Как схема конвертера Boost PFC улучшает качество электроэнергии
Линейные источники питания, даже с пассивной фильтрацией, имеют низкий коэффициент мощности и высокие гармонические токи. Узнайте о преобразователе коррекции коэффициента мощности (PFC), который может улучшить качество питания источников питания.
Связанная информация
- Расчет коэффициента мощности
- Практическая коррекция коэффициента мощности
- Коэффициент мощности, THD и почему линейные источники питания не соответствуют стандартам электроснабжения
Все электронные устройства требуют источников питания для преобразования переменного напряжения от сети в постоянное напряжение для электроники. Линейные источники питания, даже с пассивной фильтрацией, имеют низкий коэффициент мощности и вводят гармонические токи в систему.
Общий эффект одного источника питания невелик, но если вы считаете, что миллионы таких расходных материалов используются, совокупное влияние на качество питания этих источников питания может быть существенным. Мы можем улучшить эту ситуацию, используя источники питания, которые включают схему коррекции коэффициента мощности, которая увеличивает коэффициент мощности и уменьшает гармонические токи. Преобразователь коррекции коэффициента мощности является одной схемой, которая может быть добавлена к источникам питания, чтобы значительно улучшить качество их питания.
Коэффициент мощности и коэффициент мощности
Один тип коррекции коэффициента мощности (PFC) включает в себя пассивную коррекцию, при которой реактивная мощность системы компенсируется добавлением компонента, который будет использовать равную, но противоположную величину реактивной мощности. Например, если нагрузка индуктивна с реактивной мощностью 1, 754 кВАр, то для этой системы потребуется емкостная нагрузка с реактивной мощностью 1, 754 кВАр, чтобы противостоять индуктивности.
Одним из способов реализации такого рода коррекции коэффициента мощности является наличие большого банка конденсаторов, который может быть включен в схему, когда это необходимо. Этот тип коррекции коэффициента мощности хорошо работает для линейных нагрузок в больших масштабах, где стоимость системы коррекции коэффициента мощности может быть поглощена величиной и стоимостью всей системы.
На гораздо меньших масштабах, например, также важны индивидуальные источники питания - коэффициент мощности. Это важно не потому, что какой-либо отдельный источник питания оказывает большое влияние на систему, а потому, что имеется так много источников питания. Еще более сложным является тот факт, что эти источники питания являются нелинейными нагрузками, поэтому коэффициент мощности не может быть скорректирован путем простого добавления реактивных компонентов (то есть конденсаторов или индукторов).
Для обеспечения того, что электронные устройства не оказывают существенного кумулятивного влияния на коэффициент мощности сетки, международные стандарты, такие как EN61000-3-2 и Energy Star 80 Plus, устанавливают ограничения на деградацию коэффициента мощности и гармонические искажения, которые подают источники питания.
В предыдущей статье показано, что простых пассивных фильтров недостаточно для адекватного улучшения коэффициента мощности или гармонических искажений. Вместо этого мы должны использовать схему активной мощности, которая заставляет ток переменного тока отслеживать напряжение переменного тока.
Преобразователь коррекции коэффициента усиления Boost
Одной из наиболее распространенных активных схем PFC называется преобразователь PFC с ускорением, который является относительно простой и недорогой схемой. Единственными дополнительными компонентами, которые требуются помимо тех, которые используются в линейном преобразователе постоянного тока, являются переключатель (обычно полевой транзистор), диод и индуктор.
На рисунке 1 ниже показан импульсный преобразователь PFC. Вы можете видеть, что это, по сути, линейный источник питания, в который встроен повышающий преобразователь между выпрямителем и фильтрующим конденсатором.
Рисунок 1. Схема преобразователя POS преобразователя
Общая цель преобразователя PFC-ускорителя состоит в том, чтобы выключить и включить переключатель (S1) быстро и с переменным рабочим циклом, чтобы сделать входной ток (i ac) синусоидальным и в фазе с входным напряжением (v ac),
Эксплуатация преобразователя PFC
Ускоренная схема PFC быстро перемещается между двумя состояниями. Первое состояние происходит, когда S 1 закрыт, как показано на рисунке 2. Когда в этом состоянии индуктор подается на переменную сторону цепи через выпрямитель, и, следовательно, ток индуктора будет увеличиваться. В то же время диод D pfc становится обратным смещением (потому что его анод подключен к земле через S 1), и энергия подается на нагрузку конденсатора.
Рисунок 2. Увеличенный преобразователь PFC с переключателем (S 1) закрыт
На рисунке 3 показано второе состояние, которое возникает, когда S 1 открыто. В этом состоянии индуктор отключается (ток уменьшается), когда он подает энергию на нагрузку и перезаряжает конденсатор.
Рисунок 3. Boost PFC-конвертер с переключателем (S 1) открыт
(Обратите внимание, что на рисунке 2 и на рисунке 3 показана только положительная половина цикла входного напряжения. Отрицательная половина будет идентичной, за исключением того, что ток будет протекать через два других диода выпрямителя.)
Цикл между двумя состояниями выполняется на высокой частоте, которая, по меньшей мере, в десятках кГц, но часто на порядок (или даже больше) выше этого. Цикличность назад и вперед между состояниями выполняется быстро и таким образом, что оба поддерживают постоянное выходное напряжение и управляют средним индуктивным током (а затем и средним переменным током).
Поскольку ток индуктора возрастает в состоянии 1 и уменьшается в состоянии 2, рабочий цикл определяет время, в течение которого ток индуктора увеличивается в зависимости от времени, в течение которого ток индуктора уменьшается. Таким образом, изменяя рабочий цикл, можно регулировать средний ток индуктора. Сделав эту среднюю текущую дорожку ожидаемым током, вы можете получить значительное улучшение коэффициента мощности и полного гармонического искажения (THD).
Для идеальной системы ожидаемым током индуктора будет выпрямленная синусоидальная волна, и ожидаемый ток переменного тока будет синусоидальной. Из-за характера переключения системы и сложности в обеспечении идеального отслеживания ожидаемого тока входной ток переменного тока (I ac) не будет идеальной синусоидальной волной, а ток индуктивности (I (L)) не будет идеальным выпрямил синусоидальную волну, но вместо этого будет выглядеть примерно так:
Рисунок 4. Ток сети переменного тока и ток индуктивности преобразователя PFC
Эти токи являются общей формой, в которой они должны быть (синусоидальная / выпрямленная синусоида), но одна вещь, которая выделяется, заключается в том, что линии сигналов выглядят толстыми. Это происходит потому, что толщина в течение одного цикла ток пандусы вверх, а затем сползают вниз, как средний ток контролируются для отслеживания опорного синусоидального напряжения.
Масштабирование тока индуктора показывает многократно увеличивающиеся и уменьшающиеся токи катушки индуктивности, когда система переключается между двумя состояниями.
Рисунок 5. Масштабирование тока катушки индуктивности в преобразователе PFC
Boost PFC Control System
Замкнутое управление необходимо для обеспечения поддержания выходного напряжения и переменного тока синусоидальным и в фазе с переменным напряжением. В рамки этой статьи выходит описание того, как разработана система управления, но на рисунке 6 приведено общее представление об общей системе; он показывает схему усиления PFC с блоком контроллера, который принимает четыре входа и генерирует выходной сигнал с широтно-импульсной модуляцией (PWM), подаваемый на затвор S 1.
Рисунок 6. Схема усиления преобразователя PFC с системой управления
Система управления, показанная на рисунке 6, требует трех вещей:
- измерение выходного напряжения (V dc) для обеспечения его поддержания на эталонном уровне (V ref)
- измерение напряжения переменного тока, чтобы служить основой для тока индуктора
- измерение среднего тока индуктора для обеспечения отслеживания выпрямленного переменного напряжения
Система управления обычно представляет собой систему управления PI или PID, которая гарантирует, что разница между опорными сигналами и требуемыми сигналами как можно меньше.
Результатами успешного проектирования являются улучшенный коэффициент мощности и THD, а также регулируемое выходное напряжение. Напряжение и ток переменного тока для преобразователя PFC с повышением частоты показаны на рисунке 7.
Рисунок 7. Напряжение и ток переменного тока
Вы можете видеть, что ток и напряжение близки к фазе и что ток имеет общую синусоидальную форму с минимальными искажениями.
Анализ этой системы показывает, что коэффициент мощности меньше 0, 99, а коэффициент THD составляет около 10%. Эти цифры показывают, что качество электроэнергии довольно хорошее, и их было бы достаточно для удовлетворения требований к гармоническому току IEC 61000-3-2, а также требований коэффициента мощности Energy Star 80 Plus.
Вывод
Линейные источники питания отрицательно влияют на качество электроэнергии электрической системы. Добавление пассивных фильтров к источнику питания может улучшить качество электроэнергии, но недостаточно для удовлетворения требований к качеству электроэнергии, таких как IEC 61000-3-2 и Energy Star 80 Plus. Для удовлетворения этих требований необходима коррекция коэффициента активной мощности, а одним из самых дешевых и наиболее распространенных способов реализации активной коррекции коэффициента мощности является использование преобразователя PFC для повышения.
Преобразователь PFC усилителя использует переключающий элемент, чтобы заставить входной ток переменного тока быть синусоидальным и в фазе с входным напряжением. Пример, использованный в этой статье, показал, что существенное улучшение качества питания источника питания можно получить с помощью преобразователя PFC с повышением.