12.4. Корректор коэффициента мощности

Из графика на рис. 12.5 хорошо видно, что форма тока, потребляемого из сети в регулируемом выпрямителе, носит характер коротких импульсов. Коэффициент мощности такой схемы обычно не превышает 0,5...0,7. Задача корректора коэффициента мощности — сделать форму потребляемого тока близкой к той, которая наблюдает­ся при включении активной нагрузки такой же мощности. Разработаны и давно применяются пассивные корректоры, основанные на компенсации фаз включением емкостных и индуктивных элементов, которые «разворачивают» фазу тока. К недостаткам пассив­ных корректоров следует отнести их зависимость от параметров нагрузки, и, следовательно, невозможность подключать к одной и той же схеме разных потребителей.

Рис.12.5. Форма напряжения и тока на выходе выпрямителя

Интерес для нас представляют импульсные устройства, с помощью которых можно, во-первых, повысить коэффициент мощности, и, во-вторых, поддерживать его на этом уровне независимо от параметров нагрузки.

В основе архитектуры твердотельных кон­троллеров мощности лежит система, основан­ная на микроконтроллере, с помощью которо­го реализуются все основные функции:

1) включение и выключение силовых ключей, в качестве которых выступают М0SFЕТ или JGВТ-транзисторы;

2) защита от перегрузки по току, реализован­ная с использованием встроенного токоизмерительного шунта, данные с которого обрабатываются при помощи микрокон­троллера.

Рассмотрим блок-схему простейшего типового корректора коэффициента мощности, приведенную на рис. 12.6, а, в котором дополнительно осуществляется стабилизация выходного напряжения. Идея импульсной коррекции состоит в следующем. Низкочастотный емкостной фильтр заменяется высоковольтной бустерной схемой стабилизатора, с выхода которой питается нагрузка.

Однако бустерная схема в данном случае работает несколько иначе. Входное напряжение U_BX, выпрямленное диодным мостом, представляет собой однополярные половинки синусоиды (линия 1 на рис. 12.6, б). Это напряжение понижается датчиком входного напряжения (ДВН) до необходимой величины (линия 2 на рис. 12.6, б). В начальный момент времени включается транзистор VT, и ток в индуктивности L начинает линейно нарастать.

а

б

Рис. 12.6. Структурная схема корректора - а; графики процессов - б

Это нарастание фиксируется датчиком тока (ДТ) и преоб­разуется в выходное напряжение (линия 3 на рис. 12.6, б). Индуктивность L выбирается таким образом, чтобы нарастание тока в нагрузке (и соответственно в датчике тока ) происходило значи­тельно быстрее нарастания входного напряжения U_BX.

Когда напряжение U_ДT сравнивается с напряжением U_{f l H}, управляющий каскад закрывает транзистор VT, и ток в цепи (теперь ток протекает иск­лючительно через цепь VD, С_ф, U_n) падает по линейному закону до ну­ля. Момент падения тока до нуля служит сигналом для управляющего каскада на открытие транзистора VT, и процесс повторяется. Видно, что огибающая мгновенных значений токов (i1_SH,i²_V!._H,...) повторяет по форме входное напряжением среднее значение тока i_cp становится очень похожим на форму тока в активной нагрузке.

Таким образом, фактически потребляемый ток носит характер постоянно следующих коротких импульсов переменной амплитуды. Этот несложный метод коррекции коэффициента мощности имеет и недостатки. Если входное напряжение U_BX будет менять­ся, будет меняться и средний ток через нагрузку (поскольку будут ме­няться мгновенные значения импульсов тока). Изменение сопротив­ления нагрузки также будет менять выходное напряжение, так как разряд индуктивного элемента L в этом случае будет происходить медленнее или быстрее. «Плавающее» напряжение на выходе коррек­тора потребует от разработчика импульсной схемы дополнительных мер по стабилизации напряжения на нагрузке (источнике питания ИП). Поэтому все современные активные корректоры снабжаются до­полнительными узлами стабилизации напряжения нагрузки. Изображенные на блок-схеме датчик напряжения нагрузки (ДНН) вместе с усилителем ошибки (УО) являются системой, отслеживаю­щей выходное напряжение корректора. С выхода датчика снимается напряжение и_днн. Умножитель (УН) перемножает сигналы U_{f l HH} и U_{f l BH}. Полученный сигнал управляет транзистором VT. Таким образом, в данной схеме можно «сдвигать» порог переключения транзистора VT, поддерживая постоянное напряжение на нагрузке. Появились совмещенные микросхемы, в кото­рых одна часть управляет корректором, а вторая - импульсным ис­точником.

Еще раз вспомним, что корректор коэффициента мощности представляет собой бустерный преобразователь, работающий в режиме, пограничном с режимом разрывных токов. Корректор работает в режиме автогенера­ции с изменяющейся частотой и скважностью управляющих сигна­лов.

Примером удачного и простого в реализации корректора может служить микросхема TOP202YAI (рис. 12.7).

Рис. 12.7. Схема электрическая принципиальная корректора мощности

Данная схема (рис. 12.7) обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при следующих условиях: мощность нагрузки (Р_н) — 65 Вт; выходное напряжение (U_H) — 420В; максимальное действующее входное напряжение (Uceти) — 265 В; средняя частота преобразования (ƒ) — 100 кГц; КПД корректора (Ƞ) — 0,95.

Вопросы для самоконтроля

1. Для чего используются ККМ?

2. Каким образом ККМ улучшает коэффициент мощности источника питания?