Pasywne i aktywne układy korekcji współczynnika mocy

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.

Rys. 1. Głównymi komponentami stopnia wejściowego zasilaczy sieciowych są prostownik i kondensator filtrujący

Rys. 2. Prąd pobierany z sieci przez zasilacze bez korekcji jest bardzo odkształcony

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.

Rys. 3a. Układ korekcji współczynnika mocy z cewką indukcyjną wstawioną przed prostownikiem

Rys. 3b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z rysunku 3a

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.

Rys. 4a. Układ korekcji współczynnika mocy z cewką indukcyjną wstawioną za prostownikiem

Rys. 4b. Układ korekcji współczynnika mocy jak na rysunku 4a z dodatkowym kondensatorem C1 na wejściu prostownika

Rys. 4c. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z rysunku 4a

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.