Подобрители (коректори) на фактора на мощността

Какво е фактор на мощността?

По определение фактор на мощността (Power Factor – PF) на източника на променлив ток – това е отношението на активната мощност във ватове към пълната мощност, изчислени като произведение между ток и напрежение. PF = Активна мощност/ Пълна мощност От този израз се вижда, че коефициентът на мощността може да приема стойности единствено в диапазон между 0 и 1. Следователно, когато токът и напрежението са синусоидални и са във фаза – PF = 1. Ако токът и напрежението са синусоидални и са дефазирани, общата мощност ще е по-голяма от активната и в този случай, коефициентът на мощността е равен на косинус от ъгъла между тока и напрежението.

Коефициентът на мощността е равен на 1 в идеалният случай, когато товарът е чисто резистивен и линеен. В реалните електронни системи на офлайн захранванията от типа AC/DC, източника на енергия е с определен импулсен характер и представлява нелинеен товар. В днешно време, най-често се използват именно импулсни захранвания, изкривяващи синусоидалната форма на входния ток и напрежение и довеждащи до промяна на фазовият ъгъл между тях. Когато фазите на тока и напрежението не съвпадат, коефициентът на мощността е по-малък от единица. Освен загуби, коефициентът на мощността, по-малък от единица, предизвиква появата на хармоници, които изместват напреженовата неутрала и влияят зле на работата на други устройства включени в мрежата.

Значение на факторът на мощността

Колкото е по-малък факторът на мощността, толкова е по-голямо наличието на хармоници в мрежата и обратно. Именно по тази причина има строги правила, ограничаващи нивото на нелинейните изкривявания, допускани в мрежите за променлив ток. Например в Европа е разработен стандарт EN61000-3-2, определящ допуска за вкарването на хармоници от електронни устройства обратно в мрежата. Той се прилага за всички електронни системи клас D (компютри, лаптопи, монитори, тунери и телевизори), консумиращи повече от 75 W. Този стандарт в днешно време е приет и на международно ниво. За да удовлетворят изискванията на стандартите по отношение на нивото на нелинейните изкривявания и за да поддържат висока стойност на фактора на мощността, в устройствата преобразуващи променлив ток в постоянен с цел захранване на електронни уреди с консумация над 75 W, е необходимо да се предвиди корекция на фактора на мощността (PFC – power factor corection).

Как се коригира фактор на мощността?

Поставянето на коректор позволява да се постигне голяма стойност на коефициента на мощността и гарантира намаляване на хармониците в променливотоковата верига. Съществуват много пасивни и активни схеми за корекция на фактора на мощността. Пасивни коректори на фактора на мощността Най-простият начин за контрол на хармониците на тока се осъществява с използването на пасивен филтър, пропускащ ток единствено с мрeжова честота (50-60Hz). Този филтър намалява хармоничните съставки на тока и включеното в мрежата нелинейно устройство, по този начин, започва да прилича по характеристики на линейно. С помощта на филтъра изграден от кондензатори и индуктивности, факторът на мощността може да бъде приближен към единица, обаче недостатъкът на такова решение е необходимостта от използване на високоамперни намотки и високоволтови кондензатори, заемащи много място а и доста скъпи.

На фиг.1 се демонстрират входните хармоници на три различни компютърни източници с мощност 250 W на фона на ограничението на стандарта EN/IEC61000-3-2 за устройства клас D. Амплитудите на хармониците са пропорционални на входящата мощност на тези устройства. Пасивният коректор на факторът на мощността осигурява съответствие със стандарта само относно нивото на третия хармоник. Захранването, в което е приложена схема с активен коректор на фактора на мощността не просто отговаря на стандарта EN/IEC61000-3-2, но и значително надвишава неговите изисквания.

Пасивни и активни коректори на фактор на мощността

Независимо от простото схемотехническо решение и честата употреба, схемите с пасивни коректори на фактора на мощността имат редица недостатъци. Първо, габаритите на бобината с индуктивността създава известни ограничения в приложението и в много устройства. Второ, за да се осигури използването на устройството в различни държави е необходимо да се снабди с превключвател за входното напрежение (110/220V). Това от своя страна повишава риска от изгаряне на уреда, вследствие на грешка на ползвателя. И накрая, захранващото напрежение не може да се регулира, което оказва влияние на цената и ефективността на работа на DC/DC преобразувател, разположен след коректора на фактора на мощността. Активни коректори на фактора на мощността.

Активни коректори на фактора на мощността

Покрай добрите характеристики, ръста в цените на медта и материала на магнитните сърцевини. В съчетание с постоянното намаление на стойността на полупроводниковите елементи, везните се накланят в полза на използването на активните коректори на фактора на мощността. Съществуват три основни вида микросхеми за активни коректори на cosϕ:

1. Режим на критическа проводимост.

2. Режим с непрекъсната проводимост.

3. Режим на прекъсната проводимост.

Подобни коректори се предлагат от различни производители, като всеки използва собствена аргументация за обосновка на целесъобразността и областта на приложение на различните коректори.

Режим на гранична проводимост

Схемата на управление в режим на критическа проводимост задържа токът в индуктивната бобина на границата между непрекъснатата и прекъснатата проводимост. Някои производители предпочитат да наричат този режим, режим на гранична проводимост и се реализират по разнообразни схеми с управление по напрежение за източници на захранване със средна мощност (до 300 W). За корекция на факторът на мощността в микросхемите са използват метод за управление на времето на включване, позволяващ едновременно да се изпълнят функциите на коректор на cos ϕ и регулация на входното напрежение. Вследствие намаляването на нивото на пиковете, изглаждане на пулсациите и опростяване на филтрирането, режимът на непрекъснатата проводимост широко се прилага при средна и висока мощност. Режимът на прекъсната проводимост се предпочита при устройства със средна и ниска мощност.

При създаването на активен контролер на cos ϕ са внедрени цифрови технологии, позволяващи да се изключат ред външни компоненти, необходими при аналогови устройства, и да се предложат решения с малко загуби за захранвания за лаптопи, компютри и цифрови TV приемници. За постигане на фактор на мощността близък до единица и за намаляване на електромагнитните излъчвания в микросхемите се използват алгоритми с управление на времето на включване и контрол на честотата. В заключение можем да кажем, че поради строгите изисквания на стандарти от типа на EN/IEC61000-3-2 и негови международни аналози, производителите на контролери на фактора на мощността в последните години се увеличи, предоставяйки на разработчиците по-големи възможности за създаване на решения за подобряване на фактора на мощността при малки загуби и с минимално количество елементи.