Inginerii de proiectare trebuie să ia în considerare factorul de putere pentru orice echipament care extrage o putere semnificativă din rețeaua de alimentare. Atingerea factorului de putere dorit necesită cunoașterea legislației privind factorul de putere, costul componentelor, cerințele de eficiență și limitările spațiului fizic al produsului.

Factorul de putere (pf) este raportul dintre puterea reală (P) care curge la sarcină și puterea aparentă (S) în circuit: pf = P/S. Este o formă de undă sinusoidală și, prin urmare, exprimată ca un număr adimensional între -1 și 1.

Puterea reală este măsurată în wați (W) și puterea aparentă în volt-amperi (VA). Pentru o sarcină pur rezistivă, cei doi factori de putere sunt identici; pentru o sarcină reactivă, aritmetica pentru puterea aparentă produce aceeași cifră, adică produsul valorilor RMS ale tensiunii și curentului. Cu toate acestea, pentru a găsi puterea reală (reală) livrată sarcinii, produsul instantaneu al tensiunii și curentului trebuie integrat pe parcursul întregului ciclu sinusoidal.

Atunci când curentul este de conducere sau este întârziat, valoarea acelei integrale va fi întotdeauna mai mică decât valoarea pentru cazul în fază pe același interval. Aceasta reflectă atributul unui inductor sau al unui condensator de a acționa ca un depozit de energie; în diferite puncte ale ciclului de curent alternativ, componenta reactivă fie stochează energie, fie o readuce în sistem.

bază
FIG. 1. Puterea aparentă este suma vectorială a puterii reale și a puterii reactive.

Așa cum se arată în FIG. 1, puterea aparentă este suma vectorială a puterii reale și a puterii reactive (Q), măsurată în volt-amperi reactivi (VA); în mod convențional, această relație este exprimată ca:

P = S cosÆ ? sau P 2 + Q 2 = S 2 (1)

Relația este vizualizată convențional într-o diagramă vectorială triunghi unghiular:

Aceasta este o definiție de bază și funcționează pentru sinusoide pure; formele de undă non-sinusoidale sunt mai complexe, dar pot fi reprezentate de o serie de sinusoide armonice și, prin urmare, se aplică aceleași principii de bază.

Implicații

Utilitățile de alimentare cu energie electrică și corpurile de producție necesită clienților lor să prezinte o rețea la rețeaua electrică cât mai aproape de factorul de putere unitar posibil. Principalul, dar nu singurul motiv, este fiscal. Clientul se așteaptă să plătească pentru munca „reală” efectuată la sediul său - cu alte cuvinte, valoarea W, de mai sus.

Utilajele electrice trebuie să furnizeze pentru a furniza valorile de curent și tensiune de vârf în forma de undă în orice moment. Un factor de putere mai mic decât unul este efectiv o creștere a costurilor lor și unul pe care îl returnează clienților prin impunerea unui tarif crescut pentru clienții cu sarcini reduse ale factorilor de putere. Realizarea factorului de putere maxim este, prin urmare, un „câștig-câștig” pentru toți cei implicați.

FIG. 2. Formă de undă de calitate slabă, cu un factor de putere rămas de 0,71.

FIG. 2 arată relația dintre tensiune și curent pentru un factor de putere de 0,71.

Există și alte efecte pe care generatorii de energie trebuie să le facă față, care fac ca o sarcină de unitate-factor de putere să fie extrem de preferabilă. Energia rotativă care generează energie este mai dificil de gestionat și de menținut stabil atunci când se furnizează un factor de putere scăzut și pot exista pericole de încălzire sau suprasarcină pentru transformatoare și echipamente de transmisie în rețeaua de alimentare; stabilitatea rețelei este, de asemenea, mai dificil de întreținut cu sarcini cu factor de putere redus atașate la sistem. Factorul de putere scăzut tinde, de asemenea, să fie asociat cu alte atribute negative pentru o sarcină electrică bine comportată. Formele de undă de curent foarte distorsionate trase de la rețea pot injecta armonici de ordin înalt înapoi în rețeaua de alimentare.

Echipamentele de transmisie au pierderi mai mari la frecvențe mai mari, ducând la probleme de încălzire; dacă frecvențele mai mari sunt prezente în sarcina plasată direct pe instalația generatoare, acestea se pot manifesta ca vibrații distructive care duc la uzură excesivă a componentelor precum rulmenții. Distorsiunea curentului poate duce la curenți dezechilibrați în liniile neutre ale rețelelor de distribuție trifazate, care la rândul lor pot îndepărta neutrul de la sol (tensiune) și pot da naștere la o multitudine de probleme.

Prima încercare de a legifera pentru interferențele de rețea a avut loc acum 100 de ani, în 1899, pentru a preveni pâlpâirea lămpilor cu incandescență, dar una dintre reglementările cheie a venit în 1978, IEC 555-2 impunând corectarea factorului de putere în produsele de consum.

În toată lumea se adoptă legislație mai strictă. De exemplu, UE legislează în prezent EN61000-3-2 pentru echipamente care implementează o sursă de alimentare cu o cotă cuprinsă între 75 și 600 W. Aceasta stabilește limitele la a 39-a armonică pentru echipamente cu curenți de intrare mai mici sau egali cu 16 A pe fază. Regulamentul este împărțit în patru clase, A, B, C (pentru aparate, scule electrice și iluminat) și cea mai strictă clasă, D (pentru monitoare de computer și televizoare). Reglementări similare au fost puse în aplicare în China, Japonia și Australia.

Deși Statele Unite nu au același nivel de legislație ca Uniunea Europeană, programul Energy Star operat de SUA Departamentul Energiei, precum și scheme precum 80 PLUS pentru sisteme de alimentare pentru calculatoare și centre de date, pun un accent din ce în ce mai mare pe menținerea unui factor de putere ridicat; necesitând un factor de putere de 0,9 sau mai mare la 100% din puterea nominală a sursei de alimentare a sistemului.

Surse de alimentare

Chiar și atunci când sursele de alimentare care utilizau reglarea liniară furnizau majoritatea echipamentelor electronice, factorul de putere (și distorsiunea formei de undă) era adesea mai puțin decât ideal, dar rareori era abordat pentru altceva decât cele mai mari surse. Aranjamentul tipic convențional off-line a fost cel al unui transformator urmat de un redresor de punte, care alimentează un condensator de rezervor. Conducerea prin redresor ar avea loc atunci când tensiunea continuă pe linia de ieșire a scăzut sub valoarea instantanee a sursei de CA transformate, care ar putea fi pentru ciclul complet la sarcină maximă sau doar la vârful formei de undă CA sub sarcină ușoară.

Comutarea surselor de alimentare poate agrava semnificativ situația. Este posibil ca partea off-line a proiectului să nu se schimbe, cuprinzând încă un transformator/redresor și condensator, dar alimentând acum unul sau mai multe regulatoare de comutare. Redresorul de intrare continuă să genereze forme de undă de curent slab formate, dar acum cu povara adăugată că o parte din zgomotul de comutare de frecvență mai mare din etapa de reglare își poate găsi drumul înapoi în curentul extras de la priza de perete.

Acest lucru nu numai că schimbă vârful efectiv de curent în timp de forma de undă de tensiune în timp, ci introduce și forme de undă de comutare cu conținut ridicat de armonici care pot agrava distorsiunea formei de undă curente. Sosirea acestei clase de aprovizionare a coincis în mare măsură cu implementarea pe scară largă a computerelor și a altor produse IT în număr mare. Astfel de tendințe au condus direct la mediul legislativ actual.

Corecția factorului de putere

Soluția la armonicele în exces este utilizarea corecției factorului de putere (PFC). Aceasta modelează curentul de intrare al sursei de alimentare pentru a maximiza nivelul real de putere de la rețea și a minimiza distorsiunea armonică (Fig. 3).

FIG. 3. Diagrama vectorială triunghi care arată efectul corecției factorului de putere.

În mod ideal, aparatul electric ar trebui să prezinte o sarcină care seamănă cu o sarcină liniară, cum ar fi un rezistor simplu, mai degrabă decât sarcina reactivă a unei surse de alimentare de comutare necorectate. Această formă de undă corectată minimizează pierderile, precum și interferențele cu alte dispozitive alimentate de la aceeași sursă.

Compensația pentru factorul de putere scăzut poate fi realizată de dispozitive pasive sau active. Cel mai simplu caz este evidențiat în aplicațiile cu motoare electrice. Bineînțeles, ca mașini înfășurate, motoarele electrice prezintă o sarcină foarte inductivă, iar adăugarea condensatorilor la rețeaua de alimentare a fost o practică standard de mult timp. Cu toate acestea, chiar și acest caz poate să nu fie complet simplu. De exemplu, proiectantul unei astfel de rețele trebuie să aibă grijă să nu creeze efecte rezonante nedorite. Factorul de putere variabil în sarcină poate fi adaptat printr-o schemă adaptivă pentru conectarea elementelor reactive după cum este necesar și în contexte de mare putere (scară MW) pot fi aplicate soluții de mașini rotative. Există două tipuri de corecție a factorului de putere: pasiv (Fig. 4a) și activ (Fig. 4b).

FIG. 4. Exemple de circuite de corecție a factorului de putere care arată a) Corecția factorului de putere pasiv și b) Corecția factorului de putere activă.

Corecția factorului de putere pasiv sub formă de filtrare poate fi eficientă, în limite, și are ca efect reducerea armonicelor de curent de ordin superior care, după cum sa menționat mai sus, contribuie la factorul de putere degradat. Astfel de tehnici implică plasarea unui filtru trece-jos în partea de intrare a sursei de alimentare pentru a suprima componentele armonice de ordin superior și apoi compensarea caracteristicilor de plumb/întârziere ca și în cazul factorului de putere convențional. Dezavantajul unui design pasiv PFC este că pot fi necesare inductoare și/sau condensatoare mari (atât prin valoare, cât și fizic). În plus, există limitări ale gamei de intrare și puterii nominale la implementarea acestei scheme. Circuitele PFC pasive sunt în general capabile să obțină un factor de putere cuprins între 0,70-0,75.

Existența și progresul rapid al comutatoarelor semiconductoare de mare viteză și curent ridicat fac acum disponibilă opțiunea de a obține un factor de putere de până la 0,99. Corecția factorului de putere activ este schema care se aplică cel mai mult în proiectele actuale. Un stadiu de pre-regulator de comutare este plasat în calea curentului de intrare a alimentării. Acest regulator este conceput nu numai pentru a menține o tensiune continuă constantă pentru a alimenta etapa principală a convertorului de alimentare, ci și pentru a extrage curentul din intrarea în fază cu forma de undă de intrare de curent alternativ. Și, deși adăugarea unei etape de comutare impune unele pierderi suplimentare și unele costuri suplimentare, există economii compensatorii sub formă de componente de filtrare pasivă mai mici și în convertorul principal.