой устройством, к полной мощности. Ток устройства с коэффициентом мощности 1.0 имеет синусоидальную форму с теми же фазой и частотой, что и входное напряжение. В этом случае полная мощность (сила тока, помноженная на напряжение) равна активной мощности. Если же ток отличается по фазе от входного напряжения, то полная мощность значительно превышает потребляемую активную мощность. Для линейных нагрузок, таких, как резистивные нагреватели или электродвигатели, коэффициент мощности вычисляется как cos φ, где φ — разность фаз между током и напряжением. Ноль градусов даёт значение коэффициента мощности, равное 1.0; 45 градусов — 0.707; а 90 градусов даёт нулевое значение коэффициента мощности. Коэффициент мощности для нелинейных нагрузок, таких, как источники питания, требует более сложных методик расчёта, так как форма тока несинусоидальна.

Если энергопотребление какого-либо устройства характеризуется нулевым коэффициентом мощности, то это может иметь серьёзные последствия для поставщика электроэнергии. Потребляемая активная мощность равна нулю, но поступающий от источника питания ток всё же равен величине тока, текущего в устройстве. Потери в проводах, по которым передаётся электроэнергия, равны I2R независимо от потребляемой мощности, поэтому такое устройство может стать причиной потерь, даже несмотря на то, что само оно энергии не потребляет. Во всём мире передача электроэнергии осуществляется напряжением синусоидальной формы, с использованием трёх фаз, сдвинутых друг относительно друга на 120 градусов. Особую проблему для трёхфазных систем составляют третьи гармоники, вызываемые короткими импульсами тока, поскольку они складываются по фазе в нейтральном проводе. Европейское сообщество приняло стандарты (IEC 555, EN61000-3-2), обязывающие большинство систем иметь компенсацию коэффициента мощности. Фактически стандарты ограничивают величину гармоник, передаваемых в электрическую сеть, а компенсация коэффициента мощности представляет собой эффективный способ достижения этих стандартов.

Можно использовать как активные, так и пассивные методы увеличения коэффициента мощности. На Рис. 3.6 изображены два способа увеличения коэффициента мощности с применением пассивных цепей.

Методы увеличения коэффициента мощности с использованием пассивных цепей

 

 

Методы увеличения коэффициента мощности с использованием пассивных цепей 

 

 


Рис. 3.6. Методы увеличения коэффициента мощности с использованием пассивных цепей

Наиболее простой из них заключается в использовании в источнике питания дроссельного фильтра вместо ёмкостного. Импульсы тока, потребляемого от электросети, по-прежнему короче, чем импульсы входного напряжения, но время нарастания и спада тока теперь намного больше. Ток, по сути, принимает синусоидальную форму. Увеличение времени нарастания и спада вызывает уменьшение энергии высших гармоник. Дополнительного улучшения коэффициента мощности можно достичь установкой частоты среза фильтра нижних частот как можно ниже, чтобы снизить гармоники промышленной частоты. Это потребует большого количества дросселей и конденсаторов. При пассивной компенсации требуются довольно крупногабаритные катушки индуктивности как для входного дроссельного, так и для сетевого фильтра, поскольку они работают на частотах порядка 100 Гц. Это значительно увеличивает габариты источника питания. Другой недостаток дроссельного фильтра состоит в том, что такой фильтр эффективен лишь в случае протекания через дроссель непрерывного тока.

На Рис. 3.7 изображена схема активной компенсации коэффициента мощности.

Активная компенсация коэффициента мощности с применением высокочастотного повышающего преобразователяРис. 3.7. Активная компенсация коэффициента мощности с применением высокочастотного повышающего преобразователя

В ней используется работающий на высокой частоте (обычно 100 кГц) повышающий преобразователь с заградительным фильтром, защищающим линию питания от проникновения в неё импульсов, которые возникают вследствие переходных процессов при коммутации. Интегральная схема управления коэффициентом мощности регулирует величину потребляемого тока так, чтобы его отношение к входному напряжению было постоянным. Таким образом, вход повышающего преобразователя ведёт себя как резистивная нагрузка по отношению к входному напряжению. Чтобы гарантировать, что накопленная дросселем энергия всегда будет поступать на выходной конденсатор, выходное напряжение преобразователя должно быть выше пикового входного напряжения. Схема управления здесь сложнее, чем в случае обычного повышающего преобразователя, когда всего лишь требуется регулировать коэффициент заполнения, чтобы поддерживать заданное выходное напряжение. Цепь же компенсации коэффициента мощности должна подстраивать коэффициент заполнения в течение каждого дискретного интервала времени так, чтобы ток оставался в фазе с входным напряжением. Напряжение на выходе схемы компенсации коэффициента мощности не требует точной подстройки, так как окончательную стабилизацию реализует ШИМ-преобразователь постоянного напряжения (DC/DC). Цепь компенсации коэффициента мощности всё же обеспечивает некоторую стабилизацию напряжения, что значительно упрощает разработку схемы этого ШИМ-преобразователя.

Реализация активной схемы компенсации коэффициента мощности с ШИМ-преобразователем связана с определёнными трудностями, поскольку эта схема фактически представляет собой две последовательно соединённые сервосистемы. Однако многие производители выпускают интегральные микросхемы, которые содержат цепи компенсации коэффициента мощности и ШИМ-преобразователь. Использование таких приборов позволяет избегать ошибок при проектировании. Ещё одним достоинством активной схемы компенсации коэффициента мощности является минимизация гармоник промышленной частоты, поэтому фильтр необходим только для ослабления частоты коммутации и её гармоник.

Функциональная схема интегрального контроллера коэффициента мощности LT1248Рис. 3.8. Функциональная схема интегрального контроллера коэффициента мощности LT1248

* 1. Colonics CTX02-12236-1 (TYPE S2 CORE)
Необходима воздушная вентиляция при уровне мощности более 259 Вт.
2. Coiltronics СТХ02-12295 (MAGNETICS KOOL Mu 77930 CORE)

** См. раздел «напряжение запуска питания для ИСС»

*** Этот диод Шотки ограничивает напряжение на выходе GTDR при запирании ключа. Если этого не сделать, то выбросы напряжения, возникающие при протекании тока через паразитную индуктивность и при заряде ёмкости затвора ключевого транзистора, могут открыть паразитный диод между выходом и подложкой микросхемы и вызвать сбои в её работе.

На Рис. 3.8 изображены функциональная схема и внешние цепи интегрального контроллера активной компенсации коэффициента мощности (PFC) LT1248. Во многом он похож на стандартный повышающий ШИМ-контроллер. ИС LT1248 содержит источник опорного напряжения, цепи мягкого запуска и блокировки при пониженном напряжении, а также генератор, вырабатывающий пилообразное напряжение, которое сравнивается с управляющим сигналом, с целью подстройки коэффициента заполнения. Однако схема, вырабатывающая управляющий сигнал, устроена несколько иначе, чем у стандартного ШИМ-контроллера.

Схема управления ШИМ измеряет входное напряжение, входной ток и выходное напряжение и в зависимости от их величин определяет коэффициент заполнения. Первым в управляющей цепи расположен стандартный усилитель ошибки с компенсацией выхода, измеряющий выходное напряжение преобразователя. В свою очередь выходное напряжение усилителя ошибки преобразуется во входной ток умножителя входного напряжения. Входное напряжение на линии питания преобразуется в пропорциональный ему ток и поступает на второй вход умножителя. Выходное напряжение умножителя поступает на неинвертирующий вход усилителя тока. Усилитель тока измеряет падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Подстройка управляющего напряжения осуществляется путём суммирования тока умножителя с измеренным током. Выход усилителя тока подключён к отдельному выводу микросхемы, что даёт возможность независимо осуществлять частотную компенсацию усилителя. Такая компенсация необходима, чтобы резонансная частота усилителя тока соответствовала удвоенной частоте питающего напряжения (поскольку выпрямление — двухполупериодное), а не частоте переключения ШИМ. Особенность умножителя напряжения состоит в том, что его выход пропорционален квадрату напряжения на входе усилителя ошибки, которое в свою очередь прямо пропорционально выходному нагрузочному току. При уменьшении нагрузки величина сигнала, снимаемого с токоизмерительного резистора, уменьшается. Квадратичная зависимость коэффициента усиления умножителя обеспечивает лучшую стабильность управления по току.

Все контроллеры активной компенсации коэффициента мощности требуют наличия схемы защиты выхода от повышенного напряжения. Дело в том, что контур управления схемы PFC стремится в первую очередь обеспечить «привязку» тока, поступающего из линии питания, к входному напряжению, поэтому его реакция на переходные процессы (скачки напряжения) довольно медленная. Если ток нагрузки внезапно снижается, выходное напряжение может скачкообразно возрасти вследствие протекания тока через дроссель. Это явление, когда дроссель не может отдавать в нагрузку накопленную энергию, называется «сброс нагрузки». Цепь защиты от перенапряжения мгновенно размыкает выходной ключ и отключает основной контур управления, чтобы «отработать» этот скачок.

142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154