Коррекция фактора мощности pfc что это
PFC коррекция коэффициента мощности
Коэффициент мощности и фактор наличия гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронного оборудования, которое этой электроэнергией питается.
Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности потребителей был приближен к единице, а для электронных приборов важно чтобы гармонических искажений было бы как можно меньше. В таких условиях и электронные компоненты устройств проживут дольше, и нагрузке будет более комфортно работать.
В реальности же имеет место проблема, которая состоит в том, что обычный линейный источник питания не способен обеспечить электронное оборудование электроэнергией должного качества, да еще и с высоким КПД. В итоге приходится мириться с тем, что КПД сетевого блока питания в 80% при коэффициенте мощности стремящимся к 0,7 стало принято считать нормой.
А причина данной проблемы кроется в том, что на входе обычного импульсного блока питания стоит диодный мост с конденсатором фильтра, и будь потребитель выпрямленного тока даже линейной нагрузкой, все равно ток, подаваемый из сети на диодный мост, будет иметь всплески, ярко выраженные обособленные пики, между которыми расположены промежутки нулевого потребления тока от сети.
В схеме, которая получает питание от такого конденсатора фильтра, данное явление порождает высокие гармонические искажения. А коэффициент мощности у нагрузки, питаемой от такого простого выпрямителя с конденсатором, как правило не превысит и 0,3.
Существует простой «пассивный» способ немного сгладить острые токовые пики, чуть-чуть повысить коэффициент мощности и слегка снизить таким образом гармоники. Способ заключается в добавлении катушки индуктивности между диодным мостом и конденсатором фильтра. Это немного округлит пики в сторону сближения с синусоидальной формой.
Однако и в данном случае коэффициент мощности окажется по-прежнему далеким от единицы (около 0,7), ведь форма потребляемого тока снова совсем не синусоидальна. И когда такого плана потребителей различной мощности к сети подключено много, это становится серьезной проблемой для генерирующей электроэнергию стороны.
Лучший способ повышения коэффициента мощности и снижения гармоник сетевой частоты — применение в импульсных блоках питания относительно простых схем активной коррекции коэффициента мощности (PFC) на базе импульсного повышающего преобразователя типа boost converter. Здесь в схему входного выпрямителя добавляется не только катушка индуктивности, но и полевой транзистор с драйвером и контроллером, а также диод.
В процессе работы схемы активной коррекции коэффициента мощности (active PFC) полевой транзистор быстро переключается между двумя состояниями.
Первое состояние — когда ключ замкнут, дроссель получает питание от выпрямителя, запасает энергию в магнитном поле, при этом диод смещен в обратном направлении, и нагрузка получает питание только от конденсатора фильтра.
Второе состояние — когда транзистор разомкнут, в эту часть цикла диод переходит в проводящее состояние, и дроссель теперь передает энергию к нагрузке и заряжает конденсатор. Такие переключения происходят с частотой в несколько десятков килогерц на каждой полуволне сетевой синусоиды.
Грамотное управление ключом необходимо для того, чтобы ток потребления находился в фазе с переменным напряжением сети. С этой целью контроллер формирует ШИМ сигнал управления затвором полевого транзистора, чтобы на пике синусоиды дроссель получал энергию менее продолжительно, чем вблизи нулевого напряжения (более продолжительно).
Контроллер PFC имеет цепь обратной связи по выходному напряжению (которое сравнивается с опорным и поддерживается постоянным посредством ШИМ) а также датчик входного напряжения и тока дросселя, чтобы точно, в режиме реального времени, отслеживать средний ток дросселя для обеспечения нагрузке максимального коэффициента мощности.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Технология PFC в компьютерном блоке питания: что это, зачем и как работает?
Привет, друзья! Вникая в технические характеристики комплектующих, можно увидеть опцию PFC в блоке питания, что это такое, зачем надо и как работает, я расскажу в сегодняшней публикации. Поехали.
Вспомним школьный курс физики
Те, кто хорошо изучал физику в школе, помнят, что мощность может быть активная или реактивная. Активной называется мощность, которая выполняет полезную работу – заставляет греться утюг, светиться лампу накаливания или приводит в действие компоненты ПК.
В реактивных цепях сила тока может отставать от напряжения или опережать его, что определяется параметром cos φ (косинус Фи). При индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения (индуктивная нагрузка) или опережает его (емкостная нагрузка).
Последнее часто встречается в сложных электрических схемах, где используются конденсаторы, в том числе и в компьютерных блоках питания.
Реактивная мощность не выполняет никакой полезной нагрузки, «блуждая» по электрическим цепям и нагревая их. Именно по этой причине предусмотрен запас сечения проводов. Чем больше cos φ, тем больше энергии рассеется в схеме, в виде тепла.
Реактивная мощность компьютерного БП
Так как, обычно в компьютерных блоках питания используются конденсаторы большой емкости, то и реактивная составляющая в такой схеме ощутима. К счастью, она не учитывается бытовым счетчиком электроэнергии, поэтому переплачивать за электричество юзеру не придется.
Значение cos φ для таких устройств обычно достигает 0,7. Это значит, что запас проводки по мощности, должен быть не менее 30%. Но, так как ток протекает через схему блока питания короткими импульсами со сменной амплитудой, из-за этого сокращается срок службы конденсаторов и диодов.
Если последние не имеют запаса по силе тока и подобраны «впритык» (как это часто бывает в дешевых БП), срок эксплуатации такого устройства сокращается.
Для борьбы с этими реактивными явлениями используется корректор коэффициента мощности, то есть PFC.
Что такое тип PFC
Существует два типа устройств с Power Factor Correction модулем:
Дроссель представляет собой устройство с комплексным сопротивлением, характер которого симметрично противоположен реактивности конденсаторов. Это в некоторой мере позволяет компенсировать негативные факторы, однако cos φ увеличивается незначительно.
Кроме того, частично стабилизируется входное напряжение основного блока стабилизаторов.
Active PFC, то есть активная схема (APFC), способна увеличить этот параметр до 0,95, то есть сделать его близким к идеальному. Такой БП менее подвержен кратковременным «провалам» тока, позволяя работать на заряде конденсаторов, что является неоспоримым преимуществом.
При этом стоит учитывать, что такие конструкционные особенности сказываются на цене устройства.
Сегодня в продаже можно найти БП в форм-факторе ATX, как с коррекцией коэффициента мощности, так и без PFC. Нужен ли PFC или нет, следует решать исходя из специфики использования компьютера. Например, в игровом компе его наличие желательно, но вовсе не обязательно.
Хочу акцентировать ваше внимание на следующем моменте. Помимо всего прочего, PFC снижает уровень высокочастотных помех на выходных линиях. Такой БП рекомендуется использовать в связке с периферическими устройствами, для обработки аналоговых видео и аудио сигналов – например, на студии звукозаписи.
Но даже если вы обычный любитель, подключающий электрогитару к компу с установленным Guitar Rig, рекомендуется использовать БП с корректором коэффициента мощности.
Если ищите огромный выбор подобных устройств, можете посмотреть в этом интернет-магазинчике, просто рекомендую. Также советую почитать о защите в блоках питания и как рассчитать мощность БП. Информацию про сертификаты вы найдете здесь.
Спасибо за внимание и до следующих встреч! Не забудьте поделиться этой публикацией в социальных сетях!
Коррекция фактора мощности pfc что это
Ни для кого не секрет, что одним из главных блоков компьютера является блок питания. При покупке мы обращаем свое внимание на различные характеристики: на максимальную мощность блока, характеристики системы охлаждения и на уровань шума. Но не все задаются вопросом что такое PFC?
Итак, давайте разберемся что дает PFC
Применительно к импульсным блокам питания (в системных блоках компьютеров в настоящее время используются БП только такого типа) этот термин означает наличие в блоке питания соответствующего набора схемотехнических элементов.
Собственно фактором или коэффициентом мощности называется отношение активной мощности (мощности, потребляемой блоком питания безвозвратно) к полной, т.е. к векторной сумме активной и реактивной мощностей. По сути коэффициент мощности (не путать с КПД!) есть отношение полезной и полученной мощностей, и чем он ближе к единице – тем лучше.
PFC бывает двух разновидностей – пассивный и активный.
При работе импульсный блок питания без каких-либо дополнительных PFC потребляет мощность от сети питания короткими импульсами, приблизительно совпадающими с пиками синусоиды сетевого напряжения.
Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.
Пассивный PFC несколько сглаживает импульсы тока, растягивая их во времени – однако для серьезного влияния на коэффициент мощности необходим дроссель большой индуктивности, габариты которого не позволяют установить его внутри компьютерного блока питания. Типичный коэффициент мощности БП с пассивным PFC cоставляет всего лишь около 0,75.
Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
Как видно, форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95. 0,98 при работе с полной нагрузкой.
Правда, по мере снижения нагрузки коэффициент мощности уменьшается, в минимуме опускаясь примерно до 0,7. 0,75 – то есть до уровня блоков с пассивным PFC. Впрочем, надо заметить, что пиковые значения тока потребления у блоков с активным PFC все равно даже на малой мощности оказываются заметно меньше, чем у всех прочих блоков.
Такие БП имеют специфическую особенность – их эксплуатация совместно с дешёвыми ИБП, выдающими ступенчатый сигнал при работе от батарей может приводить к сбоям в работе компьютера, поэтому производители рекомендуют использовать в таких случаях ИБП класса Smart, всегда подающие на выход синусоидальный сигнал.
Также использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя, эффективность использования которых увеличивается более чем в два раза. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, т.е. такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.
А теперь немного теории
Обычная, классическая, схема выпрямления переменного напряжения сети 220V состоит из диодного моста и сглаживающего конденсатора. Проблема в том, что ток заряда конденсатора носит импульсный характер (длительность порядка 3mS) и, как следствие этого, очень большим током.
Разные типы разделены цветами:
Для БП без PFC или с декоративным пассивным PFC эту роль выполняет специальный терморезистор с положительным сопротивлением, т.е. его сопротивление сильно возрастает при нагревании. При большом токе такой элемент очень быстро нагревается и величина тока уменьшается, в дальнейшем он охлаждается из-за уменьшения тока и никакого влияния на схему не оказывает. Т.о., терморезистор выполняет свои ограничивающие функции только при очень больших, стартовых токах.
Для пассивных PFC импульс тока при включении не так велик и терморезистор зачастую не выполняет свою ограничивающую функцию. В нормальных, больших пассивных PFC кроме терморезистора ставится еще специальная схема, а в «традиционных», декоративных этого нет.
И по самим графикам. Декоративный пассивный PFC дает всплеск напряжения, что может привести к пробою силовой схемы БП, усредненное напряжение несколько меньше случая без_PFC и при кратковременном пропадании питания напряжение падает на бОльшую величину, чем без_PFC. На лицо явное ухудшение динамических свойств. Нормальный пассивный PFC также имеет свои особенности. Если не учитывать начального всплеска, который в обязательном порядке должен быть компенсирован последовательностью включения, то можно сказать следующее:
— Выходное напряжение стало меньше. Это правильно, ведь оно равно не пиковому входному, как для первых двух типов БП, а «действующему». Отличие пикового от действующего равно корню из двух.
Пульсации выходного напряжения значительно меньше, ведь часть сглаживающих функций переходит на дроссель.
— Провал напряжения при кратковременном пропадании напряжения также меньше по той же причине.
— После провала следует всплеск. Это очень существенный недостаток и это основная причина, почему пассивные PFC не распространены. Этот всплеск происходит потому же, почему он происходит при включении, но для случая начального включения специальная схема может что-то откорректировать, то в работе это сделать много труднее.
— При кратковременном пропадании входного напряжения выходное меняется не так резко, как в других вариантах БП. Это очень ценно, т.к. медленное изменение напряжения схема управления БП отрабатывает весьма успешно и никаких помех на выходе БП не будет.
Для других вариантов БП при подобных провалах на выходах БП обязательно пойдет помеха, что может сказаться на надежности функционирования. Как часты кратковременные пропадания напряжения? По статистике, 90% всех нестандартных ситуаций с сетью 220V приходится как раз на такой случай. Основной источник возникновения, это переключения в энергосистеме и подключение мощных потребителей.
На рисунке показана эффективность PFC по уменьшению импульсов тока:
Для БП без PFC сила тока достигает 7.5A, пассивный PFC уменьшает ее в 1.5 раза, а нормальный PFC уменьшает ток значительно больше.
О коррекции коэффициента мощности в блоках питания
Иногда вследствие увеличения доли реактивной мощности, наличия нелинейных искажений и гармоник, значительно увеличивается полная мощность, потребляемая устройствами, подключенными к электрической сети. Обычно это происходит вследствие недостаточной коррекции коэффициента мощности (cos φ).
Уменьшение величины косинуса фи приводит к потерям на нагрев силовых проводников, повышенному износу нейтрали (в трехфазной сети) и другим негативным последствиям. Для борьбы с ними используют схемы коррекции фактора мощности (PFC, Power Factor Control).
Все современные импульсные блоки питания мощностью более 50-100 ватт обязательно содержат схемы, корректирующие фактор мощности. К сожалению, введение дополнительных компонентов, работающих в сильно нагруженной высоковольтной части блока питания, снижает его надежность. Поломки в узлах блоков питания, отвечающих за компенсацию фактора мощности, очень часто встречаются и при эксплуатации майнинг ригов.
В связи с этим стоит иметь представление о том, на что влияют и как работают типовые схемы коррекции фактора мощности.
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):
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:
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 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):
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.
Как работают схемы коррекции фактора мощности в блоках питания?
Основной задачей схем коррекции коэффициента мощности (ККМ) является сведение к минимуму отставания потребляемого тока от сетевого напряжения, а также сохранение его синусоидальной формы. Синусоидальное потребление тока из сети должно осуществляться на протяжении всего периода питающего импульса. Благодаря использованию схем коррекции блок питания для питающей сети должен выглядеть как нагрузка с чисто активным сопротивлением.
Для выполнения этих требований в схему БП добавляют индуктивный накопитель, который отдает в электрическую цепь энергию на обратном ходу. Работа индуктивности, увеличивающей значение коэффициента мощности, осуществляется как в пассивном, так и в активном (управляемом) режиме.
Наиболее распространенные виды однофазных схем коррекции фактора мощности:
Сравнение схемотехники пассивной (слева) и активной (справа) коррекции фактора мощности:
Простейшим элементом, который может сгладить форму тока на сглаживающем конденсаторе, является катушка индуктивности, включаемая в цепь последовательно.
Схемы пассивной коррекции коэффициента мощности в блоках питания
Схемы с пассивной коррекцией cos fi (Passive Power Factor Control) не имеют активных компонентов.
Пример реализации пассивной коррекции коэффициента мощности с помощью последовательного включения катушки индуктивности на входе выпрямителя:
Дроссель пассивной коррекции коэффициента мощности компьютерного блока питания (справа внизу):
Добавление дросселя до диодного выпрямителя увеличивает длительность пика синусоиды, что улучшает коэффициент мощности:
В схеме с подключенной ко входу катушкой индуктивности значение ККМ не может быть выше 0.76:
Если подключить катушку индуктивности после выпрямительных диодов, то при достаточной индуктивности (намного большей, чем при включении на входе выпрямителя) можно достичь ККМ, равного 0.9. Добавление в схему конденсатора Ca (на рисунке ниже показан пунктиром), может увеличить ККМ до 0.905:
Практическая схема входной части импульсного блока питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности:
В старых, маломощных блоках питания компьютеров, использовалось именно такое решение. Так как частота пульсаций напряжения на выходе диодного моста мала (100-120 Гц для сети переменного тока с частотой 50-60 Гц), то размер компенсирующих катушек должен быть очень велик. Более эффективно работают схемы активной коррекции коэффициента мощности, собранные на полевых транзисторах, работающих в качестве ключей, управляемых ШИМ-контроллером.
Часть блок-схемы компьютерного блока питания фирмы FSP на 19 вольт (входной фильтр, диодный мост и блок активной коррекции коэффициента мощности):
Упрощенная схема активной коррекции фактора мощности:
Схема активной коррекции коэффициента мощности включает в себя следующие компоненты:
Пример схемы PFC boost-преобразователя со схемой контроля:
Примеры практической реализации схем активной коррекции мощности в блоках питания
Упрощенная схема блока питания с APFC-контроллером NCP1653:
Схема активной коррекции коэффициента мощности в блоке питания FSP OPS550-80GLN:
Схема первичной части блока питания HP DPS-300AB-49A 300Watt с активной системой коррекции мощности с контроллером FAN7529:
Схема компьютерного блока питания мощностью 450 ватт с отдельной платой ШИМ и APFC (элемент PC83):
Заключение
Активные схемы коррекции коэффициента мощности предоставляют ряд преимуществ, среди которых:
К недостаткам схем коррекции коэффициента мощности блоков питания можно отнести: