Меню

Коррекция фактора мощности блока питания бывает

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:

Читайте также:  Philips 3000 series блок питания

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:

  • контроллер (PFC Control);
  • катушка индуктивности L (дроссель);
  • ключевой MOSFET-транзистор Q;
  • выпрямительный диод D;
  • выходная емкость C0;
  • цепи обратной связи.

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:

  • максимальное приближение к активному характера потребления нагрузки, сведение к минимуму пиковых перегрузок;
  • расширение диапазона допустимого входного переменного напряжения;
  • снижение уровня пульсаций на выходе сглаживающего конденсатора при сохранении его емкости за счет уменьшения длительности токовых пауз;
  • улучшение режима работы инвертора блока питания и КПД блока питания за счет стабилизации подающегося на него напряжения.

К недостаткам схем коррекции коэффициента мощности блоков питания можно отнести:

  • увеличение стоимости готового изделия из-за добавления электронных элементов, отвечающих за коррекцию cos φ;
  • уменьшение надежности блока питания из-за включения в его состав еще одного блока, работающего в критических условиях (высокие напряжения и токи).

Вам также может понравиться

О ремонте райзеров-убийц видеокарт на преобразователях FR9889 и LM1084

Разблокировка потоковых процессоров у видеокарт AMD Radeon RX460 и 560

Источник



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:

  • С пассивным – дроссель, включенный в схему между конденсаторами и выпрямителем;
  • С активным – дополнительный импульсный источник питания для повышения напряжения.

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 необязательно.

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.

Читайте также:  Блок питания 12v влагозащитный

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!

Источник

Принцип работы PFC(Power Factor Correction)

PFC(Power Factor Correction) переводится как «Коррекция фактора мощности», встречается также название «компенсация реактивной мощности». 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, который также принято называть «PFC». Эти устройства предназначены для снижения потребляемой блоком питания реактивной мощности.

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.
Форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого БП без PFCблока 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.

Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания — он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, также при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110. 230В, не требующие ручного переключения напряжения сети. (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

К примеру, напряжение на 1 ноге FAN7530 зависит от делителя собранного на R10 и R11, и соответственно на конденсаторе C9.

Источник

Устройство импульсных блоков питания, APFC

Некоторое время назад мне задавали вопрос по поводу корректора коэффициента мощности импульсных блоков питания, попробую кратко рассказать что это такое и зачем надо.

Так уж сложилось, что в обычной жизненной ситуации вы скорее всего встретите корректор коэффициента мощности (ККМ) в блоке питания компьютера.
Нет, конечно они встречаются и в других блоках питания, даже чаще, чем в компьютерных. Но обычно это промышленные блоки питания и в быту попадаются крайне редко.
Думаю что большинство читателей моего блога и зрителей моего канала, как минимум немного ориентируются в радиоэлектронике, потому скорее всего видели компьютерный блок питания «изнутри».
Блок питания с активным корректором выглядит на первый взгляд почти также как и обычный.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Но если посмотреть внимательнее, то на «горячей» стороне можно заметить большой дроссель. Его магнитопровод может иметь разную форму, но чаще всего попадаются с кольцевыми, как и вариант на фото.
Кроме того подобные блоки питания отличаются еще и тем, что обычно в них установлен один фильтрующий конденсатор на 450-500 Вольт, а не два по 200-250. Обусловлено это тем, что часто такие блоки питания имеют широкий диапазон входного напряжения от 100-115 Вольт и переключение входного напряжения им не нужно.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Не стоит путать дроссель АККМ (активный корректор коэффициента мощности) с выходным дросселем групповой стабилизации, хотя внешне они весьма похожи. Отличие в том, что обычно дроссель корректора имеет только одну обмотку, а ДГС (дроссель групповой стабилизации), несколько.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Вообще корректор может быть не только активным, а и пассивным. В этом случае вы увидите на верхней крышке блока питания «железный» дроссель с парой проводов, внешне похожий на 50Гц трансформатор мощностью 10-20 Ватт.
Такой вариант также жизнеспособен, но заменить полноценный активный корректор он не может.

Теперь немного о том, зачем это вообще все надо. Думаю вы знаете, что ток в сети имеет форму синусоиды, действующее напряжение 220-230 Вольт (у нас), амплитудное — 310-320 Вольт. Не буду сейчас рассказывать чем отличается действующее от амплитудного, сделаю это в другой раз, но кто еще не видел, синусоида выглядит так, как показано на этом рисунке.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Читайте также:  Сколько ватт блок питания нужен для 3080

Дальше переменный ток выпрямляется и фильтруется конденсаторами. Чаще всего применяется такая схема, представляющая из себя диодный мост и пару (иногда один) конденсаторов.
Конечно там есть еще входной фильтр, предохранитель, но в данном случае они нас не касаются.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

При нормальной напряжение на конденсаторах будет примерно 280-320 Вольт в зависимости от их емкости и мощности нагрузки, я об этом уже рассказывал в своем видео посвященному устройству блоков питания.
Но так как напряжение в сети по сути 100 раз в секунду меняется от нуля до 320 Вольт и опять до нуля, а в цепи есть диодный мост, то ток заряда конденсаторов фильтра течет не всегда, а только когда амплитудное напряжение превысит напряжение на конденсаторах.
При этом ток в цепи 220-230 Вольт будет выглядеть как показано вверху этой картинки. Получается, что блок питания потребляет энергию не постоянно, а только на пиках синусоиды. Если предположить, что БП потребляет в итоге энергию всего 20% времени, то ток в момент когда идет заряд конденсаторов, будет в 5 раз больше среднего тока потребления. Например ток 1 Ампер, мощность 220 Ватт, значит пики тока будут доходить до 5 Ампер.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Проблема эта вылезла «в полный рост» тогда, когда количество импульсных блоков питания превысило некую «критическую массу». В итоге было придумано довольно простое и эффективное решение. Кстати, в развитых странах все мощные блоки питания должны иметь корректор коэффициента мощности, но так как это недешево, то производители недорогих блоков питания на этом экономят в первую очередь.

Как я сказал, решение проблемы простое и по сути лежит на поверхности. А базой для этого решения является обычный степ-ап преобразователь напряжения. На схеме виден дроссель, транзистор, диод, ШИМ контроллер и конденсатор.
При открывании транзистора в дросселе накапливается энергия, которая при закрытии транзистора суммируется с входным напряжением и поступает в нагрузку, подзаряжая выходной конденсатор. Такая схема часто используется в повербанках для получения 5 Вольт из 3.7.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Но если скрестить обычный блок питания и эту схему, то мы получим активный корректор коэффициента мощности.
При этом важно то, что фильтрующий конденсатор после диодного моста не ставится, его роль выполняет конденсатор небольшой емкости, обычно 0.47-1.0мкФ, он нужен только для компенсации импульсного характера потребления корректора.

В итоге преобразователь пытается «высосать» из сети все что можно в диапазоне уже не 220-230 Вольт, а 40-80. Кстати, мощные блоки питания далеко не всегда могут работать в широком диапазоне, хотя и могут при этом содержать в своем составе АККМ. Просто в таких режимах корректору приходится тяжело и работу в широком диапазоне они не обеспечивают, хотя и продолжают корректно работать.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Здесь я попробовал наглядно показать разницу в работе обычного БП и БП с корректором.
Красным выделен вариант работы обычного блока питания, заштрихованная часть отображает зону, где есть потребление тока. Видно что зона довольно узкая, соответственно ток будет большим. Причем чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем уже будет эта зона и тем ниже будет коэффициент мощности.
Синим и зеленым я показал пару вариантов работы активного корректора, один начинает работу примерно от 100 Вольт амплитудной составляющей, второй примерно от 50 Вольт. Видно что зона стала шире, соответственно ток пропорционально падает и растет коэффициент мощности.
В общем-то данная зона может начинаться почти от нуля, тогда коэффициент будет равен единице, но обычно он составляет 0.98-1, этого более чем достаточно.

Чем же чреват этот пресловутый коэффициент мощности.
Из-за пиков тока происходит кратковременная перегрузка сети, в следствие чего могут начаться проблемы в старых и изношенных сетях. Возможно отгорание нулевого провода в трехфазных сетях с совсем печальными последствиями.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

А вот схема входной части компьютерного блока питания имеющего в своем составе активный корректор мощности, он выделен синим цветом.
Не удивляйтесь что на схеме нет ШИМ контроллера, который им управляет, часто он расположен на отдельной плате, а иногда интегрирован в общий ШИМ контроллер. Т.е. помимо одного-двух штатных каналов имеется еще и выход для управления транзистором корректора. Такой вариант удобен для производителя, но далеко не всегда удобен для ремонтника. В самом начале я показал фото блока питания, там как раз вышел из строя узел корректора, а так как микросхема управляет всем, то выгорела и она. Найти замену я не смог, потому Бп лежит мертвым грузом и возможно будет разобран на запчасти, тем более что они весьма неплохого качества.
Устройство импульсных блоков питания, APFC

Что же дает нам корректор, сначала преимущества:
1. Характер потребления почти такой же как у активной нагрузки, соответственно нет пиковых перегрузок.
2. Часто такие БП имеют расширенный диапазон входного напряжения и лучше работают в плохих электросетях.
3. Емкость фильтрующего конденсатора нужна меньше, так как паузы без тока меньше.
4. Инвертору блока питания легче работать, ведь по сути он питается стабилизированным напряжением.

Теперь недостатки.
1. Выше цена.
2. Меньше надежность
3. Могут быть сложности при работе с некоторыми моделями UPS.

Иногда идут споры, по поводу КПД таких блоков питания. Я придерживаюсь мнения, что КПД одинаков, так как хоть корректор и имеет собственное потребление, но основному инвертору работать легче, потому то на ото и выходит.

Ну и конечно же видео, в качестве дополнения. А я как всегда жду ваших вопросов как в комментариях здесь, так и под видео.

Источник