Korekcja współczynnika mocy w systemach zasilania

| Technika

Współczynnik mocy jest miarą wykorzystania energii elektrycznej pobieranej przez odbiorniki zasilane z sieci energetycznej. Definiuje się go jako stosunek mocy czynnej do mocy pozornej lub w przypadku sinusoidalnych przebiegów napięcia i prądu jako kosinus kąta przesunięcia fazowego między nimi. Zagadnienie to jest istotne zarówno w systemach zasilania stosowanych w przemyśle, jak też w innych aplikacjach, gdzie występują odbiorniki powodujące odkształcanie się prądu w sieci zasilającej i straty wynikające z przepływu mocy biernej.

Korekcja współczynnika mocy w systemach zasilania

Współczynnik mocy (Power Factor, PF) o wartości mniejszej niż 1 oznacza, że występują straty energii zasilającej. Są one spowodowane przepływem mocy biernej między siecią i odbiornikami zawierającymi komponenty pojemnościowe i indukcyjne. Moc ta jest w nich magazynowana w postaci energii pola elektrycznego lub pola magnetycznego, która, gdy pole to zanika, jest zwracana do sieci.

Współczynnik mocy mniejszy od jedności oznacza też, że prąd pobierany z sieci charakteryzuje się dużą zawartością składowych harmonicznych. Powodują one odkształcenia napięcia sieci, co negatywnie wpływa na pracę innych urządzeń do niej podłączonych.

 
Rys. 1. Głównymi komponentami stopnia wejściowego zasilaczy sieciowych są prostownik i kondensator filtrujący
 
Rys. 2. Prąd pobierany z sieci przez zasilacze bez korekcji jest bardzo odkształcony

Problemy te dotyczą na przykład zasilaczy. Główne komponenty obwodu wejściowego takiego urządzenia to prostownik oraz kondensator (rys. 1), który jest cyklicznie ładowany do wartości szczytowej napięcia sieciowego.

W rezultacie prąd jest przez ten obwód pobierany tylko w czasie ładowania kondensatora. Ma on zatem przebieg impulsowy (rys. 2), a w jego widmie występują liczne harmoniczne. W związku z tym wartość współczynnika mocy zasilacza bez korekcji wynosi zwykle zaledwie około 0,6.

PASYWNA KOREKCJA WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

Aby zmniejszyć zniekształcenia prądu sieciowego oraz zapewnić zgodność faz przebiegów napięcia i prądu, wykorzystuje się układy korekcji współczynnika mocy (PFC). Dzieli się je na dwie grupy: pasywne i aktywne. Te pierwsze realizuje się włączając do korygowanego obwodu dodatkowy komponent bierny.

 
Rys. 3a. Układ korekcji współczynnika mocy z cewką indukcyjną wstawioną przed prostownikiem
 
Rys. 3b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z rys. 3a

Przykładem są korektory PFC pokazane na rysunku 3a i rysunku 4a. W obu jako element kompensujący wykorzystano dławik, który w pierwszym przypadku wstawiono przed, a w drugim za mostkiem prostownika. Teoretycznie w wypadku nieskończenie dużej indukcyjności można uzyskać prostokątny przebieg prądu na wejściu prostownika, a w efekcie współczynnik mocy równy nawet 0,9.

Przykładowe wyniki symulacji dla korektora z rysunku 4a z dławikiem o indukcyjności 1H przedstawiono na rysunku 4c (przebieg prądu bez C1). W rzeczywistości ze względu na rozmiary i wagę indukcyjności o takich paramentach się nie stosuje.

 
Rys. 4a. Układ korekcji współczynnika mocy z cewką indukcyjną wstawioną za prostownikiem
 
Rys. 4b. Układ korekcji współczynnika mocy jak na rys. 4a z dodatkowym kondensatorem C1 na wejściu prostownika
 
Rys. 4c. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układach z rys. 4a

W przypadku użycia komponentów o mniejszej indukcyjności w obu konfiguracjach korektorów PFC z pojedynczym dławikiem maksymalna wartość współczynnika mocy, którą można uzyskać, to około 0,76. By zwiększyć ten parametr można jeszcze wstawić przed prostownikiem dodatkowy kondensator jak na rysunku 4b (przebieg prądu z C1 na rysunku 4c).

KOREKTORY PF Z FILTRAMI

Na przebieg prądu pobieranego z sieci można też wpłynąć, wykorzystując układ korekcji PFC w postaci filtra. Przykładem jest filtr pasmowo-przepustowy zrealizowany jako szeregowy układ rezonansowy dostrojony do częstotliwości sieciowej wstawiony przed prostownikiem jak na rysunku 5a. Przy częstotliwości sieciowej 50 Hz należałoby jednak w takim układzie zastosować komponenty bierne o znacznych wartościach pojemności i indukcyjności.

 
Rys. 5a. Układ korekcji współczynnika mocy z szeregowym obwodem rezonansowym
 
Rys. 5b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z rys. 5a

Rozwiązaniem tego problemu jest dostrojenie filtru do częstotliwości konkretnej składowej harmonicznej prądu. Przykład takiego rozwiązania z równoległym układem rezonansowym przedstawia rysunek 6a. Można też wykorzystać układ korekcji jak na rysunku 7a, w którym zastosowano kilka szeregowych obwodów rezonansowych dołączonych równoległe do wejścia prostownika. Każdy z nich dostrojony jest do częstotliwości innej składowej harmonicznej.

WADY I ZALETY PASYWNYCH UKŁADÓW KOREKCJI PFC

Do zalet pasywnych metod korekcji współczynnika mocy zalicza się prostotę, niezawodność, brak emisji zaburzeń elektromagnetycznych o dużej częstotliwości oraz brak strat przełączania. Głównymi wadami układów tego typu są z kolei waga i rozmiary, zwłaszcza w przypadku filtrów częstotliwości sieciowej. Problemem jest też brak możliwości regulacji napięcia oraz to, że kształt przebiegu prądu wejściowego zależy od obciążenia.

 
Rys. 6a. Układ korekcji współczynnika mocy z równoległym obwodem rezonansowym
 
Rys. 6b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z równoległym obwodem rezonansowym z rys. 6a dostrojonym do trzeciej harmonicznej częstotliwości sieciowej

Ponadto chociaż można wyeliminować harmoniczne prądu sieciowego, składowa podstawowa może być znacznie przesunięta w fazie w stosunku do przebiegu napięcia, co w efekcie zaniży wartość współczynnika mocy. W przypadku układów z zestawem szeregowych obwodów rezonansowych tłumiących wybrane harmoniczne może też wystąpić rezonans równoległy, a wówczas wzmocnione zostaną inne harmoniczne.

 
Rys. 7a. Układ korekcji z zestawem obwodów rezonansowych dostrojonych do częstotliwości trzeciej i piątej harmonicznej
 
Rys. 7b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z rys. 7a

W rezultacie skuteczność korekcji współczynnika mocy z wykorzystaniem komponentów biernych jest zwykle mniejsza niż w przypadku korekcji aktywnej (rys. 8). W tych pierwszych maksymalny osiągalny współczynnik mocy wynosi 0,8÷0,95, natomiast w przypadku układów aktywnych można uzyskać jeszcze większą wartość tego parametru.

AKTYWNE KOREKTORY PF

 
Rys. 8. Porównanie przebiegów wejściowych w trzech zasilaczach komputerowych o mocy 250 W, w których zastosowano różne metody korekcji współczynnika mocy

Jako aktywne układy korekcji współczynnika mocy wykorzystywane są konwertery wstawiane za prostownikiem szeregowo z obciążeniem lub z kolejnym komponentem zasilacza, na przykład stopniem konwersji. Najczęściej w tym zastosowaniu używany jest przekształtnik w konfiguracji podwyższającej (Boost Converter).

Przykład takiego korektora PFC, który składa się z dławika (L), klucza tranzystorowego MOSFET (T), diody (D) i kondensatora (C), przedstawiono na rysunku 9. Na jego wejście doprowadzane jest wyprostowane napięcie z prostownika, a sygnałem wyjściowym jest regulowane napięcie stałe.

Konwerter podwyższający może działać w trybie pracy ciągłej (Continuous Conduction Mode, CCM) lub przerywanej (Discontinuous Conduction Mode, DCM) w zależności od tego, jak zmienia się prąd dławika. W pierwszym przypadku natężenie prądu cewki nigdy nie spada do zera, natomiast w drugim taka sytuacja może wystąpić.

 
Rys. 9. Jako aktywny korektor PF wykorzystuje się przekształtniki w konfiguracji podwyższającej

Zwykle korektorów PFC nie projektuje się do pracy w tym drugim trybie, ale w przypadku wystąpienia pewnych warunków (na przykład awarii, małego obciążenia lub przejścia przez zero napięcia wejściowego), przejście w tryb pracy nieciągłej może być nieuniknione. Praca w trybie DCM skutkuje niestety wzrostem zawartości składowych harmonicznych oraz mniejszym współczynnikiem mocy.

W korekcji PFC wykorzystuje się również tryb pośredni między CCM i DCM, tzw. BCM (Boundary Conduction Mode), określany też jako CRM (Critical Conduction Mode).

KOREKTORY CCM I BCM

 
Rys. 10. Przebieg prądu cewki przekształtnika w trybie ciągłym

Na rysunku 10 przedstawiono przebieg prądu cewki przekształtnika w trybie ciągłym. Dzięki odpowiednio dobranej stałej częstotliwości przełączania klucza uzyskuje się piłokształtny przebieg tego prądu o wartości szczytowej proporcjonalnej do napięcia sieciowego.

Na rysunku przerywaną linią zaznaczono również średnią wartość tego prądu, która odwzorowuje przebieg napięcia sieci. W efekcie uzyskuje się współczynnik mocy bliski jedności.

 
Rys. 11. Przekształtnik BCM

Ponieważ wartość amplitudy prądu dławika nie jest duża, w korektorze takim występują małe straty przewodzenia, ograniczone są też straty w rdzeniu oraz emisja zaburzeń elektromagnetycznych. Niestety ze względu na ciągły charakter prądu dławika w korektorach w trybie CCM, w czasie przechodzenia diody w stan zablokowania występują straty energii.

By je zmniejszyć, należy używać diod z węglika krzemu (SiC), które w tym stanie charakteryzuje bardzo mały prąd upływu. Niestety są one znacznie droższe niż zwykłe krzemowe diody.

 
Rys. 12. Napięcie na bramce tranzystora, prąd cewki oraz napięcie sieciowe dla połowy okresu częstotliwości sieciowej

Schemat korektora PFC w postaci przekształtnika w trybie BCM przedstawiono na rysunku 11. Jego główne komponenty są takie same jak "zwykłego" przekształtnika podwyższającego, oprócz dodatkowego uzwojenia cewki wykorzystywanego do detekcji przejścia prądu przez zero. Wykrycie takiego stanu oznacza konieczność przełączenia klucza.

Na rysunku 12 przedstawiono przebiegi napięcia na bramce tranzystora i prądu cewki korektora PFC BCM dla połowy okresu częstotliwości sieciowej. Wynika z nich, że podobnie jak w przypadku przekształtnika o pracy ciągłej średnia wartość prądu cewki odwzorowuje przebieg napięcia sieci. Zasadnicza różnica dotyczy częstotliwości przełączania klucza, która jest zmienna.

CZĘSTOTLIWOŚĆ PRZEŁĄCZANIA KOREKTORÓW BCM

W przekształtnikach BCM czas załączenia klucza tranzystorowego jest stały w całym okresie częstotliwości sieciowej. Z kolei czas wyłączenia zmienia się w zależności od chwilowej wartości napięcia sieciowego i najdłuższy jest przy jego maksymalnej wartości. Największa częstotliwość przełączania występuje z kolei, gdy napięcie sieciowe maleje do zera.

Określając częstotliwość przełączania klucza, uwzględnić należy też często ignorowane zjawisko rezonansu, które zachodzi, gdy natężenie prądu cewki spada do zera. Jest ono spowodowane występowaniem pasożytniczych pojemności komponentów przekształtnika (tranzystora, złącza diody oraz uzwojeń cewki).

W rezultacie okres przełączania powinien być sumą trzech składników: czasu załączania wyrażanego zależnością tzał = (2·L·Pwy)/(η·Uwe²), gdzie Pwy - moc wyjściowa, L - indukcyjność cewki, Uwe - skuteczna wartość napięcia, η - sprawność zasilacza, czasu wyłączenia, który jest proporcjonalny do czasu załączania według zależności: twył = (Uwe(t)·ton)/(Uwy-Uwe(t)), gdzie Uwy to napięcie wyjściowe oraz przedziału czasu, w którym podczas rezonansu napięcie na kluczu będzie minimalne trez = π·√(L·Crez), gdzie Crez - pojemność obwodu rezonansowego.

KOREKTORY BCM PRZEŁĄCZANE

Gdy prąd cewki spada do zera dioda przekształtnika zostaje spolaryzowana zaporowo. Taka naturalna komutacja jest główną zaletą korektorów PFC pracujących w trybie BCM, ponieważ pozwala na wykorzystanie tanich krzemowych diod.

Ze względu na straty wynikające z dużej amplitudy prądu cewki korektory tego typu są jednak wykorzystywane głównie w zasilaczach o mocy do 300 W. W urządzeniach większej mocy stosuje się zmodyfikowaną konstrukcję korektora PFC tego typu, w której są wykorzystywane dwa przekształtniki BCM działające naprzemiennie z przesunięciem w fazie o 180°.

Rozwiązanie to łączy w sobie zalety korektorów z przekształtnikami CCM i BCM, tzn. małe straty przewodzenia oraz możliwość wykorzystania tańszych diod krzemowych. To pierwsze wynika stąd, że straty rozkładają się równomiernie na dwie gałęzie. Ponadto ze względu na rozproszenie wydzielanego ciepła na większą liczbę komponentów można je efektywniej odprowadzić do otoczenia.

Głównym wyzwaniem w realizacji przełączanego korektora BCM jest synchronizacja procesu przełączania obu przekształtników utrudniona przede wszystkim ze względu na zmienną częstotliwość przełączania. Dlatego wielu producentów oferuje specjalizowane układy scalone ułatwiające to zadanie.

Monika Jaworowska

Zobacz również