коррекция фактора мощности pfc что это
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:
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 не обязательно.
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.
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!
Коррекция фактора мощности pfc что это
Думаем, что никогда об этом не задумывались.
Функцией PFC (Power Factor Correction или коррекция коэффициента мощности) не очень известна потребителям и многие просто не знают о ней. Хотя в компьютерных блоках питания (БП) она применяется уже давно. И каждый кто пользуется стационарным компьютером дома или на работе уже давно ее использует.
При этом выбирая блок питания для светодиодного освещения (так называемый LED-драйвер) или блок питания для светодиодной рекламы (LED экран) мало кто обращает внимание на такой параметр как PF (Power Factor, рус. коэффициент мощности) или на наличие в БП функции PFC (коррекция коэффициента мощности).
Что такое коэффициент мощности.
«Коэффициент мощности (eng. PF – Power Factor).— безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей и мощности искажения (собирательное название — неактивная мощность).»
Кому интересно может почитать в популярной форме в статье. Википедии, откуда взята цитата.
Нужно отметить, что коэффициент мощности может быть от нуля до единицы. И чем ближе его значение к «1», тем лучше.
Причем, здесь нужно отличать два немного различных физически, но важных фактора: собственно реактивная мощность и искажения формы напряжения (из-за резких всплесков потребляемого тока). Оба они существенно увеличивает нагрузку на электросети и оборудование:
Реактивная мощность. Это параметр энергоснабжения оборудования с индуктивным или емкосным характером нагрузки, так называемой реактивной нагрузки, при котором потребляемый ток опережает или отстает от питающего (сетевого) напряжения по фазе. Активной является только чисто резистивная нагрузка вроде нагревателей, ТЭН-ов (с некоторыми оговорками).
Тут обязательно нужно вспомнить, что отдельные категории такие, как промышленные предприятия и организации платят за эту реактивную мощность. Бытовые потребители за нее не платят. Но есть еще один фактор…
Искажение формы напряжения – это искажения формы питающего напряжения из-за неравномерной нагрузки во времени. Такое искажение с одной стороны увеличивает нагрузку на трансформаторы. С другой стороны,оно уже влияет на качество электроэнергии на самом объекте: приводит к «просадкам напряжения» на пике потребления и может влиять на работу другого оборудования.
Связь коэффициента мощности и «косинуса фи».
Коррекция коэффициента мощности (PFC) в импульсных блоках питания.
Начнём с того как работают входные цепи простого импульсного блока питания без корректора коэффициента мощности.
Дальше в дело вступают транзисторы для формирования высокочастотных импульсов, и высокочастотный трансформатор, которые используют энергию с входных конденсаторов… но это нам сейчас не важно с точки зрения процессов в сети.
Для сети импульсный блок питания (без функции PFC) представляет собой конденсатор большой емкости, который постоянно разряжается и каждый полупериод подзаряжается от сети.
Рассмотрим два блока питания одинаковой мощности с одинаковой нагрузкой.
Импульсный блок питания без функции PFC.
Входные цепи абсолютного большинства импульсных блоков питания похожи: на входе предохранитель, фильтр помех, диодный мост и входные ёмкости (несколько конденсаторов большой ёмкости).
Осциллограмма входного напряжения и входного тока блока питания без PFC показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Процессы в сети при работе БП без функция PFC
На рисунке 1 голубая линия – сетевое напряжение, желтая – ток во входной цепи питания блока питания. Здесь очень хорошо видно, что потребление тока не постоянно, а проходит импульсами. Это происходит в те моменты, когда сетевое напряжение превышает остаточное напряжение на входных конденсаторах. Так же хорошо видно, что в моменты потребления тока искажается форма сетевого напряжения.
Вопреки тому, что говорили нам в учебных заведениях на уроках электротехники, сеть – не совсем источник напряжения. Суровая реальность приходит в виде:
К данном блоке питания без PFC пиковая амплитуда импульсов тока достигает 25А и этого достаточно, чтобы в данной цепи искажать форму напряжение.
Импульсный блок питания с функцией PFC.
В таком блоке питания после выпрямительных диодов есть схема корректора коэффициента мощности (PFC).
На Рисунке 2 показана осциллограмма входного напряжения и входного тока блока питания такой же мощности как в первом случае, но с функцией PFC.
Рисунок 2. Процессы в сети при работе БП с функция PFC
Хорошо заметно, что с функцией PFC потребление тока из сети происходит более равномерно, и форма напряжения практически не искажена. Кроме того, пиковый ток стал существенно меньше (10,6 А против 25 А без функции PFC).
На что влияет практически увеличение коэффициента мощности.
Практически коэффициент мощности 0,95 и выше считается отличным показателем. Улучшение коэффициента мощности (eng. PF – Power Factor) до приемлемой величины 0,93 – 0,95 позволяет:
Кому важно увеличение коэффициента мощности блоков питания.
Увеличение коэффициента мощности для блоков питания важно:
В нашем интернет магазине представлены блоки питания как с функцией PFC так без функции PFC (производства CZCL и Mean Well).
Несколько примеров блоков питания с функцией PFC.
+70°С (до +50°С 100% нагрузки), Защита: от перегрузки, от короткого замыкания, от перенапряжения, от перегрева, Функция PFC …
Аналог Mean Well RSP-320-5.
+70°С (до +60°С 100% нагрузки), Защита: от перегрузки, от короткого замыкания, от перенапряжения, от перегрева, Функция PFC …
Аналог Mean Well ELG-150-12.
+70°С (до +60°С 100% нагрузки), Защита: от перегрузки, от короткого замыкания, от перенапряжения, от перегрева, Функция PFC …
Аналог Mean Well ELG-150-36A.
+70°С (до +60°С 100% нагрузки), Защита от перегрузки, от короткого замыкания, от перенапряжения, от перегрева, Функция PFC …
Аналог Mean Well ELG-150-36AB.
+70°С (до +60°С 100% нагрузки), Защита: от перегрузки, от короткого замыкания, от перенапряжения, от перегрева, Функция PFC …
Аналог Mean Well ELG-150-48A.
+70°С (до +60°С 100% нагрузки), Защита от перегрузки, от короткого замыкания, от перенапряжения, от перегрева, Функция PFC …
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.
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.
PFC коррекция коэффициента мощности
Коэффициент мощности и фактор наличия гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронного оборудования, которое этой электроэнергией питается.
Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности потребителей был приближен к единице, а для электронных приборов важно чтобы гармонических искажений было бы как можно меньше. В таких условиях и электронные компоненты устройств проживут дольше, и нагрузке будет более комфортно работать.
В реальности же имеет место проблема, которая состоит в том, что обычный линейный источник питания не способен обеспечить электронное оборудование электроэнергией должного качества, да еще и с высоким КПД. В итоге приходится мириться с тем, что КПД сетевого блока питания в 80% при коэффициенте мощности стремящимся к 0,7 стало принято считать нормой.
А причина данной проблемы кроется в том, что на входе обычного импульсного блока питания стоит диодный мост с конденсатором фильтра, и будь потребитель выпрямленного тока даже линейной нагрузкой, все равно ток, подаваемый из сети на диодный мост, будет иметь всплески, ярко выраженные обособленные пики, между которыми расположены промежутки нулевого потребления тока от сети.
В схеме, которая получает питание от такого конденсатора фильтра, данное явление порождает высокие гармонические искажения. А коэффициент мощности у нагрузки, питаемой от такого простого выпрямителя с конденсатором, как правило не превысит и 0,3.
Существует простой «пассивный» способ немного сгладить острые токовые пики, чуть-чуть повысить коэффициент мощности и слегка снизить таким образом гармоники. Способ заключается в добавлении катушки индуктивности между диодным мостом и конденсатором фильтра. Это немного округлит пики в сторону сближения с синусоидальной формой.
Однако и в данном случае коэффициент мощности окажется по-прежнему далеким от единицы (около 0,7), ведь форма потребляемого тока снова совсем не синусоидальна. И когда такого плана потребителей различной мощности к сети подключено много, это становится серьезной проблемой для генерирующей электроэнергию стороны.
Лучший способ повышения коэффициента мощности и снижения гармоник сетевой частоты — применение в импульсных блоках питания относительно простых схем активной коррекции коэффициента мощности (PFC) на базе импульсного повышающего преобразователя типа boost converter. Здесь в схему входного выпрямителя добавляется не только катушка индуктивности, но и полевой транзистор с драйвером и контроллером, а также диод.
В процессе работы схемы активной коррекции коэффициента мощности (active PFC) полевой транзистор быстро переключается между двумя состояниями.
Первое состояние — когда ключ замкнут, дроссель получает питание от выпрямителя, запасает энергию в магнитном поле, при этом диод смещен в обратном направлении, и нагрузка получает питание только от конденсатора фильтра.
Второе состояние — когда транзистор разомкнут, в эту часть цикла диод переходит в проводящее состояние, и дроссель теперь передает энергию к нагрузке и заряжает конденсатор. Такие переключения происходят с частотой в несколько десятков килогерц на каждой полуволне сетевой синусоиды.
Грамотное управление ключом необходимо для того, чтобы ток потребления находился в фазе с переменным напряжением сети. С этой целью контроллер формирует ШИМ сигнал управления затвором полевого транзистора, чтобы на пике синусоиды дроссель получал энергию менее продолжительно, чем вблизи нулевого напряжения (более продолжительно).
Контроллер PFC имеет цепь обратной связи по выходному напряжению (которое сравнивается с опорным и поддерживается постоянным посредством ШИМ) а также датчик входного напряжения и тока дросселя, чтобы точно, в режиме реального времени, отслеживать средний ток дросселя для обеспечения нагрузке максимального коэффициента мощности.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
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:
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:
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:
К недостаткам схем коррекции коэффициента мощности блоков питания можно отнести: