Вхідні коректори джерел безперебійного електроживлення радіотехнічних комплексів

Увімкнення в мережу змінного струму нелінійних навантажень, наприклад, джерел електроживлення з ємнісним чи іншим фільтром на реактивних елементах, у тому числі і ДЖБ, призводить до того, що споживаний цими пристроями струм має несинусоїдальний характер з високим відсотком вмісту високих гармонік. Внаслідок цього під час роботи різного роду електрообладнання виникають проблеми електромагнітної сумісності, і коефіцієнт потужності при цьому, як правило, не перевищує 0,7.

Саме тому було розроблено і введено в дію стандарт VDE0712, в якому містились певні вимоги до освітлювального електрообладнання потужністю понад 25 Вт щодо гармонічних складових споживаного цим обладнанням струму і коефіцієнту потужності [1]. В 1982 році європейським стандартом IEC555 було введено більш жорсткі обмеження щодо вмісту високих гармонік в струмі навантаження, причому дія цього стандарту розповсюджувалась не лише на освітлювальне електрообладнання, а й на системи електроживлення потужністю понад 165 Вт [2].

В наш час стандарт МЕК IEC 1000-3-2 визначає норми щодо гармонічних складових споживаного струму і коефіцієнту потужності для систем електроживлення потужністю понад 50 Вт і всіх типів освітлювального електрообладнання [3]. Поступове посилювання вимог до споживачів електроенергії викликало необхідність прийняття спеціальних заходів і підштовхнуло розробників електрообладнання до розробки та впровадження різних варіантів схем, здатних забезпечувати підвищення коефіцієнта потужності. Так, в 80-х роках минулого століття почали використовуватися мікросхеми різних фірм виробників, які дозволили створити прості коректори коефіцієнта потужності для випрямних пристроїв і електронних баластів. В колишньому Радянському Союзі, а також в Україні після здобуття нею незалежності ніяких обмежень щодо вмісту вищих гармонік в електроустановках електроспоживачів не вводилося. З цієї причини питанням підвищення коефіцієнта потужності не приділялося достатньої уваги і в технічній літературі, а елементна база для схем корекції електроживлення значно поступалася зарубіжним аналогам. Останнім часом завдяки доступності придбання імпортних електронних компонентів і можливості створення на їх основі недорогих і при тому надійних в роботі схем активних коректорів ситуація докорінно змінилась на краще.

Як правило, на вході кожного джерела живлення застосовують мостовий випрямляч та згладжувальний фільтр на реактивних елементах. Типовий приклад принципових схем такого однофазного випрямляча показано на рис. 4.1, зі згладжувальною ємністю (а) та з L–C фільтром (б). На цьому ж рисунку наведені форми напруги та струму (в): 1 – напруга на ємності; 2 – випрямлена напруга; 3 – струм навантаження. Зазначимо, що, згідно з наведеними на рис. 4.1, в формами напруги та струму, струм навантаження в електромережі протікає на інтервалі t ₁... t ₂, тобто тоді, коли випрямлена напруга мережі перевищує напругу на конденсаторі.

Коефіцієнт потужності (відношення активної складової потужності до повної потужності) для схеми, наведеної на рис. 4.1, а, знаходиться в межах 0,5...0,7 і залежить від величини ємності конденсатора і опору навантаження [4]. Збільшення потужності в навантаженні призводить до зростання пульсацій на конденсаторі фільтру, які для електролітичних конденсаторів не повинні перевищувати допустимих значень.

Рис.4.1

Застосування LC-фільтру для згладжування пульсацій випрямленої напруги, як видно з рис. 4.1, б, можна назвати методом пасивної корекції коефіцієнта потужності. Форма вхідного струму залежить від величини індуктивності дроселя і ємності конденсатора фільтру. Оскільки частота мережі живлення дорівнює 50 Гц, елементи фільтра мають великі розміри, що погіршує масо-габаритні показники пристрою. Коефіцієнт потужності при цьому трохи більший – 0,7...0,85. Зазначимо, що застосування індуктивності веде до виникнення перенапруг, які з'являються на вихідній ємності і на дроселі фільтра під час стрибкоподібних змінювань струму навантаження.

Методи активної корекції коефіцієнта потужності можна умовно поділити за частотою перетворення на низько- та високочастотні [5, 6].

Принципова схема низькочастотного коректора коефіцієнта потужності (ККП), що працює на частоті 100 Гц, наведена на рис. 4.2, а, а форми напруги і струму – на рис. 4.2, б, де позначено: 1 – напруга мережі; 2 – струм, споживаний з мережі.

Принцип роботи ККП полягає в наступному. У випадку позитивної напівхвилі у момент переходу напруги мережі через нуль транзистор VT1 відкривається на 1...2 мс, і через обмотку дроселя і діоди VD3, VD8 протікає струм. Під час вимкнення транзистора VT1 енергія, накопичена в дроселі, передається в конденсатор фільтра і навантаження через діоди VD1, VD6. У випадку негативної напівхвилі процес повторюється з тією різницею, що струми протікають через інші пари діодів. У результаті застосування низькочастотного коректора форма струму, що споживається з електромережі, має не зовсім синусоїдальний характер з низькими гармонічними складовими (рис. 4.2, б), а коефіцієнт потужності у разі повного навантаження досягає значення 0,94...0,97. Беззаперечною перевагою цієї схеми є низькі втрати, можливість використання низькочастотних компонентів, характерною ознакою яких є висока надійність і низька вартість. Основні недоліки схеми – завищені габарити і маса порівняно з іншими коректорами потужності.

Рис. 4.2

Зменшення розмірів елементів фільтру досягається шляхом збільшення частоти перетворення. Пристрої корекції, що формують вхідний синусоїдальний струм, на сьогоднішній день працюють на частотах 20...150 кГц і, як правило, їх виконують за схемою підвищувального перетворювача.

Зазначимо, що в технічній літературі наводяться приклади різних варіантів увімкнення дроселя і силових ключів, найпоширеніші з яких наведені на рис. 4.3.

Рис. 4.3

Так схема, що наведена на рис. 4.3, а, являє собою класичний варіант високочастотного ККП, створеного на основі підвищувального перетворювача з дроселем L1, ввімкненим після випрямляча.

На відміну від цієї схеми, в схемах, наведених на рис. 4.3, б, 4.3, в та 4.3, г, дросель L1, увімкнено в ланцюг змінного струму частотою 50 Гц до випрямляча. При цьому схема на рис.4.3, б є різновидом схеми, наведеної на рис.4.2, а, і відрізняється від неї способом управління силовим транзистором та додатковими силовими діодами. Схема на рис.4.3, в відрізняється від схеми рис.4.3, б меншою кількістю силових діодів за рахунок використовування двох силових транзисторів ККП, які по черзі працюють на кожному півперіоді напруги електромережі. Щодо схеми, наведеної на рис.4.3, г, то за алгоритмом роботи вона є аналогом схеми, наведеної на рис.4.3, а, проте має дросель, винесений в ланцюг змінного струму.

Методи управління силовими транзисторами можуть бути різними. Наприклад, для формування кривої вхідного струму може використовуватися датчик струму дроселя та датчик випрямленої мережної напруги. Силовий транзистор відкривається при нульовому значенні струму дроселя, а закривається у разі однакових вихідних сигналів датчика струму і датчика напруги.

Слід звернути увагу на наведені на рис. 4.4 форми напруги та струму в високочастотних ККП із змінною (а) та з постійною частотою комутації (б). На цьому рисунку позначено: 1 – напруга мережі; 2 – робота високочастотного коректора; 3 – струм, що споживається з електромережі.

Форма струму в кожному з циклів (рис.4.4,а) трикутна, а його середнє значення пропорційне середній випрямленій напрузі. Частота перемикання силового транзистора в даному випадку змінюється залежно від струму навантаження і напруги електромережі, що не дає можливості синхронізувати роботу ККП з силовим перетворювачем на його виході.

Для усунення залежності вихідної напруги від струму навантаження в схему вводять вузол помножувача сигналів з датчиків вхідної і вихідної напруги. Такий спосіб управління транзисторами ключа досить просто реалізувати за допомогою існуючих контролерів, наприклад, таких як TDA4862, МС33260, NJM2375. Мікросхеми досить широко застосовуються для корекції коефіцієнта потужності в схемах електронних баластів і джерелах живлення потужністю до 100...180 Вт і більше. В наш час на ринку з'явилась велика кількість мікросхем управління, призначених для побудови схем коректорів, що працюють на постійній частоті [28, 29]. Для формування кривої вхідного струму, із застосуванням таких мікросхем, доводиться використовувати більш складну структуру управління. Форма струму, що споживається з електромережі, наведена на рис. 4.4,б.

Рис.4.4

В структурах однофазних джерел безперебійного живлення широке застосування знайшла напівмостова схема інвертора, що містить два послідовно ввімкнених конденсатора, які застосовуються в якості ємнісного дільника. Напруга на кожному з цих конденсаторів підтримується стабільною в межах ± 400 В за рахунок високочастотного ШІМ управління силового транзистора ККП з постійною частотою комутації 10...20 кГц.

На рис.4.5 наведені схеми високочастотних ККП з диференціальним виходом з одним (а) та з двома дроселями (б). В першій з цих схем застосовується один дросель L1 і один силовий транзистор VT1, така схема, з подвійним перетворенням енергії, застосовується в ДЖБ потужністю до 2...3 кВ·А.

Для потужностей понад 3 кВ·А в якості ККМ використовують два однотактні підвищувальні перетворювачі (бустери) на силових транзисторах VT1, VT2 (рис.4.5,б). Ці транзистори управляються незалежними високочастотними ШІМ сигналами у відповідному півперіоді напруги електромережі. Така схема містить два дроселі L1, L2, проте за рахунок зниження кількості силових діодів знижуються втрати потужності в ККП.

Рис. 4.5

Багато фірм (Micro Linear, UNITRODE та ін.) випускають документацію із застосування ККП, що містять методики розрахунку схем ККП для конкретних мікросхем, рекомендації з вибору окремих компонентів таких схем тощо. На ринку широко представлені нові конструкції контролерів, що дозволяють створювати більш надійні і дешеві джерела живлення з високим коефіцієнтом потужності. Ці контролери мають в своєму складі схему управління ККП і ШІМ – контролер, що управляє силовим інвертором, тобто виходить закінчене джерело живлення.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: