Принципиальные схемы компьютерных блоков питания (описание atx 300, 350, 400, 450, 550w)

Содержание

Корректор коэффициента мощности сварочного инвертора

На этой странице будут собираться интерсные технологические и схемотехнические решения заводских и самодельных сварочных аппаратов.

Для разминки возьмем сварочный инвертор РЕСАНТА САИ 250 ПРОФ:

Кроме якобы современного дизайна у него есть довольно инетерсное решение по приведению потребления сетевого напряжения в норму, а именно в нем используется корректор коэфициента мощности (ККМ), причем на сравнительно свежей и не дорогой микросхеме ICE2PCS01G. Схема самого аппарата ЗДЕСЬ, даташиты на ICE2PCS01G ЗДЕСЬ и ЗДЕСЬ. Там два варианта даташников, они разные по объему, но пока не разбирался насколькоони разные по содержанию. Я заказал пяток этих микросхем и когда придут уже буду детально разьбираться с этой микросхемой. Пока могу сказать, что согласно схеме и фотографиям дроссель ККМ не такой уж и огромный, как могло подуматься изначально:

Возможно, вам также будет интересно

Все статьи цикла Назначение и особенности пакета SimPowerSystems Пакет SimPowerSystems (в версии MATLAB 6.1 и ранее — Power System Blockset) содержит набор блоков для построения виртуальных моделей электротехнических устройств и устройств силовой электроники. Используя библиотеки Simulink и SimPowerSystems, а также применяя функции и команды MATLAB, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области,

Юрий Черкашин Расчету трансформаторов посвящено много работ, например . В данной статье представлен подход к их расчету, основанный на обеспечении: заданного нагрева магнитопровода (МП) при намагничивании его переменным напряжением произвольной формы и нагрева обмоток рабочим током произвольной формы; получения заданной индуктивности рассеивания, то есть получения заданного значения напряжения короткого замыкания или заданной длительности фронта импульса.

Компания Chroma ATE — один из мировых лидеров в области производства контрольно-измерительного и испытательного оборудования. Ее основные направления деятельности — это испытания и измерения на электрическую безопасность для силовой электроники, электроники подвижных объектов, а также производство пассивных компонентов и полупроводниковых приборов.
В предыдущих выпусках журнала была опубликована статья, в которой мы описывали программируемые источники питания постоянного и переменного тока фирмы Chroma ATE. В этой же статье пойдет речь об электронных нагрузках серии Chroma 63800-ТЕСТ (рис. 1). Следует упомянуть, что вся линейка прошла испытания в целях утверждения типа программируемых электронных нагрузок переменного и постоянного тока и внесена в Госреестр СИ.

Простейший корректор коэффициента мощности

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

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

Мощность

Давайте начнем с разговора о концепции коэффициента мощности (PF или более привычно для нас cos φ). ). Предполагая идеально линейную нагрузку с идеальными синусоидальными кривыми тока и напряжения (нет сдвига по фазе), коэффициент мощности системы электроснабжения представляет собой отношение реальной мощности (кВт) к полной мощности (кВА) (рисунок выше).

Он также может быть определен как косинус угла между волнами тока и напряжения. Значение коэффициента мощности может варьироваться от 0 до 1. Когда ток и напряжение полностью совпадают по фазе, коэффициент мощности равен 1.

Идеальные синусоидальные значения токов и напряжений обычно возникают, когда нагрузки состоят из резистивных, емкостных и индуктивных элементов, которые являются линейными (не зависят от тока и напряжения). Этот тип коэффициента мощности обычно связан с промышленным оборудованием, таким как электродвигатели (рисунок выше).

Где PF – коэффициент мощности, а THD – общие гармонические искажения

В настоящее время очень часто можно найти коэффициент мощности, который потребляет ток в несинусоидальной форме волны (рисунок ниже) среди электронных устройств с нелинейными нагрузками. Такие электронные устройства используют преобразование мощности для лучшего контроля или экономии энергии. Такое преобразование мощности достигается с помощью импульсных источников питания, которые обычно используются в ПК, аудиовизуальном оборудовании, флуоресцентном освещении, диммерах, копировальных аппаратах, зарядных устройствах и других устройствах.

На рисунке выше показано, что ток и напряжение идеально совпадают по фазе, даже несмотря на сильное искажение волны тока. Применение «косинуса фазового угла» привело бы к неверному выводу, что этот источник питания имеет коэффициент мощности 1,0. В этом случае коэффициент мощности следует анализировать с точки зрения гармонического ряда основной частоты линии электропередачи

Принимая во внимание абсолютные значения общих гармонических искажений (THD), коэффициент мощности для нелинейных нагрузок может быть определен, как показано на в формуле выше

Коэффициент мощности, который не равен единице, может вызвать гармонические искажения. Такое искажение может мешать работе других устройств, питающихся от одного и того же источника, что и потребитель, генерирующий высшие гармоники. Глядя на рисунок выше, можно сказать, что для достижения коэффициента мощности 1,0 значение THD должно быть равно нулю. Гармонические искажения могут вызвать серьезные проблемы, такие как повреждение кабелей и другого оборудования в электрической сети, а также риск перегрева и возгорания, высокие напряжения и блуждающие токи, неисправности оборудования и отказы отдельных компонентов и так далее.

Buck PFC

Этот понижающий преобразователь напряжения и повышающий преобразователь тока работают по принципу накопления энергии в индуктивности. Существует переключающий элемент (силовой MOSFET транзистор или IGBT), который можно открывать или закрывать (схема выше).

Когда переключатель находится во включенном положении (то есть MOSFET
транзистор находится во включенном состоянии), импульс тока течет к
нагрузке, и энергия накапливается как в индуктивности (L), так и в конденсаторе (C), и ток не протекает через диод, как при обратном смещением. Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ., Энергия, накопленная в катушке индуктивности, возвращается в цепь, и ток течет через нагрузку и диод. В какой-то момент, когда напряжение нагрузки начинает падать, заряд, хранящийся в конденсаторе, становится основным источником тока до тех пор, пока переключатель не будет снова включен.

Buck преобразователи могут быть очень эффективными (КПД в 95% или выше для интегральных схем).

Алгоритмы управления ККМ

Корректоры коэффициента мощности используются в импульсных источниках питания, подключенных к однофазной сети переменного напряжения через двухполупериодный выпрямитель (рис. 1). ККМ строятся на базе импульсного повышающего преобразователя постоянного напряжения . К настоящему времени разработана и применяется широкая номенклатура ККМ, в которых реализованы различные алгоритмы управления транзистором импульсного преобразователя .

Рис. 1. Корректор коэффициента мощности

Для ККМ используются следующие варианты управления:

Синхронный алгоритм управления с выключением транзистора по заданному максимальному току в накопительном дросселе (алгоритм T_I*_max). В этом случае транзистор включается синхронно с тактовым генератором импульсов, задающим период коммутации, а выключается, когда ток в дросселе достигнет заданного максимального значения I*_max. Функциональная схема управления ККМ, реализующая этот алгоритм, и диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 2.
Синхронный алгоритм управления с включением транзистора по заданному минимальному току в накопительном дросселе (алгоритм I*_min_T). В этом случае транзистор выключается синхронно с тактовым генератором импульсов, задающим период коммутации, а включается, когда ток в дросселе достигнет заданного минимального значения I*_min. Функциональная схема управления, реализующая этот алгоритм, и диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 3.
Асинхронный алгоритм управления (алгоритм I*_d_I*_d), который применительно к устройствам силовой электроники часто называют «токовым коридором». Этот алгоритм реализует скользящий режим переключения тока в накопительном дросселе около заданного среднего значения тока дросселя (I*_d). Частота переключения определяется шириной петли гистерезиса в релейном блоке, постоянной времени τ_d = L/r и заданным значением тока I*_d.

Отличительной особенностью этого алгоритма управления является зависимость периода коммутации от параметров ККМ. Функциональная схема управления, реализующая этот алгоритм, и диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 4.

Рис. 4. Функциональная схема управления ККМ с алгоритмом I*d_I*d и диаграммы, поясняющие ее работу

Часто на ККМ возлагается дополнительная функция стабилизации постоянного напряжения на выходе. В этом случае токовый релейный контур строится как внутренний по отношению к контуру стабилизации выходного напряжения, в котором используется линейный ПИД-регулятор, придающий всей системе стабилизации заданные статические и динамические свойства. На рис. 5 показана функциональная схема управления ККМ со стабилизатором напряжения и асинхронным (U*_I*_d_I*_d) алгоритмом управления.

Рис. 5. Функциональная схема управления ККМ с асинхронным (U*_I*d_I*d) алгоритмом управления и стабилизатором напряжения

В ККМ заданный ток в дросселе в определенном масштабе должен повторять форму двухполупериодного напряжения на выходе выпрямителя.

Формирование заданного тока в дросселе KKM показано на рис. 1. Здесь напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя u_d = U_1m|sinωt| делится на амплитуду напряжения сети и затем умножается на заданный ток. В результате на входе системы управления транзистором (СУТ) заданный ток дросселя будет иметь необходимую форму.

Все схемы KKM в зависимости от параметров могут работать в двух принципиально различных режимах:

в режиме непрерывного тока в накопительном дросселе;
в режиме прерывистого тока в накопительном дросселе.

В первом случае ток в дросселе при выключенном транзисторе, замыкаясь через диод, не спадает до нуля. Во втором ток дросселя при выключенном транзисторе спадает до нуля.

Преимущество режима непрерывного тока по сравнению с режимом прерывистого тока состоит в том, что высшие гармоники тока в источнике питания выражены достаточно слабо, а пульсации напряжения на выходе незначительны. Это обеспечивает хорошую совместимость ККМ с источником питания и нагрузкой.

Недостатком режима непрерывного тока по сравнению с режимом прерывистого тока являются повышенные токи и мощности, рассеиваемые в полупроводниковых приборах при переключении. Практические схемы преимущественно проектируются так, чтобы обеспечивался режим непрерывных токов. В этом случае целесообразно использовать асинхронный алгоритм управления I*_d_I*_d, который и принят за основу при исследовании ККМ.

Как осуществляется коррекция коэффициента мощности?

Для борьбы со всеми этими явлениями и используют устройства, повышающие коэффициент мощности.

Они делятся на активные и пассивные.

Пассивная схема PFC представляет собой дроссель, включенный между выпрямителем и высоковольтными конденсаторами.

Дроссель — это индуктивность, обладающая реактивным (точнее, комплексным) сопротивлением.

Характер ее реактивности противоположен емкостному сопротивлению конденсаторов, поэтому происходит некоторая компенсация. Индуктивность дросселя препятствует нарастанию тока, импульсы тока слегка растягиваются, их амплитуда уменьшается.

Однако косинус φ повышается незначительно и большого выигрыша по реактивной мощности не происходит.

Для более существенной компенсации применят активные схемы PFC.

Активная схема повышает косинус φ до 0,95 и выше. Активная схема содержит в себе повышающий преобразователь на основе индуктивности (дросселя) и силовых коммутирующих элементов, которые управляются отдельным контроллером. Дроссель периодически то запасает энергию, то отдает ее.

На выходе PFC стоит фильтрующий электролитический конденсатор, но меньшей емкости. Блок питания с активной PFC менее чувствителен к кратковременным «провалам» питающего напряжения, что является преимуществом. Однако применение активной схемы удорожает конструкцию.

В заключение отметим, что наличие PFC в конкретном питающем блоке можно идентифицировать по буквам «PFC” или «Active PFC”. Однако могут быть случаи, когда надписи не соответствуют действительности.

Однозначно судить о наличии пассивной схемы можно по наличию достаточно увесистого дросселя, а активной — по наличию еще одного радиатора с силовыми элементами (всего их должно быть три).

Вот так, друзья! Хитро компьютерный блок питания устроен, не правда ли?

Всего наилучшего!

До встречи на блоге!

Анализ ККМ

Напряжение на выходе выпрямителя и ток в дросселе ККМ в установившемся режиме при незначительной пульсации на периоде коммутации представляют собой несинусоидальную периодическую функцию f(ωt) = a|sinωt|, которая раскладывается в ряд Фурье:

При расчете характеристик ККМ необходим учет активного сопротивления обмотки дросселя L, сопротивления источника питания, а также активных сопротивлений диода и транзистора в прямом направлении. Так как дроссель L включается в контур с проводящим транзистором VТ или диодом VD, то, пренебрегая разницей их прямых сопротивлений, можно добавить их прямые сопротивления к сопротивлению дросселя и источника. Это суммарное сопротивление в схеме (рис. 1) обозначено через r.

При управлении ККМ в соответствии с алгоритмом I*_d_I*_d («токовый коридор») электромагнитные процессы (по средним значениям) описываются уравнениями:

где U_d0 = 2U_m/π — среднее напряжение на выходе выпрямителя (постоянная составляющая в разложении (1)); I_d(t) — средний ток в дросселе, γ — среднее относительное значение включенного состояния транзистора на половине периода входного напряжения; диапазон изменения γ от 0 до 1; U(t) — среднее напряжение на нагрузке; C, R — емкость на выходе и сопротивление нагрузки.

Дифференциальное уравнение относительно среднего напряжения нагрузки, составленное по уравнениям (2), имеет вид:

Корни характеристического уравнения, составленного по (3), равны:

Из выражения (4) следует, что корни характеристического уравнения изменяются при изменении γ. При реально достижимых параметрах регулятора отрицательное слагаемое под корнем значительно превышает первое слагаемое, поэтому корни характеристического уравнения (4) всегда комплексно-сопряженные. В вещественном слагаемом вне корня обычно соблюдается неравенство 1/RC<<r/L. С учетом вышесказанного уравнение (4) может быть представлено в виде:

Уравнение (5) показывает, что ККМ представляет собой колебательный контур c добротностью, равной:

Значение добротности определяет отношение среднего напряжения на нагрузке к среднему напряжению питания.

Из уравнения (3) можно определить среднее выходное напряжение и ток в дросселе в установившемся режиме:

При введении относительных величин для напряжения и тока (pu — pеr units) U(pu) = U/U_d0, I(pu) = Ir/U_d0 из уравнения (7) получим уравнение регулировочных характеристик в относительных величинах:

По уравнению (8) на рис. 6 построены регулировочные характеристики выходного напряжения. Заметим, что относительное среднее напряжение нагрузки в установившемся режиме равно добротности (уравнение 6).

Рис. 6. Регулировочные характеристики ККМ

При рассмотрении характеристик (рис. 6) отметим особенность в физике работы схемы. Она заключается в наличии критического режима работы ККМ, в котором относительное напряжение на выходе достигает максимума, значение γ = γ_0.kp находится из (8), когда производная по γ равна нулю.

При проектировании ККМ на изменяющуюся нагрузку рабочая точка, соответствующая заданному напряжению нагрузки, должна выбираться из условия γ ≈ 0,5γ_0.kp. При управлении импульсным регулятором в соответствии с алгоритмом I*_d_I*_d его нагрузочная (внешняя) характеристика находится из условия баланса мощностей:

где I_d.0 = 2 I*_d.m/π, I_d = I*_d.m/√2 — средний и действующий токи в дросселе; I*_d.m — заданная амплитуда тока на входе схемы управления (рис. 1). Уравнение нагрузочной характеристики в относительных единицах:

Нагрузочные характеристики при различных значениях заданной амплитуды тока дросселя, построенные по уравнению (11), показаны на рис. 7.

Рис. 7. Нагрузочная характеристика ККМ

При рассмотренном управлении ККМ представляет собой источник мощности. С увеличением заданной амплитуды тока в дросселе мощность на выходе возрастает.

Если ККМ строится так, чтобы одновременно с поддержанием коэффициента мощности близким к единице он выполнял бы еще и функцию стабилизатора выходного напряжения, то электромагнитные характеристики ККМ при различных значениях заданного напряжения на выходе строятся по уравнению:

Эти характеристики показаны на рис. 8.

Рис. 8. Электромагнитные характеристики ККМ

Из них видно, что для поддержания постоянного напряжения на нагрузке максимальный заданный ток дросселя должен превышать средний ток нагрузки тем больше, чем более напряжение на нагрузке превышает среднее напряжение на входе.

Существуют различные методики расчета параметров ККМ . Далее представлена методика расчета, опирающаяся на уравнения и характеристики ККМ, полученные выше. Расчет осуществлен для ККМ, используемого в мощной технологической установке, питающейся от однофазной сети переменного тока.

Легенды продавцов или как не купить дешевый инвертор по цене дорогого

Менеджеры магазинов сварочного оборудования идут на разные хитрости, которые «работают» на людях, сильно не разбирающихся в тонкостях выбора сварочной техники и комплектующих к ней. Посетив любой магазин, вы, скорее всего, услышите много лестного о реализуемой продукции. О недостатках же либо умолчат, либо скажут о них «между прочим», потому как они всегда несущественные и в целом на качество товара и его стоимость не влияют. Не говоря уже об откровенном обмане покупателя, который начали у нас практиковать повсеместно…

Как защитить себя доверчивому покупателю от происков недобросовестных продавцов? Какой инвертор купить? Конечно же нужно консультироваться со специалистами, которые хорошо разбираются в вопросе, ведь высокая цена не всегда гарантирует высокое качество. О чем идет речь? Расскажем на конкретном примере…

На фото представлен сварочный инвертор Migatronic Focus STICK 160E (в комплектации), который в одном из интернет- магазинов стоит 42224 руб. Производитель заявлен как Migatronic. Страна-производитель, естественно, Дания и гарантия 1 год.

Те люди, которые хоть один раз в своей жизни видели «внутренности» китайского инвертора узнают в этом благородном датчанине обычного «трехпалубного» китайца. И вся его «инновационность» состоит только лишь в наличие ККМ (корректирующего коэффициента мощности). Менеджеры продают аппараты с ККМ как такие, которые будут работать в слабой сети. Да, он будет работать, только слабую сеть он садит еще сильней. На самом деле европейцы придумывали ККМ не для этого, с сетью у них все в порядке. Настоящее назначение ККМ – стабилизация выходного сварочного тока и соответственно, горения дуги на электроде.

Если кто не верит, можно провести простой эксперимент: взять два одинаковых инвертора (один с ККМ, другой без) и генератор на 4 КВт, который работает на пределе своих возможностей при сварке трехмиллиметровым электродом. Простой инвертор от генератора будет варить тройкой, с ККМ – нет. Либо он сразу уйдет в защиту, либо вообще сгорит.

Без углубления в подробности схемотехники можно смело сказать, что настоящая цена данного сварочника чуть более 100$, но продают его, как Migatronic Focus Дания

То же касается масок, инверторов, HITACHI, ESAB buddy и т.д. и т.п. Многие обладатели данных устройств, могут возмутиться и всячески отрицать, что они обладают китайскими сварочными аппаратами, но факты свидетельствуют, к сожалению, о другом. Дело в том, что Хитачи не выпускает инверторы, а ЕСАБ – сварочные маски. Но если вы разберете устройства, которые реализуются под этими двумя марками в России, то окажется, что внутри они будут представлять собой одно и то же. Смешно, но инвертор ЕСАБ от ХИТАЧИ отличается только внешним видом корпуса. Можете в этом убедиться, проанализировав фотографии их «внутрянки» в интернете.

Вывод без тени иронии

Покупайте отечественное -российские инверторы, их пока не подделывают и качество действительно на высоком уровне. Есть как мелкие фирмы, так и крупные заводы, которые на сегодняшний день хорошо себя зарекомендовали:

Форсаж (Государственный Рязанский приборный завод),
Неон (ЗАО Электро Интел, Нижний Новгород),
ФЕБ (ООО «НПП ФЕБ», Питер),
Технотрон (Чувашская Республика),
Циклон (Ростов-на-Дону),
Селма (Севастополь).

Почему возникают проблемы с фактором мощности в блоках питания?

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

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

Форма напряжений на входе и выходе выпрямительного диодного моста:

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

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

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

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

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

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

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

Boost PFC

Эта популярная реализация, которая также называется повышающим преобразователем, представляет собой преобразователь мощности с выходным напряжением постоянного тока, превышающим его входное напряжение постоянного тока. Этот класс импульсного источника питания (SMPS) содержит, по меньшей мере, два полупроводниковых переключателя и один элемент накопления энергии (конденсатор). Фильтры обычно добавляются к выходу преобразователя для уменьшения пульсации выходного напряжения. Поскольку мощность должна быть сохранена, выходной ток меньше, чем
входной ток.

Практически все повышающие PFC используют стандартную микросхему контроллера для простоты конструкции, снижения сложности схемы и экономии затрат.

Когда переключатель (S) замкнут, выход индуктора соединен с землей, и на него подается напряжение (Vi). Ток индуктора увеличивается со скоростью, равной Vi / L. Однако при размыкании контакта напряжение на катушке индуктивности изменяется и становится равным V_L-Vin. Ток, который протекал в индукторе, будет затухать со скоростью, равной (V_L-Vi) / L.

Индуктор фильтра на входной стороне является основным преимуществом повышающих PFC, поскольку он допускает мало искаженные входные токи, которые предотвращают уменьшение значения коэффициента мощности. Недостатком этого подхода является то, что выходное напряжение всегда превышает пиковое входное напряжение. Кроме того, отсутствует ограничение тока во время перегрузки и короткого замыкания из-за прямой связи между линией и нагрузкой.

Влияние фактора мощности на потребление электрической энергии

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

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

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

S = IE, или S = 10A * 240V = 2400 kVA

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

Power Factor равен отношению активной мощности к полной:

Power Factor = P/S,

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

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

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

Для справки:

Действующее значение напряжения (тока) также называют среднеквадратичным или эффективным напряжением — Urms (для тока Irms).

Период, амплитуда, действующее (Urms) и среднее значения переменного синусоидального тока:

Среднеквадратичное значение напряжения Vrms (именно это напряжение измеряется обычным вольтметром) связано с величиной пикового напряжения Vpk неизменным коэффициентом:



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



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

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



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

Формулы перевода действующего напряжения в амплитудное и наоборот:

Uд=Uа/√2 или Uд=Uа/1.41

Uа=Uд*√2 или Uа=Uд*1.41

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

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

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

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

Новая схема общей коррекции коэффициента мощности для бытового и офисного применения

Применение способа общей коррекции коэффициента мощности для бытовых и промышленных нагрузок приводит к уменьшению гармонических искажений без необходимости установки дорогостоящих корректоров коэффициента мощности в каждом потребительском устройстве.

При выпрямлении синусоидального переменного тока с емкостной фильтрацией от источника потребляются импульсы тока большой амплитуды. Значения пиков тока могут достигать 600% тока, потребляемого линейной активной нагрузкой той же мощности. Выпрямители с емкостным фильтром, используемые в сетевых источниках питания, является причиной прерываний тока. Ток протекает, только если напряжение переменного тока превышает постоянное напряжение на конденсаторе. Интервал, когда ток заряжает конденсатор, определяет угол прохождения тока выпрямителя. Этот угол или коэффициент мощности нагрузки зависит от импеданса источника, величины ёмкости, а также от величины нагрузки преобразователя. При малой нагрузке угол прохождения тока может иметь величину всего лишь несколько градусов, а при полной нагрузке этот угол будет больше. Но даже при больших нагрузках ток не является непрерывным, он имеет форму коротких импульсов с относительно большой амплитудой и содержит много высших гармоник.

Поэтому обычное выпрямление переменного тока, которое применяется во входных схемах большинства блоков питания электронного оборудования, подключенного к сети, представляет собой очень нерациональное решение, создающее много проблем. При высоких уровнях мощности (от 200 до 500 Вт и выше) эти проблемы становятся ещё более серьёзными.

Описанные пики тока являются причиной сильных искажений напряжения сети и дополнительных потерь. Также при этом генерируется широкий спектр гармоник, которые могут создавать помехи для другого оборудования. Из-за искажения формы тока коэффициент мощности падает до величины порядка 0,45. Кабельная сеть, сама установка, трансформаторы – всё должно проектироваться с учётом пиковых значений тока. Большие падения напряжения, обусловленные искажениями, должны компенсироваться.

Пики тока являются причиной излучаемых помех. Излучаемые помехи, возникающие из-за высокочастотной коммутации импульсных преобразователей, хорошо известны и устраняются с помощью специальных фильтров, которые устанавливаются во все подобные устройства. Импульсы прерывающегося тока, возникающие при заряде емкости источника питания, являются иным видом помех. Они могут влиять на работу чувствительного оборудования, связанного с сетью переменного тока.

Имеются два вида такого влияния. Во-первых, импульсы тока большой амплитуды генерируют электромагнитные поля, достаточно сильные, чтобы влиять на чувствительные усилители. Во-вторых, так как сеть переменного тока имеет ненулевой импеданс источника, большие пики тока становятся причиной «срезания» вершин синусоиды напряжения. Эта ситуация наглядно представлена на рис. 1. Разложение соответствующей кривой в ряд Фурье показывает, что данный факт значительно снижает коэффициент мощности.

Такие искажения напряжения могут отрицательно влиять на устройства, работа которых зависит от синусоидальности переменного тока. Если к сети с искажениями подключено более одного устройства, проблема усугубляется, потому что входные конденсаторы каждого из источников питания заряжаются во время одного и того же пика синусоиды напряжения.

Влияние низкого коэффициента мощности и гармоник, генерируемых выпрямителями с емкостным фильтром, является проблемой уже длительное время. Такие гармоники должны подавляться, поэтому был разработан и принят стандарт МЭК 61 000-3-2. Изучение этого стандарта показывает, что следование ему приводит к снижению уровня гармоник, генерируемых оборудованием, но стандарт не требует полного подавления искажений или повышения коэффициента мощности. Таким образом, сеть с ограниченным уровнем искажений соответствует стандарту и без полного подавления гармоник или повышения до единицы коэффициента мощности источников питания. На практике при увеличении количества оборудования, подключаемого к сети, суммарный ток гармоник может возрасти.

Для смягчения проблем, описанных выше, всё чаще используются схемы коррекции коэффициента мощности. Такие схемы, однако, увеличивают затраты, поэтому альтернативным решением может быть общая схема коррекции коэффициента мощности. На рис. 2 приведены формы токов при одинаковой мощности нагрузки, подключенной к схеме выпрямителя с емкостной фильтрацией со схемой активной коррекции коэффициента мощности и без неё.

Заключение

Несмотря на сравнительно небольшой по количеству серий ассортимент предлагаемых ККМ-контроллеров, продукция STMicroelectronics, благодаря ряду удачных схемотехнических решений и разнообразию возможных режимов работы, перекрывает практически весь спектр приложений импульсных преобразователей энергии — повышающие/понижающие блоки питания, драйверы светодиодных светильников, корректоры коэффициента мощности.

Кроме того, для всего спектра приложений осуществляется информационная и техническая поддержка разработчика — от рекомендаций по применению и программ для расчета блоков и узлов до отладочных и демонстрационных плат.

Схема блока питания компьютера