Фактор на мощността, THD и защо линейни захранващи устройства не отговарят на стандартите за захранване

Words at War: The Ship / From the Land of the Silent People / Prisoner of the Japs (Март 2019).

Anonim

Фактор на мощността, THD и защо линейни захранващи устройства не отговарят на стандартите за захранване


Международните спецификации определят стандартите за качеството на електроенергията и електронното оборудване, свързани с мрежата. Основните линейни захранващи устройства не са в състояние да отговорят на факторите на мощността и THD на тези стандарти. Тази статия показва защо.

Факторът на мощността и общото хармонично изкривяване (THD) са ключови показатели за качеството на електрическото и електронното оборудване. По принцип коефициентът на мощността трябва да бъде колкото е възможно по-близък до един и общото хармонично изкривяване трябва да бъде възможно най-ниско.

Различни стандарти определят какво трябва да бъдат нивата за "добра" система. Линейните захранвания обикновено причиняват на системата слабото качество на захранването и тази статия описва защо е това и показва какво може да се направи за нея.

Международните стандарти като програмите IEC 61000-3-2 и Energy Star 80 Plus задават спецификации за качеството на електрическото и електронното оборудване, което е свързано с електрическата мрежа. По-конкретно, IEC 61000-3-2: 2014 определя границите на хармоничните токове на различните класове оборудване въз основа на техните максимални нива на мощност. Програмата Energy Star 80 Plus определя минималния фактор на мощността (0.9 при 100% натоварване) и минималната ефективност (80%) на захранващите устройства за компютърно оборудване.

Спецификациите за качеството на електроенергията са доста строги и резултатът е, че основното линейно електрозахранване вече не може да се използва в много приложения, тъй като е невъзможно този вид електрозахранване да отговаря на тези международни стандарти.

Характеристики на качеството на захранването

Преди да обсъдим защо линейните захранвания не могат да отговорят на тези стандарти, нека да разгледаме накратко характеристиките, включени в тези стандарти.

Енергийна ефективност

Енергийната ефективност е най-лесната характеристика за разбиране. Това е просто полезната енергия, която е достъпна или произведена от дадена система, разделена на общата консумирана енергия от дадена система. Значението на стандартите за енергийна ефективност е очевидно - по-ниската ефективност означава повече загуба на енергия.

THD (общо хармонично изкривяване)

Концепцията за общо хармонично изкривяване е малко по-сложна от тази на енергийната ефективност. THD се обсъжда по-подробно тук, но краткото описание е, че то се определя чрез сумиране на всички хармонични компоненти на сигнал (в този случай ток) и сравняване на тази сума с основната честота.

С други думи, THD се създава от всички честоти в сигнал, които са кратни на основната честота, но не са основната честота.

Един наистина общ начин да се мисли за THD е, както следва: перфектната синусоидална вълна няма хармонични компоненти и колкото по-малко е, че периодичният сигнал изглежда като перфектна синусоидална вълна, толкова по-хармонични компоненти ще има. THD стандартите за тока са важни, защото тези компоненти с по-висока честота на тока имат различни нежелани ефекти върху електрическите системи, включително повишени общи токове, увеличени загуби на двигатели в двигателя и електромагнитни смущения с други електронни устройства.

PF (фактор на мощността)

Факторът на мощността също е по-напреднала тема от енергийната ефективност и можете да прочетете много повече подробности за нея тук. Основната идея е, че факторът на мощността е размерът на реалната мощност, доставена на дадена система, разделена на размера на привидната мощност, доставена на системата (максималният фактор на мощността е 1 и колкото по-близо до 1 толкова по-добре):

$ PF = \ frac {P} S \ right $$

където PF е факторът на мощността, P е истинската мощност и S е явната мощност. | S | е равно на I RMS × V RMS и PF показва частта от тази явна мощност, която всъщност се използва от системата.

Останалата част от мощността се нарича реактивна мощност, която се колебае назад и напред в системата от източника до товара, без да се изчерпва. Ако две системи изискват същото количество реална мощност, токът, доставен в системата с по-голяма реактивна мощност, трябва да бъде по-висок от тока, подаден в системата с по-малко реактивна мощност. С други думи, стандартите за фактора на мощността са важни, защото системата с нисък коефициент на мощност ще изисква по-висок върхов ток за достигане на същото количество реална мощност.

Двата ключови аспекта на системата, които засягат фактора на мощността, са хармоничното изкривяване (това се нарича фактор на изкривяване) и фазовата връзка между AC напрежението и тока (косинусът на тази фазова разлика се нарича фактор на изместване). Колкото по-синусоидален е токът, толкова по-близо до единството ще бъде коефициентът на изкривяване. Колкото по-малка е фазовата разлика между напрежението и тока, толкова по-близо до единството ще бъде коефициентът на изместване. Съчетаването на коефициента на изкривяване и коефициента на изместване дава друго уравнение за фактора на мощността:

$ PF = (коефициент на изкривяване) (коефициент на изместване) = \ frac {I_ {1, RMS}} {I_ {RMS}} \ times cos (\ varphi)

където $$ I_ {1, RMS} $$ е RMS стойността на тока при основната честота, $$ I_ {RMS} $$ е RMS стойността на общия ток и $$ \ varphi $$ е фазата разликата между напрежението и тока.

Предизвикателства в спецификациите за срещи

Нека се върнем към това, защо линейните захранващи устройства обикновено не могат да отговорят на стандартите за качество на захранването на спецификациите като IEC 61000-3-2: 2014. Първо, нека да разгледаме работата на една от тези консумативи и да погледнем внимателно текущото теглене и връзката между напрежение и ток.

Ето схема и схема на основно линейно захранване:

Фигура 1. Схема на линейно захранване и картина

Състои се от трансформатор, за да се спусне напрежението на мрежата, токоизправител за преобразуване на променливотоковото напрежение на мрежата в постоянно напрежение, кондензатор за филтриране на напрежението и потенциално регулатор за поддържане на постоянно напрежение (веригата в Фигура 1 не включва регулатор).

Дори ако приемем, че натоварването е линейно (което съвсем не е възможно), токът, който се влива в тази система от страна на АС, е в изблици. Тези изблици се дължат главно на зареждането и разреждането на кондензатора, тъй като филтрира пулсацията на напрежението. Резултатът от тези изблици е нисък фактор на мощност и високи хармонични токове в системата.

Фигура 2 показва тока в DC страна на системата (I rect ) във връзка с напрежението към товара (V DC ). Обърнете внимание на големите токове на тока, последвани от периоди на липса на ток - въпреки факта, че токът към самия товар е повече или по-малко постоянен, страната на променливотоковия ток на захранващото напрежение трябва да осигурява ток в падания.

Фигура 2. Ток от токоизправител и постоянен ток през натоварване

Токът в страната на променлив ток, дължащ се на големите шпайкове от страната DC, може да се види на фигура 3, която показва AC тока във връзка с AC напрежението. AC напрежението е синусоидално, но AC токът не е такъв.

Фигура 3. AC напрежение и ток на линейно захранване

Периодичният, но несинусоиден характер на AC тока дава индикация, че факторът на мощността ще бъде нисък и THD ще бъде висок. Измерванията на качеството на мощността на тази система показват, че коефициентът на мощност е около 0, 35 и общото хармонично изкривяване е повече от 30%. Тези стойности не са никъде близки до изискванията на IEC 61000-3-2 или Energy Star 80 Plus.

Изглаждащ ток с индуктор

За да се намалят токовите хармоници и да се увеличи факторът на мощността, токът трябва да бъде направен по-гладък, така че да съвпада по-тясно с формата на променливотоковото напрежение. Тоест, ще трябва да направим токов синусоидален и във фаза с AC напрежение.

Един прост начин да се направи текущата гладка е да се добави индуктор на изхода на токоизправител. Този индуктор ще действа като филтър, който може да изглади резките промени в тока. Захранващ кръг с добавен индукционен филтър е показан на Фигура 4.

Фигура 4. Линейно захранване с индукционен филтър

В ток индуктор на DC страна за тази нова верига е показано на фигура 5. Токът все още се доставя в поредици, но сега пиковият ток е по-нисък и разрушаване са много по-малко внезапно. Това означава, че AC страна няма да трябва да осигури такива големи, интензивни шпайкове на ток. Това частично изглаждане на тока помага да се подобри качеството на електроенергията на системата.

Фигура 5. Ток от токоизправител, когато се използва индукционен филтър

Измерванията на тока и напрежението на страната AC са показани на Фигура 6; тези вълни дават повече доказателства, че качеството на електроенергията се подобрява. Токът все още е извън фаза с напрежението, но изглежда по-синусоидален.

Фигура 6. AC напрежение и ток с филтър индуктор

Измерванията както на коефициента на мощността, така и на THD действително показват значително подобрение: факторът на мощността е около 0, 7, а THD е около 20%.

Тези подобрения обаче все още не са достатъчни, за да изпълнят изискванията за мощността или THD на IEC 61000-3-2 или Energy Star 80 Plus. Нещо по-радикално от пасивния токов филтър ще трябва да се добави към схемата, за да отговори на тези спецификации.

Видът на веригата, който ще бъде в състояние да отговори на спецификациите PF и THD, ще бъде нещо, което принуждава променливотоковия ток да проследи променливотоковото напрежение, като по този начин причинява коефициента на мощността да бъде много близък до един и да запази THD много близо до нула. Тази схема ще изисква сензори за наблюдение на напрежението и тока, както и система за обратна връзка, която принуждава тока да следва напрежението.

Ще се изисква превключваща верига от един вид и един от най-често срещаните видове вериги, които могат да реализират това подобрение, се нарича верига "коригиране на усилващия фактор на мощността" (или "усилване на PFC"). Както подсказва името, тази схема се основава на усилвател и може значително да подобри PF и THD.

заключение

Тази статия представя идеята за изискванията за качество на електроенергията за електрическите и електронните системи и показва, че стандартно линейно захранване (дори при добавяне на индукционен филтър) не е в състояние да отговори на основните изисквания за качество на електроенергията.

Гаранцията, че захранването ще отговаря на изискванията за качество на захранването, като тези в IEC 61000-3-2: 2014, изисква добавяне на система, която да контролира променливотоковия ток, за да се гарантира, че тя съответства на синусоидното AC напрежение възможно най-близо. Това може да се осъществи с верига за усилване на коефициента на усилване на мощността и описание на начина, по който работи тази схема за превключване, ще бъде предоставена в бъдеща статия.