Corecţia Factorului de Putere în sursele de alimentare SMPS

Factorul de putere și importanţa lui.
Factorul de putere (PF) este raportul între puterea reală consumată (watt) și puterea aparentă (Volt rms × Amp rms) într-un circuit AC și este un număr cuprins între 0 și 1.

Importanţa factorului de putere.
Un factor de putere egal cu 1 este obiectivul oricărei companii producătoare de electricitate, deoarece în cazul în care factorul de putere este mai mic decât 1, trebuie să furnizeze mai mult curent la utilizator pentru o anumită cantitate de utilizare a puterii. În acest sens, producătorul suportă mai multe pierderi de linie. De asemenea, trebuie să dispună de un echipament de capacitate mai mare, în loc decât ar fi altfel necesar.
Ca urmare, pentru o instalaţie industrială, se va percepe o penalizare în cazul în care factorul de putere este mult diferit de 1. Înfăşurările din motoare acționează ca inductoare văzute de sursa de alimentare (rețeaua AC).
Condensatoarele au efectul opus şi sunt elemente compensatoare pentru înfăşurările inductive din motoare. Unele site-uri industriale au mari bănci de condensatoare, strict în scopul de a corecta factorul de putere, pentru a scădea tarifele companiei de electricitate.

Figura 1: Sursele SMPS fără corecţia PF absorb pulsuri de curent din reţeaua AC cu tensiune sinusoidală

Sursele cu comutare (SMPS) nu sunt sarcini reactive ca motoarele electrice, dar ele repre­zintă sarcini neliniare pentru reţeaua de alimentare AC. Sursele de alimentare fără corecţia factorului de putere (PFC), absorb din rețeaua AC (cu tensiunea sinusoidală) pulsuri sau vârfuri mari de curent datorită unghiului mic de conducție în etajul de intrare ce realizează redresarea. Dacă este lăsat necorectat, factorul de putere (PF) al unei surse cu comutare va fi, în general, în jurul valorii de 0,65 sau mai mic.
Factorul de putere poate fi corectat prin utilizarea de circuite PFC – Power Factor Correction. Aceste circuite netezesc pulsurile de curent, îmbunătăţesc PF şi reduc posibilitatea ca o siguranță de protecție a circuitului AC să acționeze prematur. Există două tipuri de bază de PFC: pasive şi active. Circuitele pasive PFC sunt mai ieftine şi, de obicei pot corecta FP la aproximativ 0,85. Circuitele active PFC sunt cele mai utilizate, sunt prevăzute chiar în sursa de alimentare şi pot creşte PF peste 0,98. Un PF apropiat de 1 arată o bună performanţă a sursei de alimentare.

Figura 2: În cazul corecţiei PF se controlează curentul absorbit (IAC) din reţea, să repete forma de undă a tensiunii (VAC) și se stabilizează tensiunea la ieșire (Vbus)

PFC este cerută de reglementări interna­ţionale. Datorită creșterii uriașe a numărului de aparate ce includ surse de alimentare, ce se adaugă consumatorilor existenți, din anul 2001, Uniunea Europeană (UE) a stabilit limite pentru curenţii armonici care pot apărea în reţeaua de alimentare (AC line) datorită surselor de alimentare cu comutare. Reglementarea cea mai importantă este EN61000-3-2 referitoare la surse de alimentare cu putere de intrare peste 75W şi care absorb din rețea curenți până la 16A. Sunt stabilite limite severe asupra curenţiilor până la armonica a 39-a, măsurată la intrarea sursei de alimentare. De exemplu, prima armonică are frecvenţa de 50Hz în UE. Armonica a treia este de 150Hz, iar armonica 39 este de 1950Hz. Aceşti curenţi armonici nedoriți au o relaţie directă cu factorul de putere al sursei de alimentare. PFC reduce semnificativ armonicile de curent alternativ, lăsând în principal, “fundamentala”, frecvenţa curentă, care este în fază cu forma de undă de tensiune. Sursele de alimentare care îndeplinesc EN61000-3-2 au în mod normal un PF > 0.97.
Prin PFC creşte capacitatea de alimentare cu putere, adică determină cantitatea de energie utilă pe care o sursă de alimentare SMPS o poate trage din linia de curent alternativ şi apoi de a o livra la o sarcină. Formula care arată legătura este: Pout = VLrms × ILrms × PF × Eficienţa.
Multe tehnici şi topologii pot fi şi au fost imaginate pentru PFC. La nivel redus de energie (chiar până la 200 W), au fost folosite diverse tehnici PFC pasiv pentru a mări unghiul de conducție a formei de undă pentru curent. Deşi PFC pasiv poate fi low cost şi uşor de adăugat (un inductor și câteva capacitoare) la modele existente neconforme, pentru a satisface EN61000-3-2, se degradează pe ansamblu eficienţa şi este limitată îmbunătăţirea PF. Un proiect care satisface cerinţele EN61000-3-2 poate să nu îndeplinescă cerinţele ENERGY STAR și invers. Se poate realiza PF de 0.9, dar cu o formă de undă a curentului curent nu ar putea satisface EN61000-3-2 la nivelul armonicelor.

Realizarea corecţiei active a factorului de putere (PFC).
Se folosesc diverse topologii de realizare a PFC incluzând funcţiile: (1) modelarea activă a undei curentului de intrare, (2) filtrarea de înaltă frec­venţă de comutare, (3) feedback prin senzor de curent pentru a controla forma de undă, (4) feedback de control de a stabiliza tensiunea de ieşire.

Figura 3: Realizarea PFC prin topologia boost.

Un model de tip boost se prezintă în figura 3. Tensiunea de intrare redresată alimentează un etaj care crește factorul de putere (PF). În acest proces, de pre-reglementare a PFC, se creşte tensiunea de intrare Vin la o tensiune reglementată Vboost = 370-400 VDC. Un controler PFC moni­torizează atât tensiunea pe rezistor (sesizează curentul), cât și tensiunea de ieşire. În timp ce se stabilizează tensiunea de ieşire DC, se controlează și curentul alternativ de intrare, astfel ca acesta să fie în fază cu reţeaua AC şi repetă forma de undă a tensiunii rețelei. Fără acest lucru, curentul va fi livrat la SMPS în impulsuri scurte de vârf, care au un conţinut ridicat de armonici. Armonicile nu furnizează nicio energie reală a sarcinii, dar produc o încălzire suplimentară în cabluri şi echipamente de distribuţie. Un dispozitiv cu un PF mare ia un curent aproape sinusoidal de la o intrare sinusoidală, care rezultă în mod automat din conţinutul de armonici scăzut. Cazul ideal este ca şi forma de undă a curentului să fie sinusoidală şi în fază cu tensiunea de intrare.
Topologia buck folosește tensiuni mai mici, dar necesită capacitoare de valori mari (Cbulk) pentru a stoca energia E=(C × U2) / 2.
Se poate astfel alege corect nivelul de curent al siguranței electrice asociată unei prize de rețea AC. Pe lângă standardul EN61000-3-2, sunt diferitele standarde naţionale şi industriale, precum şi programe voluntare de stimulare.

Texas Instruments are circuite specializate pentru PFC

TI are un portofoliu vast de soluţii pentru surse de alimentare AC/DC

Sursă AC/DC 500W de referinţă cu componente TI: intrare universală 85…265V, ieșire 12Vdc, PFC

De exemplu, 80 PLUS® şi Energy Star® cer ca echipamentele de calcul să aibă PF > 0.9 la sarcină nominală. PF şi armonicele de curent pot fi măsurate cu analizoare.
Texas Instruments are un vast portofoliu de componente pentru conversia izolată de putere, oferind soluţii complete end-to-end. Blocurile front-end asigură PFC pentru controloarele PWM, susţinând cele mai uzuale topologii. Portofoliul include, de asemenea, o varietate de MOSFET-uri drivere care susţin aplicații atât în primar cât şi în secundar, inclusiv redresarea sincronă.

Controlere PFC lucrează în moduri diferite:
• Modul cu tranziţie • Modul cu conducție continuă • Interleaved • Bridgeless.
www.ti.com/product/UCC28060
www.ti.com/product/UCC28061
www.ti.com/product/UCC28063
www.ti.com/product/UCC28070
www.ti.com/product/UCC28070A

Metoda PFC intercalat câştigă popularitate în sursele de alimentare pentru orice tip de arhitecturi. Este excepţional de flexibilă şi oferă multe caracteristici ce duc la reducerea costurilor, cum ar fi componente pasive puține și de dimensiuni mai mici, componente mai mici de filtrare EMI şi eficienţă mai mare. TI oferă corecția PF atât în modul cu tranziţie (UCC28060) cât şi în modul cu conducţie continuă (UCC28070).

Caracteristici de bază ale dispozitivelor Texas Instruments pentru surse de alimentare
• Satisfac cerinţele IEC în toate sursele de alimentare cu putere peste 75W.
• Convertoarele de puteri mai mari pot necesita tehnici de comutare zero-current (ZCS) şi ZVT switching pentru a obţine eficienţă înaltă.
• Unele dintre cele mai simple tehnici de control nu pot fi utilizate la nivel de putere mare.
• Pentru puteri de la 50W la 5kW, controlerele PFC respectă EN61000-3-2, oferind PF > 0.993.
• Controlere integrate cu on-chip start şi circuite drivere MOSFET de înaltă densitate.
• Integrează controlul de redresare sincronă și start-up monoton.
• Suport superior cu documentații pentru aplicații.

Remember
• Puterea disipată de o sarcină este menţionată ca PUTERE REALĂ, simbolizată prin litera P şi se măsoară în waţi (W). Este specifică sarcinilor rezistive.
• Puterea absorbită în sarcină şi returnată, datorită proprietăţilor sale reactive este menţionată ca PUTERE REACTIVĂ, simbolizată prin litera Q şi se măsoară în Volt-Amper-Reactiv (VAR). Este specifică sarcinilor inductive și capacitive.
• PUTEREA TOTALĂ într-un circuit de curent alternativ, atât disipată cât şi absorbită/returnată este menţionată ca puterea aparentă, simbolizată prin litera S şi se măsoară în Volt-Amperi (VA).
• Aceste trei tipuri de putere sunt trigonometric legate între ele.

ECAS ELECTRO este distribuitor autorizat al companiei Texas Instruments [www.ti.com]

Autor:

Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro