Boost Converters: Efficient Voltage Boosting

Rzeczywista moc, chwilowa moc i między nimi zachowany stosunek

Współczynnik mocy to stosunek rzeczywistej mocy – czyli mocy, która faktycznie wykonuje pracę użyteczną, mierzonej w watach – do chwilowej mocy, czyli iloku średniej kwadratowej napięcia i prądu, mierzonego w voltamperach. Współczynnik mocy równy 1 oznacza, że każdy ampers prądu pobieranego wykonuje produktywną pracę; współczynnik mocy poniżej 1 oznacza, że sieć energetyczna musi określić przewidywany rozkład na większy prąd niż faktycznie dostarczana energia, co generuje koszty i zapotrzebowanie na wydajność, nawet jeśli wskazywana przez licznik energii (który zazwyczaj mierzy tylko rzeczywistą moc) wartość nie jest widoczna bezpośrednio.

Dwa zupełnie różne sposoby na uzyskanie złego współczynnika mocy

Dla obciążenia sinusoidalnego – silnika z indukcją, np. – współczynnik mocy jest równy cos(φ), czyli cosinus kąta fazowego φ między napięciem i prądem, a to jest klasyczny problem przesunięcia mocy, historycznie rozwiązany za pomocą banków kondensatorowych. Zasilacze przełączowe (ładowarki do telefonów, sterowniki LED, zasilacze komputerowe) mają inny i często gorszy problem: prosty most prostowniczący zasilający kondensator wyrównawczy prowadzi jedynie w krótkich, ostre szczyty tuż przy szczycie każdej połowy cyklu, gdy napięcie liniowe chwilowe przekracza ładunek na kondensatorze. Ten impulsowy prąd jest daleki od sinusoidalnego i przenosi znaczącą energię w harmonicznych częstotliwości sieci (2., 3., 5…), które nie przenoszą żadnej rzeczywistej mocy – zniekształcony współczynnik mocy, ilościowo określony przez całkowitą składową harmoniczną (THD).

PF = P_real / S_apparent = P_real / (V_rms * I_rms)

for sinusoidal V and I, phase-shifted by angle phi:
  PF = cos(phi)                (displacement power factor)

for a nonsinusoidal (distorted) current with THD:
  PF = cos(phi) / sqrt(1 + THD^2)     (distortion also derates PF)

plain rectifier + cap:  PF often 0.5-0.6, THD > 100%
active PFC boost stage: PF > 0.95-0.99, THD < 10%

Faza PFC wzbudzania: dwie wbudowane pętle sterowania

Rozrusznikiem DC o wysokiej częstnosci (PFC) rozwiązuje problem zniekształceń poprzez umieszczenie wzbudzania bezpośrednio po prostowniku i uruchamianie go z szybką pętlą sterowania prądem, która stale wymusza na prądzie cewki śledzenie skalowanego, zrektyfikowanego odwzorowania natychmiastowej napięcia linii - tak więc kształt fali prądu staje się falą sinusoidalną (zrektyfikowaną w postaci serii humpek) zamiast wąskich wyłamań, i utrzymuje on synchronizm, ponieważ jest dosłownie nakazany śledzeniem kształtu napięcia w każdym momencie. Wolniejsza zewnętrzna pętla sterowania napięciem monitoruje DC bus, który ładuje etap wzbudzania, i dostosowuje amplitudę referencji prądu, aby utrzymać to napięcie na stałym poziomie pomimo zmian obciążenia, działając zbyt wolno, aby zakłócać szybką falę prądu, którą nadzoruje.

Dlaczego regulacje nakładają takie wymagania?

Normy takie jak IEC 61000-3-2 prawnie ograniczają prądy harmoniczne, jakie urządzenia elektronicowe użytkowe powyżej pewnego progu mocy mogą wprowadzać z powrotem do sieci. Dlatego też w niemal każdej ładowarce laptopa, sterowniku LED i zasilaczu komputerowym o mocy powyżej około 75 W stosuje się obecnie aktywną obwód PFC (Forward Power Control). Bez tego miliony zasilaczy przełączowych pobierających zniekształcony prąd w unisonie zanieczyszczałyby napięcie sieci harmonicznymi, przegrzewały neutralne przewody w systemach trójfazowych i zmuszałyby dostawców energii do nadmiernego rozbudowy infrastruktury dla mocy pozornej, która nie przekształca się w użyteczną energię.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Power Factor Correction (PFC) i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.