7.6 Импульсные корректоры коэффициента мощности

Напряжение и ток, производимые электростанциями, имеют синусоидальную форму. Произведение напряжения и тока, измеренных по отдельности вольтметром и амперметром

S=ui

называется кажущейся мощностью.

Показания ваттметра – это реальная мощность P, потребляемая из сети.

Отношение

называется коэффициентом мощности, потребляемой из сети.

Для синусоидальной формы напряжения, приложенной к активно-реактивной цепи (т.е. цепи, состоящей из резисторов и реактивных элементов – дросселей, конденсаторов) потребляемую мощность можно определить по формуле:

где - угол сдвига фаз между напряжением и током нагрузки. Т.о.

. В случае активной (резистивной) нагрузки фазового сдвига между током и напряжением нет, и . Графически фазовый сдвиг между током и напряжением можно представить, как показано на рисунке 7.16

Рисунок 7.16 – Формы напряжения, тока и фазовый сдвиг между ними

На рисунке 7.16 ток отстает от напряжения. Этот случай наблюдается при активно-индуктивной нагрузке, например, если в цепях потребления имеются асинхронные двигатели, другие индуктивности. При активно-емкостной нагрузке ток опережает напряжение.

Наряду со сдвигом по фазе возможны отклонения напряжения и тока от синусоидальных форм. При этом появляются гармоники – помехи, оказывающие вредное воздействие как на биологические объекты, так и на электронные устройства. Европейский стандарт ставит производителей электронной техники, питаемой от сети переменного тока, в очень жесткие условия. Согласно этому стандарту, коэффициент мощности работающей аппаратуры должен приближаться к единице для всех потребителей мощностью более 300 Вт. Несоблюдение этого стандарта влечет за собой не только отсутствие конкурентоспособности, но и невозможность продать свою продукцию на мировом рынке.

Простейшие способы повышения коэффициента мощности – это батареи конденсаторов, когда нагрузка имеет индуктивную составляющую, или индуктивности в случае емкостного характера. На рисунке 7.17 изображен пример включения емкостной батареи по отношению к цеху с машинами, приводящимися в работу асинхронными двигателями.

Рисунок 7.17 – Емкостная батарея на входе цеха с индуктивной нагрузкой

Благодаря постановке батареи, индуктивная составляющая цеха компенсируется емкостной составляющей батареи, поэтому в линии электропередачи (ЛЭП) косинус фи близок к единице, т.е. не перекачивается на электростанцию лишняя энергия, провода можно сделать с меньшим сечением.

На рисунке 7.18, а) приведена условная схема источника питания с выпрямителем, конденсатором и нагрузкой

Рисунок 7.18 – Схема выпрямителя а); графики б)

Синусоидальное напряжение u (рисунок 7.18, б)) выпрямляется, фильтруется конденсатором С и поступает в нагрузку R_н . Форма синусоиды напряжения u может наблюдаться непосредственно на экране осциллографа, она привычна. А вот форма потребляемого тока имеет необычный вид, она похожа на кратковременные импульсы довольно большой амплитуды (в несколько раз больше тока нагрузки R_н), наблюдается редко, т.к. для этого надо включить последовательно с конденсатором малоомный резистор, напряжение на котором будет пропорционально протекающему току.

Из рисунка 7.18, б), кроме несинусоидальности тока, видно, что центр массы импульсов тока сдвинут влево относительно синусоиды напряжения, т.е. ток опережает по фазе напряжение, как и должно быть при емкостном характере нагрузки. Еще один недостаток схемы рисунка 7.18, а) состоит в том, что в момент включения напряжения сети в цепях диодного моста протекает зарядный ток конденсатора С, в несколько раз превышающий номинальный, диоды могут выгореть. Для предотвращения выгорания придуманы разные способы, простейший – включение последовательного сопротивления (несколько Ом), но оно снижает КПД.

Отмеченные недостатки привычных схем привели к разработке электронных корректоров коэффициента мощности, а попросту, электронных схем, приближающих потребление по напряжению и току к совпадающим друг с другом синусоидам. Включаются электронные корректоры там, где есть искажения синусоидальных форм, они повышают стоимость источников питания, стабилизаторов, снижают надежность, но таковы требования.

Один из вариантов корректора в виде структурной схемы изображен на рисунке 7.19.

Рисунок 7.19 – Структурная схема активного корректора коэффициента мощности

Временные диаграммы работы приведены на рисунке 7.20

Сущность временных диаграмм состоит в том, что полупериод сетевого напряжения U_в подразделяется на ряд импульсов, т.о. потребление за полупериод усредняется.

Схема состоит из индуктивности L, ключевого транзистора VT, диода VD_c и емкости С_ф .При включении транзистора VT, через индуктивность начинает протекать ток по цепи: +VD, индуктивность L, открытый транзистор VT, датчик тока ДТ, -VD. Он нарастает по экспоненте. Диод VD_c при этом закрыт, т.к. VT шунтирует его, следовательно, + конденсатора С_ф приложен к VD_с в обратном направлении. После закрывания транзистора VT в цепи с индуктивностью L должен удовлетворяться закон сохранения тока i, который протекает в том же направлении, слева направо, по цепи: индуктивность L, диод VD_с в прямом направлении, параллельное соединение С_ф R_н, датчик тока ДТ, датчик выпрямленного напряжения ДВН, вновь индуктивность L слева направо. Этот ток заряжает конденсатор С_ф, питает нагрузку R_н, причем напряжение на нагрузке может быть больше в сравнении с выходным напряжением диодного моста, как это анализировалось в схемах повышающих импульсных стабилизаторов (бустерных).

Рисунок 7.20 — Временные диаграммы процессов в активном электронном корректоре коэффициента мощности

Управление силовым ключом производится схемой управления, в которую входят схема формирования импульсов управления СУ, усилитель напряжения УН, усилитель сигнала ошибки УСО, датчик напряжения ДН.

Так, например, при использовании сети 220 В на вход корректора поступает напряжение с амплитудой около 300 В. При этом на выходе (на конденсаторе С_ф и нагрузке R_н) напряжение около 400 В.

Если выходное напряжение U_в возрастает, то сигнал ошибки U_ош (рисунок 7.19) уменьшается, и, следовательно, уменьшается амплитуда модулирующего напряжения U_м. В результате уменьшаются амплитуды импульсов тока в индуктивности L, и соответственно уменьшается среднее значение тока i_ср, что приводит к понижению (стабилизации) выходного напряжения. Т.е. схема рисунка 7.19 не только корректирует коэффициент мощности, но и стабилизирует выходное напряжение, поэтому ее иногда называют преконвертором.

На рисунке 7.20 изображены расширяющиеся импульсы, увеличивающиеся амплитуды импульсов напряжения и тока, но это не означает несоответствия с предыдущим текстом об уменьшении импульсов напряжения и тока. Сопоставление производится со случаем, когда стабилизирующей обратной связи нет вообще. По сравнению с ним амплитуды импульсов напряжения и тока уменьшаются. Но это не значит, что в середине рисунка 7.20 они должны быть короче, чем по краям. Точно так же, как в любой статической системе управления с отрицательной обратной связью сигнал рассогласования нарастает с увеличением входного сигналаX_вх, аналогично на рисунке 7.20 импульсы напряжения и тока возрастают при увеличении U_в.

Один из вариантов принципиальной схемы преконвертора реализован в схеме импульсного источника питания, изображенной на рисунке 7.15, в его состав входит микросхема UCC28061 фирмы Texas Instruments. Известны микросхемы других фирм.

Литература

1 Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов/ Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина.- М: Горячая линия – Телеком, 2007. – 768 с

2 Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций. -М.:Корона-Век, 2010.-416 с.

3 Щука А.А. Электроника. Учебное пособие / Под ред. проф. А.С. Сигова. – СПБ: БХВ – Петербург, 2005. – 800 с.: ил.

4 Семенов Б.Ю. Силовая электроника. – Издательство «СОЛОН-Р». – М. 2001. – 327 с.: ил.

5 Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Издательский дом Додека – XXI, 2005. - 384 с.: ил.

6 Сапаров В.Е. Дипломный проект: Учеб. Пособие – М.: СОЛОН – Пресс. – (Серия «Библиотека студента») , 2003. – 218 с.: ил.

7 Методическое пособие по курсовому проектированию по курсу «Электроника и микросхемотехника» для студентов специальности «Автоматическое управление в технических системах». 2-е изд. перераб. и доп. / Решетилов А.Р., Ольшевский Н.И. Мн.: БГУИР, 2002. – 67 с. ил.

8 Лабораторный практикум по курсу «Электроника и микросхемотехника» для студентов специальности «Автоматическое управление в технических системах». – Мн.: БГУИР 2002

9 Решетилов А.Р. «Схемотехника в системах управления», курс лекций, электронный вариант, библиотека университета, БГУИР, 2012. - 225 с., ил.

243