Pasywne i aktywne układy korekcji współczynnika mocy
| TechnikaWspółczynnik mocy (power factor, PF) jest miarą wykorzystania energii elektrycznej pobieranej przez odbiorniki zasilane z sieci energetycznej. Definiuje się go jako stosunek mocy czynnej do mocy pozornej lub w przypadku sinusoidalnych przebiegów napięcia i prądu jako kosinus kąta przesunięcia fazowego między nimi.
Współczynnik mocy o wartości mniejszej niż 1 oznacza, że występują straty energii zasilającej. Są one spowodowane przepływem mocy biernej między siecią i odbiornikami zawierającymi komponenty pojemnościowe i indukcyjne.
Moc ta jest w nich magazynowana w postaci energii pola elektrycznego lub pola magnetycznego, która, gdy pole to zanika, jest zwracana do sieci. Współczynnik mocy mniejszy od jedności oznacza też, że prąd pobierany z sieci charakteryzuje się dużą zawartością składowych harmonicznych.
Powodują one odkształcenia napięcia sieci, co negatywnie wpływa na pracę innych urządzeń do niej podłączonych. Problemy te dotyczą na przykład zasilaczy. Główne komponenty obwodu wejściowego takiego urządzenia to prostownik oraz kondensator (rys. 1), który jest cyklicznie ładowany do wartości szczytowej napięcia sieciowego.
W rezultacie prąd jest przez ten obwód pobierany tylko w czasie ładowania kondensatora. Ma on zatem przebieg impulsowy (rys. 2), a w jego widmie występują liczne harmoniczne. W związku z tym wartość współczynnika mocy zasilacza bez korekcji wynosi zwykle zaledwie około 0,6.
Pasywna korekcja współczynnika mocy
By zmniejszyć zniekształcenia prądu sieciowego oraz zapewnić zgodność faz przebiegów napięcia i prądu, wykorzystuje się układy korekcji współczynnika mocy (PFC). Dzieli się je na dwie grupy: pasywne i aktywne.
Te pierwsze realizuje się, włączając do korygowanego obwodu dodatkowy komponent bierny. Przykładem są korektory PFC pokazane na rysunku 3a i 4a. W obu jako element kompensujący wykorzystano dławik, który w pierwszym przypadku wstawiono przed, a w drugim za mostkiem prostownika.
Teoretycznie w wypadku nieskończenie dużej indukcyjności można uzyskać prostokątny przebieg prądu na wejściu prostownika, a w efekcie współczynnik mocy równy nawet 0,9. Przykładowe wyniki symulacji dla korektora z rysunku 4a z dławikiem o indukcyjności 1H przedstawiono na rysunku 4c (przebieg prądu bez C1).
W rzeczywistości ze względu na rozmiary i wagę indukcyjności o takich paramentach się nie stosuje. W przypadku zastosowania komponentów o mniejszej indukcyjności w obu konfiguracjach korektorów PFC z pojedynczym dławikiem maksymalna wartość współczynnika mocy, którą można uzyskać, to około 0,76. By zwiększyć ten parametr można jeszcze wstawić przed prostownikiem dodatkowy kondensator jak na rysunku 4b (przebieg prądu z C1 na rys. 4c).
Korektory PF z filtrami
Na przebieg prądu pobieranego z sieci można też wpłynąć, wykorzystując układ korekcji PFC w postaci filtra. Przykładem jest filtr pasmowo-przepustowy zrealizowany jako szeregowy układ rezonansowy dostrojony do częstotliwości sieciowej wstawiony przed prostownikiem jak na rysunku 5a.
Przy częstotliwości sieciowej 50Hz należałoby jednak w takim układzie zastosować komponenty bierne o znacznych wartościach pojemności i indukcyjności. Rozwiązaniem tego problemu jest dostrojenie filtru do częstotliwości konkretnej składowej harmonicznej prądu.
Przykład takiego rozwiązania z równoległym układem rezonansowym przedstawia rysunek 6a. Można też wykorzystać układ korekcji jak na rysunku 7a, w którym zastosowano kilka szeregowych obwodów rezonansowych dołączonych równoległe do wejścia prostownika. Każdy z nich dostrojony jest do częstotliwości innej składowej harmonicznej.