к оглавлению

Корректор коэффициента мощности (ККМ)

Первичная электрическая цепь переменного тока достаточно чувствительна к характеру нагрузки, подключаемой к ней. Оптимальной нагрузкой является активное линейное сопротивление - Rн . В этом случае

при синусоидальной форме питающего напряжения u(ωt)=Umsin(ωt) ток, протекающий в такой цепи будет также описываться синусоидальной функцией:

При этом мгновенная мощность, потребляемая от сети:

  Учитывая, что где U и I – действующие значения токов и напряжений в сети, а получим

Таким образом, мощность, потребляемая из сети и выделяемая в нагрузке, пульсирует с удвоенной частотой.

Средняя мощность Р, которая определяет энергию, необратимо преобразуемую в нагрузке в тепловую (или в какую-то иную форму) в единицу времени:

  На практике нагрузка наиболее часто носит активно-индуктивный характер.

 

Тогда

где

  Мгновенная мощность, потребляемая в этом случае от сети:

                   

,

Также имеет пульсирующий вид, но она знакопеременна.

Положительные участки зависимости мощности от времени характеризуют передачу энергии из сети в нагрузку, а отрицательные – возврат части энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности, в сеть. Первая составляющая в предыдущей формуле порождает активную мощность Р, а вторая – реактивную Q.

Средняя (активная) мощность, выделяемая в нагрузке:

Реактивная мощность Q бесполезно перекачивается из сети в нагрузку и обратно, вызывая потери в сетевых проводах и не производя полезной работы.

Произведение называется полной мощностью, а cosφ – коэффициентом мощности нагрузки, который учитывает фазовый сдвиг тока относительно напряжения. Полная мощность S, с одной стороны характеризует максимальную мощность, которую сеть могла бы   отдавать нагрузке при cosφ=1, а с другой – является паспортной величиной для электрических машин, аппаратов и т. д. Мощности связаны друг с другом:

В реальной электрической сети всегда имеются потери Рпот. При этом мощность потерь в ней определяется не только полезной активной мощностью, передаваемой в нагрузку, но и бесполезной реактивной мощностью:

Очевидно, что увеличение индуктивной части нагрузки приводит к увеличению фазы тока относительно напряжения и, следовательно, к уменьшению что, в свою очередь, ведёт к увеличению реактивной мощности и потерь в электрических сетях.

Ситуация ещё более ухудшается, если подключённая к сети нагрузка является не только реактивной, но и нелинейной, так как она вносит серьёзные искажения в форму потребляемого тока. В этом случае его можно представить суммой первой гармоники и гармоник высшего порядка:

Тогда мгновенная мощность, потребляемая из сети:

а средняя мощность в нагрузке:

 

Известно, что для гармоник с n > 2

и поэтому активная мощность, выделяемая в нагрузке:

,

где φ – угол сдвига первой гармоники тока относительно напряжения.

  Таким образом, активную мощность в нагрузку передаёт только первая гармоника тока, потребляемого от сети. Отношение активной и полной мощностей характеризуется коэффициентом мощности нагрузки:

  .

  Из этого выражения следует, что коэффициент мощности зависит не только от угла сдвига первой гармоники тока φ1, но и от отношения I(1)/I, которое определяет степень искажения тока высшими гармониками, т. е. от формы тока.

  На рисунке показаны формы возможных форм тока, потребляемых некоторыми нагрузками (в частности, вторичными импульсными источниками питания) из сети и соответствующие им коэффициенты мощности.  

Низкий коэффициент мощности порождает ещё ряд серьёзных проблем в системе электропитания. При большом количестве электронной аппаратуры и нерациональном её подключении к питающей трёхфазной сети возможен перекос фаз. При этом часть электронной аппаратуры будет работать при повышенном напряжении, а другая – при пониженном. И в том и в другом случае аппаратура будет плохо работать и даже выйти из строя. Для устранения перекоса фаз в трёхфазную сеть вводят “нулевой” провод, который выравнивает напряжение во всех фазах. При импульсном характере потребляемого тока и большом числе его гармонических составляющих возможна перегрузка “нулевого” провода, так как сечение этого провода в 2…2,5 раза меньше, чем у фазных проводов. При этом, по технике безопасности запрещается защищать “нулевой” провод плавкими предохранителями или автоматами защиты сети. Очевидно, что при неблагоприятных условиях возможно перегорание нулевого провода и возникновение перекоса фаз.

Импульсные источники электропитания состоят из входного мостового выпрямителя с емкостным фильтром и высокочастотного преобразователя напряжения. Обладая высокими значениями КПД, хорошими массогабаритными показателями, такие источники, к сожалению, имеют низкий коэффициент мощности – 0,5…0,7.

Коэффициент мощности в цепи переменного тока вентильного преобразователя (на входе выпрямителя и выходе инвертора) определяется отношением активной мощности к полной. Для выпрямителя это дает

        (1)

где — отношение действующего значения первой гармоники тока первичной обмотки трансформатора к действующему значению первичного тока, называемое коэффициентом искажения тока.

  Сдвиг первой гармоники первичного тока относительно кривой первичного напряжения, имеющего синусоидальную форму, обусловлен в вентильном преобразователе двумя причинами. Во-первых, наличием угла коммутации γ, во-вторых, наличием угла регулирования α, что позволяет записать приближенно

                  (2)

Коэффициент 1/2 берется при α, близких к 90°, а коэффициент 2/З — при α, близких к малым углам. При линейной аппроксимации коммутационного участка тока всегда надо брать коэффициент 0,5. Для режима зависимого инвертора аналогично (2) получаем

            (3)

  Итак, в соответствии с (1) коэффициент мощности можно интерпретировать как степень полезного использования пропускной способности электротехнического оборудования, которое выбрано на полную мощность, а через него будет пропущена для преобразования в другие виды энергии активная мощность . Кроме того, качество входного тока определяет степень негативного обратного влияния вентильного преобразователя на сеть переменного тока.
  Особенно показательным становится выражение для коэффициента мощности вентильного преобразователя при допущении Хa = 0, Хd =∞ , когда γ = 0, = α. Тогда (1) преобразуется к следующему виду:
              (4)
Эта важнейшая энергетическая характеристика преобразователя показывает, какой ценой на входе дается регулирование напряжения на выходе.
  Таким образом, коэффициент мощности вентильного преобразователя линейно зависит от степени регулирования напряжения в звене постоянного тока. Это “ахиллесова пята” всех (рассмотренных) вентильных преобразователей на вентилях с неполным управлением (тиристорах). Наличие большой доли вентильной нагрузки в электрической сети обостряет для энергетиков проблему поддержания коэффициента мощности в сети на нормативном или оптимальном уровнях (обычно порядка 0,9). Это делает актуальной задачу построения вентильных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями (коэффициентом мощности и КПД).

Устройство и принцип работы активного корректора

Возможность создания дешевого и экономичного корректора коэффициента мощности обеспечена высоким уровнем современного развития ключевых регуляторов. Идея состоит в использовании способности этих регуляторов обеспечивать во входной цепи требуемую форму тока, определяющего коэффициент мощности. Для этого применяют импульсный повышающий регулятор, состоящий из индуктивности, ключа Q1, диода и конденсатора нагрузки.

Для работы с импульсными источниками питания фирма Micro Linear в 1989 году разработала первую микросхему МL4812 управления активным корректором мощности. Позднее к разработке аналогичных схем подключились такие крупные фирмы, как Siemens, Unitrode и Motorola. В результате этих разработок в настоящее время имеется большое количество схем управления импульсными источниками питания, совмещенными с корректорами коэффициента мощности.
  Рассмотрим вначале принцип действия активного корректора коэффициента мощности. На рисунке приведена упрощенная структурная схема такого корректора.

 

Как видно из схемы, получение коэффициента мощности, близкого к единице, достигается за счет исключения из выпрямителя ёмкости фильтра, которая обычно устанавливается в импульсных источниках питания для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Вместо этой емкости в схему вводится высокочастотный импульсный стабилизатор повышающего типа, с небольшой индуктивностью L на входе, работающий в граничном режиме прерывистого тока в индуктивности.
  Схема повышающего импульсного стабилизатора состоит из индуктивности L , ключевого транзистора Т, диода VD и емкости Cф сглаживающего фильтра. В соответствии с принципом действия повышающего стабилизатора напряжения при включении транзистора Т через индуктивность L начинает протекать ток, который нарастает по линейному закону. При выключении транзистора Т ток в индуктивности L начинает спадать по линейному закону, заряжая через диод VD, ёмкость фильтра Сф.
  Включение и выключение ключевого транзистора Т выполняется устройством управления, которое состоит из датчика выпрямленного напряжения ДВН, датчика тока ДТ в индуктивности L и схемы формирования импульсов управления СУ. Процесс формирования импульсов управления иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на рисунке б. Как видно из этих диаграмм, включение транзистора Т происходит в момент времени, когда напряжение на выходе датчика тока ДТ становится равным нулю (т. е. при нулевом токе в индуктивности L). Выключение транзистора Т происходит в момент времени, когда линейно нарастающее напряжение с датчика тока становится равным изменяющемуся по синусоидальному закону напряжению с датчика выпрямленного напряжения ДВН.
  После выключения транзистора ток в индуктивности начинает спадать, и при нулевом значении тока транзистор Т вновь включается. Далее процесс повторяется с достаточно высокой частотой. Усредненный ток iср в индуктивности оказывается синусоидальным по форме и почти совпадающим по фазе с выпрямленным напряжением. Таким образом, благодаря схеме корректора достигается высокое значение коэффициента мощности.
  К недостаткам приведенной схемы корректора коэффициента мощности (ККМ) следует отнести отсутствие стабилизации выходного напряжения uвых. При изменении напряжения сети или нагрузки выходное напряжение ККМ будет также изменяться. Для получения стабильного выходного напряжения в схему ККМ вводится дополнительная обратная связь по выходному напряжению. Структурная схема ККМ со стабилизацией выходного напряжения uвых приведена на рисунке.
 

В схеме в дополнение к датчикам выпрямленного напряжения ДВН и тока в индуктивности ДТ введен датчик выходного напряжения ДН. Напряжение uдн, с датчика ДН сравнивается с напряжением uоп источника опорного напряжения ИОН и сформированный сигнал ошибки uош (рассогласования) перемножается с выходным напряжением ДВН в умножителе напряжения УН. В результате этого формируется модулирующий сигнал uм, который аналогично рассмотренному выше модулирует длительность импульсов управления ключевым транзистором Т. Обратная связь по выходному напряжению является отрицательной, поэтому увеличение выходного напряжения uвых, приводит к уменьшению сигнала ошибки uош.
  Временные диаграммы для схемы практически не отличаются от предыдущей схемы, только модулирующее напряжение заменяется на произведение uдвнuош. При постоянном напряжении на выходе ККМ напряжение ошибки также будет постоянным. Если выходное напряжение возрастает, то сигнал ошибки уменьшается и, следовательно, уменьшается амплитуда модулирующего напряжения uм. В результате уменьшаются амплитуды импульсов тока в индуктивности и соответственно уменьшается среднее значение тока iср, что приводит к понижению выходного напряжения. При понижении выходного напряжения происходят противоположные процессы, которые в результате приводят к его повышению. Таким образом, обеспечивается стабилизация выходного напряжения в схеме ККМ при изменении напряжения сети или при изменении нагрузки Rн.
  Описанная выше процедура коррекции коэффициента мощности и стабилизации выходного напряжения используется в микросхемах управления, разработанных фирмой Motorola. Этой фирмой выпускаются несколько микросхем управления, реализующих аналогичный процесс регулирования, но с различной степенью сложности. По существу, все разработанные фирмой микросхемы поддерживают в схеме повышающего стабилизатора граничный режим непрерывным и прерывистым током в индуктивности L.

Контрольные вопросы

  1. Принцип действия ККМ.
  2. Достоинства схем источников питания со звеном ККМ.
  3. Назначение узлов системы управления ККМ.

Вопросы тестового контроля

 

  1. К какой группе устройств относится корректор коэффициента мощности (ККМ)?
  2. а) параметрический стабилизатор;
    б) компенсационный стабилизатор непрерывного действия;

    в) компенсационный стабилизатор импульсного действия;

    д) электромеханический стабилизатор.

    Ответ: в

  3. К какой группе устройств относится корректор коэффициента мощности (ККМ)?
  4. а) повышающий стабилизатор;

    б) понижающий стабилизатор;

    в) инвертирующий стабилизатор;

    г) релейный стабилизатор.

    Ответ: а

  5. Какую основную функцию выполняет корректор коэффициента мощности (ККМ)?
  6. а) выпрямления напряжения;
    б) сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения;

    в) стабилизацию напряжения;

    д) активную фильтрацию потребляемого тока.

    Ответ: д

  7. Как выглядит огибающая потребляемого тока источника электропитания со звеном корректора коэффициента мощности?
  8.   Ответ: в

  9. Какой вид модуляции используется в ККМ для управления транзисторным ключом при выполнении дополнительной функции - стабилизации напряжения на выходе?
  10. а) амплитудно-импульсная (АИМ);

    б) широтно-импульсная (ШИМ);

    в) частотно-импульсная (ЧИМ);
    г) АИМ и ШИМ;

    д) ШИМ и ЧИМ.

    Ответ: б

  11. Какой вид модуляции используется в ККМ для управления транзисторным ключом при выполнении основной функции - активной фильтрации тока сети?

а) амплитудно-импульсная (АИМ);

б) широтно-импульсная (ШИМ);

в) частотно-импульсная (ЧИМ);
г) АИМ и ШИМ;

д) ШИМ и ЧИМ.

Ответ: в

7. Коэффициент мощности нагрузки (cosφ) учитывает … тока относительно напряжения.

Ответ: фазовый сдвиг

8. В схеме корректора коэффициента мощности (ККМ) блок 1 называется

  а) датчик тока;

  б) делитель выпрямленного напряжения;

  в) делитель выходного напряжения ККМ;

  г) система управления.

  Ответ: б

9. В схеме корректора коэффициента мощности (ККМ) блок 2 называется

  а) датчик тока;

  б) делитель выпрямленного напряжения;

  в) делитель выходного напряжения ККМ;

  г) система управления.

  Ответ: г

10. В схеме корректора коэффициента мощности (ККМ) блок 3 называется

  а) датчик тока;

  б) делитель выпрямленного напряжения;

  в) делитель выходного напряжения ККМ;

  г) система управления.

  Ответ: а

к оглавлению


Знаете ли Вы, что, как не тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 29.11.2020 - 09:10: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 09:04: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 09:03: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 09:01: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 09:01: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 08:58: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
28.11.2020 - 15:48: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Юрия Воробьевского - Карим_Хайдаров.
28.11.2020 - 11:37: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
28.11.2020 - 11:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Аманды Вольмер - Карим_Хайдаров.
28.11.2020 - 09:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Александра Флоридского - Карим_Хайдаров.
27.11.2020 - 21:02: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
27.11.2020 - 20:57: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Амары Ельской - Карим_Хайдаров.

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution