Корректор мощности схема – Корректор коэффициента мощности своими руками

Корректор коэффициента мощности своими руками

Приветствую, Самоделкины!
Сейчас мы вместе с Романом, автором YouTube канала «Open Frime TV», соберем очень интересное устройство, а называется оно корректор коэффициента мощности, сокращенно ККМ.


Все началось с того, что в сети у автора стало проваливаться напряжение до 150В и это создавало ряд проблем. Но самое главное из них было то, что рабочий компьютер попросту не хотел включаться, а он, к сведению, был включен через стабилизатор напряжения.

Данную проблему надо решать, но как? Первая идея была собрать обыкновенный повышающий блок питания со стабилизацией и просто подключить его на вход компьютерного блока. В принципе, автор так и хотел сделать и даже уже начал готовить печатную плату, но потом поговорил с одним умным человеком, и он посоветовал сделать корректор коэффициента мощности. Идея хорошая, но перекопав интернет в поисках информации, к сожалению, ничего не было найдено. На всеми любимом Ютубе были только объяснения как это работает, но ни одного готового решения. А в Гугле автор нашел всего пару статей, из которых и подчерпнул нужную информацию, и теперь готов ею поделиться.
Для начала пару слов про саму работу устройства. Давайте разберем как работает импульсный блок, по крайней мере его входная часть. Итак, это диодный мост и конденсатор:

Есть 2 ситуации:
1) На выходе нету нагрузки. В таком случае в начальный момент времени конденсатор заряжается до амплитудного значения сети. А так как ему некуда девать энергию, то на выходе будет прямая линия.

2) Вторая ситуация: подключили нагрузку, а точнее наш импульсник. В таком случае в начальный момент времени кондер зарядился до амплитудного значения, а когда полуволна синусоиды пошла на спад, кондёр начал разряжаться через нагрузку, но разряжается он не до нуля, а до определенного значения. Потом идет новая полуволна и кондёр опять подзаряжается.

В итоге получается такая ситуация, что кондер подзаряжается только маленький промежуток времени. Именно в этот момент идет максимальный бросок тока, который превышает номинальный в несколько раз. Как вы уже догадались — это плохо. Какой же выход из данной ситуации? Все очень просто. Необходимо поставить повышающий преобразователь, который будет подзаряжать кондер почти на всем участке полуволны.


Этот преобразователь и есть наш корректор коэффициента мощности. Каким же образом это работает? Грубо говоря, он разбивает всю полуволну на мелкие участки, которые соответствуют частоте его работы, и на каждом участке повышает напряжение до заданной величины.
Таким образом заряд основного конденсатора происходит всю полуволну, тем самым убирая броски тока, и наш импульсник выглядит для сети, как чисто активная нагрузка.


Также есть и другая особенность корректора, это то, что он может нормально работать даже при входящем напряжение 90 В. Ему то все равно нужно повышать напряжение, будь оно с амплитудой 310 В или же в 150 В.

Отлично, мы вкратце ознакомились с принципом работы данного устройства, а теперь давайте перейдем к рассмотрению схемы.

Она взята из даташита, ничего своего автор в нее не вносил. Как видим, элементов немного, это хорошо, легче будет развести печатную плату.

Также стоит рассмотреть важные моменты схемы: первое — некоторые номиналы элементов будут отличаться для разных мощностей, это нужно учитывать; второе — это выходное напряжение. Если вы делаете ККМ для комповского блока питания, то нужно выбирать напряжение в 310В. А если рассчитываете блок с нуля, то лучше взять напряжение в районе 380В.

Величину выходного напряжения регулируют делителем напряжения на вот этих резисторах:

Из такого расчета, чтобы при номинальном выходном напряжении на делителе было 2,5В. Как уже было сказано раньше, для разных мощностей нужны разные элементы. Для мощности в 100Вт нужен транзистор 10n60, а для 300Вт уже 28n60. Но лучше взять с запасом 35n60, такой точно выдержит нужную нагрузку.


Идем дальше. Диод.

Это должен быть ultrafast на напряжение не менее 600В и ток 5 и выше ампер. Важную роль тут играет выходной конденсатор. Грубо его можно рассчитать из соображений, 1мкФ на 1Вт выходной мощности.

Остался дроссель, его намотку рассмотрим позже.

Переходим к печатной плате. Она получилась немаленькой, но это все из-за больших размеров конденсатора и дросселя.

Как видим, автор развел плату без единой перемычки и все на вводных деталях для удобства повторения. Больше про печатку сказать ничего, идем травить плату.

Вытравили плату, просверлили отверстия на сверлильном станке и теперь приступаем к запаиванию запчастей.

Единственное, для теста автор заменил транзистор 35n60 на 20n60, так как он дешевле и не так будет обидно в случае чего. В качестве радиатора применен вот такой алюминиевый профиль:

Он имеет большие размеры и сможет с легкостью охладить силовые элементы. Теперь настало время изготовить дроссель. Это самая сложная часть схемы. В его расчете нам поможет программа:

В ней вводим все необходимые данные и на выходе получаем параметры намотки. Сердечник в данном случае будет такой:

Можно было и меньший, но тогда придётся мотать больше витков. Также не забывайте поставить галочку возле выбора провода, автор забыл и поэтому дроссель мотал 2 раза.

Также у дросселя есть еще вторая обмотка. Ее делаем из соотношения 7:1. При 58 витках вторичка будет 8 витков. У автора при 74-х витках получилось 10 витков. Диаметр провода тут берем от 0,4 до 0,6 мм. Что касается фазировки, то тут все очень просто. Выводы дросселя, как они есть, устанавливаются на плату, главное не перепутать силовую и второстепенную обмотку. Также на схеме есть синфазный дроссель, его мотаем на кольце диаметром 20-25 мм и проницаемостью 2000. Количество витков 8-12, диаметр провода от 0,8 до 1,2 мм.


На этом все. Можно производить первое включение. Так как это не импульсный блок, то лампу накаливания в разрыв ставить нельзя, но автор все же поставил, только киловаттную, просто не хотелось в случае КЗ иди на улицу к щитку и включать пробки.

После включения схема заработала. В нагрузку автор повесил 2 лампочки накаливания на 100Вт включенных последовательно.


Как видим при низком входном напряжении на выходе получаем напряжение в районе 315В. Теперь нужно посмотреть, как поведет себя схема с импульсником. Для этого берем блок питания от компа и разбираем его. Нам необходимо посмотреть есть ли в нем варистор, если есть, убрать, так как он рассчитан на 275В и сработает при подаче 310В. Теперь включим этот блок напрямую в сеть и посмотрим какой будет косинус.

Хорошо, а теперь подключаем через корректор. Подаем питание на те же выводы где была переменка, чтобы не мучиться и не выпаивать диодный мост. Производим включение.

Теперь пройдемся по всем показаниям энергометра. Больше всего нас интересует косинус ф. Как видим он колеблется в районе 95. Ну что, вполне достойный результат. Теперь подкинем на блок питания нагрузку — нихромовую спираль. Мощность потребления примерно 160Вт.

Отлично, а что же происходит с косинусом? А он в это время начинает стремиться к единице, но при отключении нагрузки падает. Это связано с разрядом конденсатора. По поводу нагрева. Радиатор оказался очень большим и на протяжении получаса не нагрелся. А вот дроссель ощутимо нагрелся градусов до 65-70, поэтому вентилятор желательно устанавливать.

Ну а на этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:

Источник Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

usamodelkina.ru

Корректор коэффициента мощности для ИБП on-line. Часть 6 / Habr

Часть 1
Часть 2
Часть 3
Часть 4.1
Часть 4.2
Часть 5

Пролог

И снова здравствуйте!..
К сожалению статья моя задержалась, т.к. возник срочный проект по работе, а так же появились интересные трудности при реализации корректора коэффициента мощности (далее ККМ). А вызваны они были следующим — мы в своем производстве для управления ККМ используем «заказную» микросхему, которую нам под наши задачи производит дружественная особенно в 1941-м Австрия и соответственно в продаже ее не встретить. Поэтому встала задача переделать данный модуль под доступную элементарную базу и мой выбор пал на микросхему ШИМ-контроллер — L6561.
Почему именно она? Банальная доступность, вернее нашел ее в «Чип и Дип», почитал даташит — понравилась. Заказал сразу 50 шт, т.к. дешевле и в своих любительских проектах у меня уже есть несколько задач для нее.

Теперь о главном: в данной стать я расскажу как почти с нуля вспоминал о проектирования однотактных преобразователей (казалось бы при чем тут они), почему убил десяток ключей и как этого избежать вам. Данная часть расскажет теорию и что бывает если пренебрегать ей. Практическая же реализация выйдет в следующей части как я и обещал вместе с зарядным устройством, т.к. они по сути являются одним модулем и тестировать их надо вместе.
Забегая вперед скажу, что для следующей части уже заготовил пару десятков фотографий и видео, где мое ЗУ не надолго «переквалифицировалось» сначала в сварочный аппарат, а затем в блок питания для «козла». Те, кто работают на производстве поймут что это за зверь и сколько он потребляет для нашего согревания)))

А теперь к нашим баранам…

Зачем он нам вообще нужен этот ККМ?

Главное бедой «классического» выпрямителя с накопительным конденсаторов (это та штука, которая превращает 220В переменного тока в +308В постоянного тока), который работает от синусоидального тока является то, что этот самый конденсатор заряжается (берет энергию из сети) только в моменты, когда напряжение приложенное к нему больше чем на нем самом.

На человечьем языке, слабонервным и с научными степенями не читать

Как нам известно электрический ток напрочь отказывается идти, если нету разности потенциалов. От знака же разности этой будет еще зависеть и направление протекания тока! Если вы психанули и решили попробовать напряжением 2В заряжать свою мобилу, где батарея Li-ion и рассчитана на 3.7В, то ничего у вас не выйдет. Т.к. ток будет отдавать тот источник, который имеет больший потенциал, а получать энергию будет тот у кого потенциал ниже.
Все как в жизни! Вы весите 60 кг, а парень на улице, который подошел попросить позвонить 120 кг — понятное дело, что пиздюлей раздаст он, а вы их получите. Так и тут — батарейка при своих 60 кг 2В не сможет дать ток в аккумулятор с 120 кг 3.7В. С конденсатором точно так же, если на нем +310В и вы приложите к нему +200В, то он ток получать откажется и заряжаться не будет.

Стоит так же заметить, что исходя из описанного выше «правила» время, отведенное конденсатору на зарядку будет очень маленьким. У нас же ток изменяется по синусоидальному закону, а значит необходимое напряжение будет лишь на пиках синусоиды! Но конденсатору то работать надо, поэтому он нервничает и пытается зарядиться. Он знает законы физики в отличии от некоторых и «понимает», что времени мало и поэтому начинает в эти самые моменты, когда напряжение в пике, потреблять просто огромный ток. Ведь его должно хватить на работу устройства до наступления следующего пика.

Немного об этих «пиках»:

Рисунок 1 — Пики в которых заряжается конденсатор

Как мы видим кусок периода в котором ЭДС принимает достаточное значение для заряда (образно 280-310В) составляет около 10% от полного периода в сети переменного тока. Получается, что мы вместо того, чтобы постоянно забирать плавно энергию из сети, вырываем ее лишь небольшими эпизодами, тем самым мы «перегружаем» сеть. При мощности в 1 кВт и индуктивной нагрузке, ток в момент таких «пиков» может спокойной достигать значений на 60-80А.

Поэтому наша задача сводится к обеспечению равномерного отбора энергии из сети, чтобы не перегружать сеть! Именно ККМ позволит нам реализовать данную задачу на практике.

Кто такой этот ваш ККМ?

Корректор мощности — это обычный повышающий преобразователь напряжения, чаще всего он однотактный. Т.к. мы используем ШИМ модуляцию, то в момент открытого ключа напряжение на конденсаторе постоянное. Если мы стабилизируем выходное напряжение, то ток забираемый из сети пропорционален входному напряжению, то есть изменяется плавно по синусоидальному закону без ранее описанных пиков потребления и скачков.

Схемотехника нашего ККМ

Тут я решил не изменять своим принципам и так же положился на даташит, выбранного мною контроллера — L6561. Инженеры компании STMicroelectronics уже сделали все за меня, а если конкретнее, то он уже разработали идеальную схемотехнику для своего продукта.
Да я могу сам с нуля пересчитать все и потратить на это дело день-два, то есть все свои и так редкие выходные, но спрашивается зачем? Доказывать себе что могу, этот этап к счастью давно пройден)) Тут у меня вспоминается бородатый анекдот про площадь красных шариков, мол математик применяет формулу, а инженер достает таблицу с площадью красных шариков…. Так и в этом случае.

Советую сразу обратить внимание на то, что схема в даташите рассчитана на 120 Вт, а значит нам следует ее адаптировать под наши 3 кВт и запредельные напряжения работы.

Теперь немного документации к описанному выше:
Даташит на L6561

Если мы посмотри на страницу 6, то увидим несколько схем, нас интересует схема с подписью Wide-range Mains, что с басурманского значит «для работы в широком диапазоне напряжения питающей сети». Именно данный «режим» я имел ввиду, говоря о запредельных напряжениях. Устройство считается универсальным, то есть может работать от любой стандартной сети (например, в штатах 110В) при диапазоне напряжений 85 — 265В.

Данное решение позволяет нам обеспечит нашему ИБП еще и функцию стабилизатора напряжения! Для многих такой диапазон покажется избыточным и тогда они могут выполнить данный модуль с учетом напряжения питания 220В +- 15%. Это считается нормой и 90% устройств в ценовой категории до 40 тыс. руб вообще лишены ККМ, а 10% используют его лишь с расчетом отклонений не более 15%. Это бесспорно позволяет несколько снизить себестоимость и габариты, но если вы еще не забыли, то мы делаем устройство, которое обязано потягаться с АРС!

Поэтому для себя я решил выбрать самый правильный вариант и сделать не убиваемый танк, который сможет вытянуть даже на даче, где 100В в сети сварочный аппарат или насос в скважине:

Рисунок 2 — Стандартное схемотехническое решение, предлагаемое ST

---

Адаптация стандартной схемотехники под наши задачи

а) Когда смотрю на данную схему из ДШ, первым что приходит в голову — необходимо добавить фильтр синфазных помех! И это правильно, т.к. на большой мощности они начнут «сводить с ума» электронику. Для токов 15 А и более он будет иметь более усложненный вид, чем многие привыкли его видеть в тех же компьютерных БП, где всего 500-600 Вт. Поэтому данная доработка будет отдельным пунктом.

б) Мы видим конденсатор С1, можно взять хитрую формулу и посчитать необходимую емкость и я советую тем, кто хочет вникнуть это сделать, за одно вспомнив электротехнику 2 курса с любого политеха. Но я этим заниматься не буду, т.к. по собственным наблюдениям из старых расчетов помню, что до 10 кВт данная емкость растет почти линейно относительно роста мощности. То есть взяв в расчет 1 мкФ на 100 Вт, мы получим, что для 3000 Вт нам необходимо 30 мкФ. Данная емкость легко набирается из 7 пленочных конденсаторов по 4,7 мкФ и 400В каждый. Даже немного с запасом, ведь емкость конденсатора сильно зависит от приложенного напряжения.

в) Силовой транзистор нам понадобится серьезный, т.к. ток потребляемый от сети будет вычислять так:

Рисунок 3 — Расчет номинального тока для ККМ

Получили мы 41,83А. Теперь мы честно признаем, что удержать температуру кристалла транзистора в районе 20-25 ^оС мы не осилим. Вернее осилить можем, но будет дорого для такой мощности. После 750 кВт стоимость охлаждение фреоном или жидким кислородом размывается, но пока до этого далеко))) Поэтому нам надо найти транзистор, который сможет давать 45-50А при температуре 55-60 ^оС.

Учитывая, что в цепи есть индуктивность, то я предпочту IGBT транзистор, ибо наиболее живучие. Предельный ток надо надо выбирать для поиска сначала около 100А, т.к. это ток при 25 ^оС, с ростом температуры предельный коммутируемый ток транзистора снижается.

Немного о Cree FET

Получил я буквально 9 января посылку из Штатов от своего товарища с кучей разных транзисторов на тест, называется сие чудо — CREE FET . Не скажу, что это новая мега технология, на самом деле транзисторы на основе карбида кремния сделали еще в 80-х, просто до ума довели почему лишь сейчас. Я как изначальный материаловед и композитчик вообще к данной отрасли отношусь щепетильно, поэтому меня очень заинтересовал данный товар, тем более было заявлено 1200В при десятках и сотнях ампер. В России купить их не смог, поэтому обратился к своему бывшему одногруппнику и он любезно выслал мне кучу образцов и тестовую плату с forward’ом.
Могу сказать одно — это был мой самый дорогой фейерверк!
8 ключей ебнуло так, что я огорчился и на долго… На самом деле 1200В это теоретическая цифра для технологии, заявленные 65А оказались лишь импульсным током, хотя в документации было четко написано мол номинальный. Видимо был «номинальный импульсный ток» ну или как там еще китайцы придумывают. В общем то еще фуфло, но есть одно НО!
Когда я все таки сделал на CMF10120D корректор на 300 Вт, то оказалось, что он на одном и том же радиаторе и схеме имел температуру в 32 ^оС против 43-х у IGBT, а это очень существенно!
Вывод по CREE: технология сыровата, но она перспективна и ей определенно БЫТЬ.

В итоге полистав каталоги с посещенных мною выставок (удобная штука кстати аля параметрический поиск) я выбрал два ключа, ими стали — IRG7PH50 и IRGPS60B120. Оба на 1200В, оба на 100+А, но открыв даташит первый ключ отсеялся сразу — он способен коммутировать ток 100А лишь на частоте в 1 кГц, для нашей задачи это губительно. Второй ключ на 120А и частоту в 40 кГц, что вполне подходит. Смотри даташит по ссылке ниже и ищем график с зависимостью тока от температуры:

Даташит на IRGPS60B120

Рисунок 4.1 — График с зависимостью максимального тока от частоты коммутации для IRG7PH50, оставим его на частотник

Рисунок 4.2 — График с рабочим током при заданной температуре для IRGPS60B120

Тут наблюдаем заветные цифры, которые показывают нам, что при 125 ^оС и транзистор и диод спокойно осилят токи чуть более 60А, при этом мы сможем реализовать преобразование на частоте в 25 кГц без каких либо проблем и ограничений.

г) Диод D1, нам необходимо выбрать диод с рабочим напряжением не менее 600В и током номинальным для нашей нагрузки, то есть 45А. Я решил применить те диоды, которые у меня оказались под рукой (не давно закупил их для разработки сварочника под «косой мост») это — VS-60EPF12. Как видно из маркировки он на 60А и 1200В. Ставлю я все с запасом, т.к. данный прототип делается для себя любимого и мне так спокойнее.
На самом деле вы можете поставить диод на 50-60А и 600В, но цена между версией на 600 и 1200В отсутствует.

д) Конденсатор С5, тут все как в случае с С1 — достаточно увеличить номинал из даташита пропорционально мощности. Только стоит учесть, что если у вас планируется мощная индуктивная нагрузка или динамическая с быстрыми нарастаниями мощности (аля концертный усилок на 2 кВт), то лучше на этом пункте не экономить.
Я в своем вариант поставлю 10 электролитов по 330 мкФ и 450В, если вы планируете запитывать пару компьютеров, роутеры и прочую мелочь, то можно ограничиться 4-мя электролитами по 330 мкФ и 450В.

е) R6 — он же токовый шунт, спасет нас от кривых рук и ошибок случайных, так же защищает схему от короткого замыкания и превышения нагрузки. Штука полезная однозначно, но если мы поступим как инженеры из ST, то на токах в 40А у нас получится обычный кипятильник. Тут есть 2 варианта: трансформатор тока или заводской шунт с падением 75мВ + ОУ аля LM358.
Первый вариант проще и дает гальваническую развязку данного узла схемы. Как рассчитывать трансформатор тока я приводил в предыдущей статье, важно помнить, что защита сработает, когда на ноге 4 напряжение вырастет до 2,5В (в реальности до 2,34В).
Зная это напряжение и ток цепи, используя формулы из части 5 вы легко посчитаете трансформатор тока.

ж) И последний пункт — это силовой дроссель. О нем чуть ниже.

---

Силовой дроссель и его расчет

Если кто-то внимательно читал мои статьи и у него отличная память, то он должен вспомнить статью 2 и фотографию № 5, на ней видны 3 элемента моточных, которые мы используем. Еще раз покажу:

Рисунок 5 — Каркасы и сердечник для силовых моточных изделий

В данном модуле мы будем использовать опять таки наши любимые тороидальные кольца из распыленного железа, но только в этот раз не одно, а сразу 10! А как вы хотели? 3 кВт это вам не китайские поделки…

Исходные данные у нас есть:
1) Ток — 45А + 30-40% на амплитуду в дросселе, итого 58,5А
2) Напряжение на выходе 390-400В
3) напряжение на входе 85-265В AC
4) Сердечник — материал -52, D46
5) Зазор — распределенный

Рисунок 6 — И снова уважаемый Starichok51 экономит нам время и считает программкой CaclPFC

Я думаю расчет всем показал насколько это будет серьезная конструкция)) 4 кольца, да радиатор, диодный мост, да IGBT — ужас!
Правила намотки можно вычитать в статье «Часть 2». Вторичная обмотка на кольца мотается в количестве — 1 витка.

Итог по дросселю:

1) как вы видите количество колец аж 10 штук! Это накладно, каждое кольцо стоит около 140р, но что мы получим в замен в следующих пунктах
2) температура рабочая 60-70 ^оС — это совсем идеально, ведь многие закладывают рабочую температуру 125 ^оС. У себя на производстве 85 ^оС закладываем. Для чего это сделано — для спокойного сна, я спокойно уезжаю из дома на неделю и знаю, что у меня ничего не вспыхнет, не сгорит и все ледяное. Думаю цена за это в 1500р не такая смертельная, не так ли?
3) Плотность тока я поставил мизерную в 4 А/мм², это повлияет и на тепло, и на изоляцию и соответственно на надежность.
4) Как видите по расчету емкость после дросселя рекомендована почти 3000 мкФ, так что мой выбор с 10 электролитами по 330 мкФ отлично сюда вписывается. Емкость конденсатора С1 получилась 15 мкФ, у нас двойной запас — можно уменьшить до 4-х пленочных кондеров, можно оставить 7 штук и это будет лучше.

Важно! Количество колец в основном дросселе можно уменьшить до 4-5, попутно увеличив плотность тока до 7-8 А/мм². Это позволит неплохо сэкономить, но амплитуда тока вырастит несколько, а главное температура повысится не менее чем до 135 ^оС. Я считаю это хорошим решением для сварочного инвертора с ПВ 60%, но не для ИБП, который работает круглосуточно и наверняка в довольно ограниченном пространстве.

Что могу сказать — у нас растет монстр)))

---

Фильтр синфазных помех

Чтобы понять чем различаются схемы для данной фильтра на токи в 3А (упомянутый выше компьютерный БП) и на токи 20А, вы можете сравнить схемку из гугла на АТХ со следующей:

Рисунок 7 — Принципиальная схема фильтра синфазных помех

Несколько особенностей:

1) С29 — это конденсатор для фильтрации электромагнитных помех, имеет маркировку «Х1». Его номинал должен быть в пределах 0,001 — 0,5 мФ.

2) Дроссель мотается на на сердечнике E42/21/20.

3) Два дросселя на кольцах DR7 и DR9 мотаются на любом сердечнике из распыленки и диаметром более 20 мм. Я намотал на все тех же D46 из материала -52 до заполнения в 2 слоя. Шумов в сети даже при номинальной мощности практически нету, но это на самом деле даже в моем понимание избыточно.

4) Конденсаторы С28 и С31 по 0,047 мкФ и 1 кВ и их обязательно ставить класса «Y2».

По расчету индуктивности дросселей:

1) Индуктивность синфазного индуктора должна составлять 3,2-3,5 мГн

2) Индуктивность для дифференциальных дросселей рассчитывается по формуле:

Рисунок 8 — Расчет индуктивности дифференциальных дросселей без магнитной связи

Эпилог

Используя грамотные и профессиональные наработки инженеров компании ST, мне удалось с минимальными затратами изготовить если не идеальный, то просто отличный активный корректор коэффициента мощности с параметрами лучше чем у любого Шнайдера. Единственное вам обязательно стоит помнить насколько оно вам необходимо? И исходя из этого корректировать параметры под себя.

Моей целью в данной статье было как раз показать процесс расчета с возможностью корректирования исходных данных, чтобы каждый определившись с параметрами для своих задач уже сам посчитал и изготовил модуль. Надеюсь мне удалось показать это и в следующей статье я продемонстрирую совместную работу ККМ и зарядного устройства из части №5.

P.S. Новую статью постараюсь опубликовать как можно быстрее)))

habr.com

Устройство импульсных блоков питания, APFC

Некоторое время назад мне задавали вопрос по поводу корректора коэффициента мощности импульсных блоков питания, попробую кратко рассказать что это такое и зачем надо.

Так уж сложилось, что в обычной жизненной ситуации вы скорее всего встретите корректор коэффициента мощности (ККМ) в блоке питания компьютера.
Нет, конечно они встречаются и в других блоках питания, даже чаще, чем в компьютерных. Но обычно это промышленные блоки питания и в быту попадаются крайне редко.
Думаю что большинство читателей моего блога и зрителей моего канала, как минимум немного ориентируются в радиоэлектронике, потому скорее всего видели компьютерный блок питания "изнутри".
Блок питания с активным корректором выглядит на первый взгляд почти также как и обычный.

Но если посмотреть внимательнее, то на "горячей" стороне можно заметить большой дроссель. Его магнитопровод может иметь разную форму, но чаще всего попадаются с кольцевыми, как и вариант на фото.
Кроме того подобные блоки питания отличаются еще и тем, что обычно в них установлен один фильтрующий конденсатор на 450-500 Вольт, а не два по 200-250. Обусловлено это тем, что часто такие блоки питания имеют широкий диапазон входного напряжения от 100-115 Вольт и переключение входного напряжения им не нужно.

Не стоит путать дроссель АККМ (активный корректор коэффициента мощности) с выходным дросселем групповой стабилизации, хотя внешне они весьма похожи. Отличие в том, что обычно дроссель корректора имеет только одну обмотку, а ДГС (дроссель групповой стабилизации), несколько.

Вообще корректор может быть не только активным, а и пассивным. В этом случае вы увидите на верхней крышке блока питания "железный" дроссель с парой проводов, внешне похожий на 50Гц трансформатор мощностью 10-20 Ватт.
Такой вариант также жизнеспособен, но заменить полноценный активный корректор он не может.

Теперь не много о том, зачем это вообще все надо. Думаю вы знаете, что ток в сети имеет форму синусоиды, действующее напряжение 220-230 Вольт (у нас), амплитудное — 310-320 Вольт. Не буду сейчас рассказывать чем отличается действующее от амплитудного, сделаю это в другой раз, но кто еще не видел, синусоида выглядит так, как показано на этом рисунке.

Дальше переменный ток выпрямляется и фильтруется конденсаторами. Чаще всего применяется такая схема, представляющая из себя диодный мост и пару (иногда один) конденсаторов.
Конечно там есть еще входной фильтр, предохранитель, но в данном случае они нас не касаются.

При нормальной напряжение на конденсаторах будет примерно 280-320 Вольт в зависимости от их емкости и мощности нагрузки, я об этом уже рассказывал в своем видео посвященному устройству блоков питания.
Но так как напряжение в сети по сути 100 раз в секунду меняется от нуля до 320 Вольт и опять до нуля, а в цепи есть диодный мост, то ток заряда конденсаторов фильтра течет не всегда, а только когда амплитудное напряжение превысит напряжение на конденсаторах.
При этом ток в цепи 220-230 Вольт будет выглядеть как показано вверху этой картинки. Получается, что блок питания потребляет энергию не постоянно, а только на пиках синусоиды. Если предположить, что БП потребляет в итоге энергию всего 20% времени, то ток в момент когда идет заряд конденсаторов, будет в 5 раз больше среднего тока потребления. Например ток 1 Ампер, мощность 220 Ватт, значит пики тока будут доходить до 5 Ампер.

Проблема эта вылезла "в полный рост" тогда, когда количество импульсных блоков питания превысило некую "критическую массу". В итоге было придумано довольно простое и эффективное решение. Кстати, в развитых странах все мощные блоки питания должны иметь корректор коэффициента мощности, но так как это недешево, то производители недорогих блоков питания на этом экономят в первую очередь.

Как я сказал, решение проблемы простое и по сути лежит на поверхности. А базой для этого решения является обычный степ-ап преобразователь напряжения. На схеме виден дроссель, транзистор, диод, ШИМ контроллер и конденсатор.
При открывании транзистора в дросселе накапливается энергия, которая при закрытии транзистора суммируется с входным напряжением и поступает в нагрузку, подзаряжая выходной конденсатор. Такая схема часто используется в повербанках для получения 5 Вольт из 3.7.

Но если скрестить обычный блок питания и эту схему, то мы получим активный корректор коэффициента мощности.
При этом важно то, что фильтрующий конденсатор после диодного моста не ставится, его роль выполняет конденсатор небольшой емкости, обычно 0.47-1.0мкФ, он нужен только для компенсации импульсного характера потребления корректора.

В итоге преобразователь пытается "высосать" из сети все что можно в диапазоне уже не 220-230 Вольт, а 40-80. Кстати, мощные блоки питания далеко не всегда могут работать в широком диапазоне, хотя и могут при этом содержать в своем составе АККМ. Просто в таких режимах корректору приходится тяжело и работу в широком диапазоне они не обеспечивают, хотя и продолжают корректно работать.

Здесь я попробовал наглядно показать разницу в работе обычного БП и БП с корректором.
Красным выделен вариант работы обычного блока питания, заштрихованная часть отображает зону, где есть потребление тока. Видно что зона довольно узкая, соответственно ток будет большим. Причем чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем уже будет эта зона и тем ниже будет коэффициент мощности.
Синим и зеленым я показал пару вариантов работы активного корректора, один начинает работу примерно от 100 Вольт амплитудной составляющей, второй примерно от 50 Вольт. Видно что зона стала шире, соответственно ток пропорционально падает и растет коэффициент мощности.
В общем-то данная зона может начинаться почти от нуля, тогда коэффициент будет равен единице, но обычно он составляет 0.98-1, этого более чем достаточно.

Чем же чреват этот пресловутый коэффициент мощности.
Из-за пиков тока происходит кратковременная перегрузка сети, в следствие чего могут начаться проблемы в старых и изношенных сетях. Возможно отгорание нулевого провода в трехфазных сетях с совсем печальными последствиями.

А вот схема входной части компьютерного блока питания имеющего в своем составе активный корректор мощности, он выделен синим цветом.
Не удивляйтесь что на схеме нет ШИМ контроллера, который им управляет, часто он расположен на отдельной плате, а иногда интегрирован в общий ШИМ контроллер. Т.е. помимо одного-двух штатных каналов имеется еще и выход для управления транзистором корректора. Такой вариант удобен для производителя, но далеко не всегда удобен для ремонтника. В самом начале я показал фото блока питания, там как раз вышел из строя узел корректора, а так как микросхема управляет всем, то выгорела и она. Найти замену я не смог, потому Бп лежит мертвым грузом и возможно будет разобран на запчасти, тем более что они весьма неплохого качества.

Что же дает нам корректор, сначала преимущества:
1. Характер потребления почти такой же как у активной нагрузки, соответственно нет пиковых перегрузок.
2. Часто такие БП имеют расширенный диапазон входного напряжения и лучше работают в плохих электросетях.
3. Емкость фильтрующего конденсатора нужна меньше, так как паузы без тока меньше.
4. Инвертору блока питания легче работать, ведь по сути он питается стабилизированным напряжением.

Теперь недостатки.
1. Выше цена.
2. Меньше надежность
3. Могут быть сложности при работе с некоторыми моделями UPS.

Иногда идут споры, по поводу КПД таких блоков питания. Я придерживаюсь мнения, что КПД одинаков, так как хоть корректор и имеет собственное потребление, но основному инвертору работать легче, потому то на ото и выходит.

Ну и конечно же видео, в качестве дополнения. А я как всегда жду ваших вопросов как в комментариях здесь, так и под видео.

www.kirich.blog

Корректор коэффициента мощности | Преобразовательная техника

Корректор коэффициента мощности

Преобразовательная техника

Введение

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах, сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Один из эффективных способов решения этой задачи — применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности (Power Factor PF) — параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае — источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений — гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызываются нагрузкой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети.

В общем случае коэффициент мощности — это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:

I²_эфф=I ²₀+I²_1эфф +SI²_nэфф,

где I²_nэфф — постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I²_1эфф — основная гармоника, а под знаком суммы — младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I²_эфф=I ²₀+(I²_1эфф(P) +I²_1эфф(Q))+SI ²_nэфф. Активная мощность — это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке. 

Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=U_эфф Ч I_1эфф(P). Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении. Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=U_эфф Ч I_1эфф(Q). Физический смысл — это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза — от нагрузки к генератору. Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U _эфф Ч I_{эфф(общ)}. На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I²=I_{1эфф(общ)} cos j, где j — угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

PF=P/S=(I_1эфф cos j)/(I_{эфф(общ)} ).

Стоит заметить, что отношение (I_1эфф)/(I_{эфф(общ)} ) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).

Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение — единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 — хорошее значение; 0,9 — удовлетворительное; 0,8 — неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой). 

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений . Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо). Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно — время наработки на отказ больше, и во вторых, при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной. 

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоидальной и — «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» (boost converter). Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение). Еще одно достоинство этой схемы — более простая реализации защиты от перенапряжений. Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 3.

Принцип работы

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Временные диаграммы работы корректора показаны на рис. 4. При включенном MOSFET-ключе ток в дросселе линейно нарастает — при этом диод заперт, а конденсатор С2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор запирается, напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор С2 (и одновременно питает нагрузку). В приведенной схеме (в отличие от источника без коррекции) конденсатор С1 имеет малую емкость и служит для фильтрации высокочастотных помех. Частота преобразования составляет 50…100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом. Существуют способы увеличения эффективности коррекции динамическим изменением рабочего цикла (согласованием цикла с огибающей напряжения от сетевого выпрямителя).

Схема «преобразователя с повышением» может работать в трех режимах: непрерывном , дискретном и так называемом «режиме критической проводимости ». В дискретном режиме в течение каждого периода ток дросселя успевает «упасть» до нуля и через некоторое время снова начинает возрастать, а в непрерывном — ток, не успев достигнуть нуля, снова начинает возрастать. Режим критической проводимости используется реже, чем два предыдущих. Он сложнее в реализации. Его смысл в том, что MOSFET открывается в тот момент, когда ток дросселя достигает нулевого значения. При работе в этом режиме упрощается регулировка выходного напряжения.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных — дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97…0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04…0,08.

Первоисточник: http://www.elcp.ru/index.php?state=izd&i_izd=elcomp&i_num=2000_02&i_art=17

www.spwr.by

Полная схемотехника активного ККМ и зарядного устройства для ИБП 3 кВт / Habr

Часть 1
Часть 2
Часть 3
Часть 4.1
Часть 4.2
Часть 5
Часть 6

Как обычно небольшая лирика… Товарищи! Те, кто берут и публикуют мои статьи, материалы и прочие ништяки — указывайте пожалуйста настоящего автора и первоисточник.

Думаю все прекрасно понимают, что я могу банально продавать свои проекты или сделать скачку за монеты и все это купят, но не хочется это делать. Мне хочется давать народу хорошие, разжеванные проекты и учебные материалы, которые вы не найдете ни где больше, а тем более не получите помощь в сборке и консультации многочасовые. Я выкладываю исходники всех файлов совершенно безвозмездно и предлагаю несколько вариантов с целью экономии ваших же средств!

За все свои старания я не требую никакой благодарности, мне достаточно, что вы читаете и вам нравятся мои статейки мой труд)) Но будьте добры — не воруйте материал и не присваивайте им свое авторство! Чтобы мне не писали админы сторонних сайтов и не просили удалить меня мои же статьи, заявляя что не я автор, а Василий Петрович Залупкин, который настоящий автор и опубликовал эти статьи именно у него на сайте! И пофигу, что на 2 месяца позже…

Надеюсь те, кто так поступал меня услышат и будут более честны, даже не со мной, а с собой. Спасибо за внимание!))

После публикации статей №5 и №6 из своего цикла по ИБП я решил проверить их в «железе». Стоит вспомнить, что все статьи в цикле адаптированные под самостоятельную сборку варианты моих коммерческих проектов, поэтому давать голую без подтверждения считаю кощунственным. Могу сказать сразу — результат оказался в разы хуже ожидаемых! Необходимо переработать!

Так же прошу обратить внимание, что в данной статье я уже выкладываю схему полностью готового устройства! В него пошли: активный корректор мощности + силовая плата зарядного устройства + плата управления зарядного устройства + схема дежурного питания (из части 3).

Еще очень важный момент: все кто уже купили у меня КИТ наборы для сборки ИБП получили именно этот вариант схемотехники! Так, что не переживаем — вы получили лучший продукт!

Схемотехника мощного зарядного устройства с активным корректором коэффициента мощности

Стоит отметить, что вариант из части 5 и части 6 является так же рабочим и имеет место быть как минимум потому, что он получился дешевле на 20%, а это однако повод!

Не буду томить и сразу покажу конечный вариант схемотехники, который у меня получился и соответствует всем заявленным ранее требованиям, а главное стабильно проработал у меня под 110-120% нагрузкой в течение 3-х недель. Поэтому с чистой совестью представляю вам конечный вариант:

Рисунок 1 — Схема реализации дежурного питания, знакомая по части 3

Рисунок 2 — Плата управления с генератором, драйверами и защитами

Рисунок 3 — Силовая часть зарядного устройства

Рисунок 4 — Схема активного корректора коэффициента мощности

Рисунок 5 — Единая плата, вместившая в себя все описанные выше части, габариты вышли 300х200 мм с толщиной меди 105 мкм (Резонит такое сделает)

Рисунок 6 — Немного наглядности, верхний слой (Top Layer)

Скачать проект устройства в Altium Designer 15

Описание проблем и методы их решения

И так собрал я корректор мощности (далее ККМ) по схеме из даташита на базе L6561, результат данного решения меня очень обрадовал. Хоть я раньше и собирал на ней схемки, но на мощностях до 500 Вт, поэтому был приятно удивлен, что и в варианте на 3000 Вт контроллер показал себя отлично! Но вы прекрасно понимаете — если я что-то переделывал, то на выходе получилось гавно устройство с неудовлетворительными характеристиками, а я такое совсем не люблю! В чем же беда:

1) Теоретический расчет выходной емкости (электролита) оказался далек от реальности. Поэтому было решено увеличить емкость с 220 мкФ до 440 мкФ.

2) Дроссель ККМ рассчитанный на частоту 60 кГц оказался моим провалом… Частота ШИМа на выходе L6561 изменяется от 20 до 150 кГц и это никак не программируется. Я это попросту забыл учесть, что данный контроллер регулирует как ТМ, что это такое можно прочитать в ДШ на нее или на сайте Компэла.

3) IGBT ключ оказался не способен работать на таких частотах, после 80 кГц начинались жуткие потери на коммутацию/динамические по этому вариант один — применить мощный полевой транзистор и выбор пал на FCh45N60. Это ключ на 35А и 600В, способный работать до 200 кГц — выше не проверял.

4) Частота на которую необходимо рассчитывать дроссель я понял, только после проведения результатов, по даташиту этого не понять — просто потому, что данный контроллер позиционируется до 300 Вт. Частоту выбрал — 110 кГц.

5) Отдельным пунктом хотел бы указать, что мне удалось за счет повышения частоты и нового ключа уместить дроссель на одном единственном сердечнике из материала -52 с габаритами 57х35х25 мм!

И это проблемы только с ККМ! После их решения корректор обрел очень прилежный вид, в диапазоне 165-235В AC после диодного моста температура не поднимается выше 65 градусов. В диапазоне 85-280В AC температура так и не достигла более 115 градусов! Это победа!))

Полученные знания и опыта (лично для меня):

— Микросхема пригодна до мощностей примерно в 5-6 кВт, то есть для любого однофазного решения;
— Выходную емкость надо выбирать из расчета 125 мкФ на 1 кВт мощности;
— На обмотке контроле формы тока (ZDC) достаточно одного витка;
— В ККМ не место IGBT транзисторам

Работа над ошибками с зарядным устройством

Главная моя ошибка была — топология. Косой мост — самая обожаемая мною топология! Но увы я отказался от нее… Беда ее оказалась в том, что при длительной работе на номинальной нагрузке и в режиме перегруза КПД падало до ничтожных 80-82%! У меня была делема — КПД «косого моста» на нагрузках до 60-80% и редких переходах до 100% было около 92%, что меня радовало. Так же меня подкупает повторяемость данной топологии, но низкий КПД при длительной работе на 100-120% номинала напрягал. Да, в таком режиме ИБП работает оооочень редко, т.к. правилом хорошего тона считается нагруженный ИБП на 60-70%. Только учитывая свой опыт в коммерческих проектах я уяснил одного — надо делать так, чтобы даже полные дебил не смог убить устройство! После этого все стало очевидно — полный мост! (Н-мост).

Думаю тут все предельно понятно — мне пришлось по сути разработать новое устройство и обкатать его, именно поэтому выход статьи задержался.

Опыт, полученный мною от данной работы:

1) «Косой мост» применять можно, если вы не собираетесь насиловать ИБП и вам предстоит запитывать от него серверную стойку. То есть эксплуатировать в мягком режиме и без длительных перегрузов;
2) Н-мост применяем если вы неадекватный маньяк и просто горите желаением запитывать 24/7 от ИБП асинхронный двигатель на 3,3 кВт! Ну либо решили нон-стопом варить листы метала от 10 мм))) В общем топология для серьезных ребят!
3) Топологию необходимо под свои нужды и задачи выбирать
4) Смысл гальванической развязки в данных частях я не увидел
5) 48В допустимо для 3-4 кВт, но лучше поднять напряжение DC шины хотя бы до 96-120В (8-10 АКБ мелких по 17 или 27 А*ч), в идеале 240В (20 АКБ мелких по 12 А*ч)

Расчет трансформатора и дросселей

Как изготавливать трансформатор и рассчитывать я рассказывал в части 2, советую освежить память тем, кто решит собрать данную схему. Там как раз на примере Н-моста статья написана, что вас обрадует))

Рисунок 7 — Расчет моточных данных трансформатора 390-58В для зарядного устройства

Рисунок 8 — Расчет выходного дросселя

Рисунок 9 — Расчет силового дросселя ККМ (вторая обмотка 1 виток)

Эпилог

На этом пожалуй все, изучаем новое решение, раскуриваем и задаем появившиеся вопросы — как обычно я постараюсь на них ответить и помочь!))

Так же новость для тех, кому не досталось КИТ наборов — новое поступление 50-ти комплектов состоится 25-26 февраля! Как и раньше вы можете приобрести: платы, прошитые и напаянные микроконтроллеры STM32, а также полный комплект с комплектующими и радиаторами!

Видео кстати уже отснято, осталось только обработать до более менее адекватного состояния)) Если будут желающие подсобить — пишите мне на почту или в ВК!

habr.com

Корректор коэффициента мощности своими руками

Сейчас мы вместе с Романом, автором YouTube канала «Open Frime TV», соберем очень интересное устройство, а называется оно корректор коэффициента мощности, сокращенно ККМ.

Все началось с того, что в сети у автора стало проваливаться напряжение до 150В и это создавало ряд проблем. Но самое главное из них было то, что рабочий компьютер попросту не хотел включаться, а он, к сведению, был включен через стабилизатор напряжения.

Данную проблему надо решать, но как? Первая идея была собрать обыкновенный повышающий блок питания со стабилизацией и просто подключить его на вход компьютерного блока. В принципе, автор так и хотел сделать и даже уже начал готовить печатную плату, но потом поговорил с одним умным человеком, и он посоветовал сделать корректор коэффициента мощности. Идея хорошая, но перекопав интернет в поисках информации, к сожалению, ничего не было найдено. На всеми любимом Ютубе были только объяснения как это работает, но ни одного готового решения. А в Гугле автор нашел всего пару статей, из которых и подчерпнул нужную информацию, и теперь готов ею поделиться.
Для начала пару слов про саму работу устройства. Давайте разберем как работает импульсный блок, по крайней мере его входная часть. Итак, это диодный мост и конденсатор:

Есть 2 ситуации: 
1)На выходе нету нагрузки. В таком случае в начальный момент времени конденсатор заряжается до амплитудного значения сети. А так как ему некуда девать энергию, то на выходе будет прямая линия.

2)Вторая ситуация: подключили нагрузку, а точнее наш импульсник. В таком случае в начальный момент времени кондер зарядился до амплитудного значения, а когда полуволна синусоиды пошла на спад, кондёр начал разряжаться через нагрузку, но разряжается он не до нуля, а до определенного значения. Потом идет новая полуволна и кондёр опять подзаряжается.

В итоге получается такая ситуация, что кондер подзаряжается только маленький промежуток времени. Именно в этот момент идет максимальный бросок тока, который превышает номинальный в несколько раз. Как вы уже догадались — это плохо. Какой же выход из данной ситуации? Все очень просто. Необходимо поставить повышающий преобразователь, который будет подзаряжать кондер почти на всем участке полуволны.

Этот преобразователь и есть наш корректор коэффициента мощности. Каким же образом это работает? Грубо говоря, он разбивает всю полуволну на мелкие участки, которые соответствуют частоте его работы, и на каждом участке повышает напряжение до заданной величины.
Таким образом заряд основного конденсатора происходит всю полуволну, тем самым убирая броски тока, и наш импульсник выглядит для сети, как чисто активная нагрузка.

Также есть и другая особенность корректора, это то, что он может нормально работать даже при входящем напряжение 90 В. Ему то все равно нужно повышать напряжение, будь оно с амплитудой 310 В или же в 150 В.

Отлично, мы вкратце ознакомились с принципом работы данного устройства, а теперь давайте перейдем к рассмотрению схемы.

Она взята из даташита, ничего своего автор в нее не вносил. Как видим, элементов немного, это хорошо, легче будет развести печатную плату.

Также стоит рассмотреть важные моменты схемы: первое — некоторые номиналы элементов будут отличаться для разных мощностей, это нужно учитывать; второе — это выходное напряжение.

Если вы делаете ККМ для комповского блока питания, то нужно выбирать напряжение в 310В. А если рассчитываете блок с нуля, то лучше взять напряжение в районе 380В. Величину выходного напряжения регулируют делителем напряжения на вот этих резисторах:

Из такого расчета, чтобы при номинальном выходном напряжении на делителе было 2,5В. Как уже было сказано раньше, для разных мощностей нужны разные элементы. Для мощности в 100Вт нужен транзистор 10n60, а для 300Вт уже 28n60. Но лучше взять с запасом 35n60, такой точно выдержит нужную нагрузку.

Идем дальше. Диод.

Это должен быть ultrafast на напряжение не менее 600В и ток 5 и выше ампер. Важную роль тут играет выходной конденсатор. Грубо его можно рассчитать из соображений, 1мкФ на 1Вт выходной мощности.
Остался дроссель. Его намотку рассмотрим позже.

Переходим к печатной плате. Она получилась немаленькой, но это все из-за больших размеров конденсатора и дросселя.

Как видим, автор развел плату без единой перемычки и все на вводных деталях для удобства повторения. Больше про печатку сказать ничего, идем травить плату.

Вытравили плату, просверлили отверстия на сверлильном станке и теперь приступаем к запаиванию запчастей.

Единственное, для теста автор заменил транзистор 35n60 на 20n60, так как он дешевле и не так будет обидно в случае чего.

В качестве радиатора применен вот такой алюминиевый профиль:

Он имеет большие размеры и сможет с легкостью охладить силовые элементы. Теперь настало время изготовить дроссель. Это самая сложная часть схемы. С расчетами нам поможет программа:

В ней вводим все необходимые данные и на выходе получаем параметры намотки. Сердечник в данном случае будет такой:

Можно было и меньший, но тогда придётся мотать больше витков. Также не забывайте поставить галочку возле выбора провода, автор забыл и поэтому дроссель мотал 2 раза.

Также у дросселя есть еще вторая обмотка. Ее делаем из соотношения 7:1. При 58 витках вторичка будет 8 витков. У автора при 74-х витках получилось 10 витков. Диаметр провода тут берем от 0,4 до 0,6 мм. Что касается фазировки, то тут все очень просто. Выводы дросселя, как они есть, устанавливаются на плату, главное не перепутать силовую и второстепенную обмотку. Также на схеме есть синфазный дроссель, его мотаем на кольце диаметром 20-25 мм и проницаемостью 2000. Количество витков 8-12, диаметр провода от 0,8 до 1,2 мм.

На этом все. Можно производить первое включение. Так как это не импульсный блок, то лампу накаливания в разрыв ставить нельзя, но автор все же поставил, только киловаттную, просто не хотелось в случае КЗ иди на улицу к щитку и включать пробки.

После включения схема заработала. В нагрузку автор повесил 2 лампочки накаливания на 100Вт включенных последовательно.

Как видим при низком входном напряжении на выходе получаем напряжение в районе 315В. Теперь нужно посмотреть, как поведет себя схема с импульсником. Для этого берем блок питания от компа и разбираем его. Нам необходимо посмотреть есть ли в нем варистор, если есть, убрать, так как он рассчитан на 275В и сработает при подаче 310В.
Теперь включим этот блок напрямую в сеть и посмотрим какой будет косинус.

Хорошо, а теперь подключаем через корректор. Подаем питание на те же выводы где была переменка, чтобы не мучиться и не выпаивать диодный мост. Производим включение.

Теперь пройдемся по всем показаниям энергометра. Больше всего нас интересует косинус ф. Как видим он колеблется в районе 95.
Ну что, вполне достойный результат. Теперь подкинем на блок питания нагрузку — нихромовую спираль. Мощность потребления примерно 160Вт.

Отлично, а что же происходит с косинусом? А он в это время начинает стремиться к единице, но при отключении нагрузки падает. Это связано с разрядом конденсатора. По поводу нагрева. Радиатор оказался очень большим и на протяжении получаса не нагрелся. А вот дроссель ощутимо нагрелся градусов до 65-70, поэтому вентилятор желательно устанавливать.

Ну а на этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!
Видео:

Источник

unikumrus.com

Микросхема корректора мощности UCC3818 и ее практическое применение в системных источниках питания

На рынке персональных компьютеров становится все больше и больше блоков питания со встроенными корректорами мощности. Они выполнены с использованием различных интегральных микросхем, и поэтому имеют разные схемы построения, хотя общие принципы схемотехники (о которых рассказывалось в предыдущей публикации), практически, одинаковы. Поэтому, рассмотрев всего лишь одну микросхему, а именно, UCC3818, мы получим хорошее представление об архитектуре большинства контроллеров коррекции мощности.

 

Микросхема UCC3818 относится к семейству контроллеров коррекции мощности, к которому принадлежат еще и такие контроллеры, как UCC2817, UCC2818 и UCC3817. Различие между контроллерами этого семейства заключается в разных диапазонах рабочих температур и разных значениях напряжений UVLO (напряжения включения и напряжения выключения микросхемы). Микросхемы семейства являются ШИМ-контроллерами, выполняющими все функции, необходимые для активной коррекции коэффициента мощности. Контроллеры позволяют доводить значения коэффициент мощности почти до единицы путем формирования необходимой формы входного тока, в зависимости от параметров входного переменного напряжения. Контроллеры семейства работают в режиме среднего тока, в результате чего обеспечивается стабильность входного тока и малые искажения синусоидальности сетевого тока.

Контроллеры UCC x817/x818 имеют следующие основные особенности:

— обеспечивают управление повышающим преобразователем;

— ограничивают искажения, вносимые в питающую сеть;

— обеспечивают модуляцию передней кромки импульса тока;

— позволяют работать с любым переменным напряжением, использующимся в любых странах мира;

— обеспечивают защиту от превышения напряжения;

— обеспечивают ограничение потребляемой мощности на заданном уровне;

— работают в режиме среднего тока;

— обеспечивают улучшенное подавление шумов;

— имеют улучшенный алгоритм опережающего управления;

— имеют типовое значение пускового тока, равное 150 мкА;

— созданы с использованием маломощной технологии BiCMOS.

Контролеры семейства разработаны в компании Texas Instrument’s и обладают малым значением пускового тока и низким уровнем потребляемой мощности. В контроллерах используется технология модуляции передней кромки импульса тока, т.е. длительность рабочего цикла регулируется путем изменения времени начала заряда сглаживающего конденсатора (а не временем прекращения зарядного тока). Данная технология позволяет уменьшить величину пульсаций на сглаживающем конденсаторе, устанавливаемом на выходе корректора мощности, что, в итоге, приводит к уменьшению габаритов этого конденсатора, а, следовательно, и к снижению его стоимости и стоимости всей схемы.

Усилитель тока имеет малое входное смещение (2 мВ), что позволяет уменьшать искажения тока в условиях малой нагрузки.

 

Рис.1  Архитектура ШИМ-контроллера семейства UCC3818

Блок-схема ШИМ-контроллеров UCCx817/x818 представлена на рис.1. Предельные значения основных параметров микросхем представлены в табл.1.

Таблица 1. Предельные значения параметров UCC3818

Параметр	Обознач.	Значение
Питающее напряжение	Vcc	18 V
Ток потребления	Icc	20 mA
Выходной управляющий ток (продолжительный)	IDRVOUT	0.2 A
Выходной управляющий ток	IDRVOUT	1.2 A
Входное напряжение на контактах CAI, MOUT, SS	Vin	8 V
Входное напряжение на контакте PKLMT	Vin	5 V
Входное напряжение на контактах VSENSE, OVP/EN	Vin	10 V
Входной ток контактов RT, IAC, PKLMT	Iin	10 mA
Максимальное отрицательное напряжение на контактах DRVOUT, PKLMT, MOUT	VNEG	-0.5 V
Рассеиваемая мощность	PD	1 W
Температура пайки (10 сек)	TSOL	300° C

Контроллеры выпускаются в 16-контактных корпусах типа SOIC, PDIP, TSSOP. Распределение сигналов по контактам микросхемы представлено на рис.2, а в табл.2 дается описание этих сигналов.

 

Рис.2  Цоколевка микросхемы UCC3818

Таблица 2. Назначение контактов микросхемы UCC3818

№	Обознач.	Описание
1	GND	«Земля». Относительного это контакта измеряются все напряжения. Контакты VCC и REF должны подключаться к «земле» через конденсаторы 0.1 мкФ, или через большие керамические конденсаторы.
2	PKLMT	Вход ограничения пикового тока корректора мощности. Порогом для токового ограничения является уровень 0В. Для формирования смещения сигнала ограничения тока используется внешний резистивный делитель, подключенный с одной стороны к «отрицательному» выводу токового датчика, а с другой стороны, к источнику опорного напряжения VREF. Полученное таким образом смещение соответствует пиковому значению тока. Ограничение тока осуществляется в тот момент, когда напряжение контакта PKLMT становится ниже 0В.
3	CAOUT	Выход усилителя тока. Это выход операционного усилителя с широкой полосой пропускания, который измеряет величину сетевого тока и формирует команды для широтно-импульсного модулятора корректора мощности. Это позволяет устанавливать необходимого значение рабочего цикла ШИМ. Компенсационные внешние элементы устанавливаются между выходом CAOUT и входом MOUT.
4	CAI	Неинвертирующий вход усилителя тока. Этот вход используется для контроля величины сетевого тока с помощью токового датчика, в качестве которого используется низкоомный резистор. Вход CAI соединен через резистор с той стороной токового датчика, которая подключена к «земле». Величина сетевого тока измеряется по разности потенциалов на контакте CAI и контакте MOUT (именно между двумя этими контактами и включается токовый датчик).
5	MOUT	Мультиплексированный контакт, являющийся выходом умножителя и одновременно инвертирующим входом усилителя тока. Такая конфигурация позволяет улучшить защиту от помех и позволяет работать в режиме модуляции переднего фронта. Совместно с контактом CAI используется для контроля величины сетевого тока.
6	IAC	Вход аналогового умножителя. На этом входе создается ток, пропорциональный мгновенному значению входного напряжения. Умножитель настроен таким образом,  что позволяет отслеживать очень малые изменения входного тока. Рекомендуемое максимальное значение входного тока составляет 500 мкА.
7	VAOUT	Выход усилителя ошибки по напряжению. Этим операционным усилителем осуществляется регулировка выходного напряжения. Выход усилителя внутренне ограничивается на величине примерно 5.5 В.
8	VFF	Напряжение упреждающего управления. На этот контакт подается сигнал, пропорциональный среднедействующему (RMS) значению напряжения. При отсутствии питающей сети на контакте VFF должно устанавливаться напряжение 1.4В.
9	VREF	Выход опорного напряжения. На этом выходе формируется постоянное стабилизированное напряжение величиной 7.5В. Выходной ток этого контакта может достигать величины 20 мА, что необходимо для питания внешних периферийных цепей. В составе микросхемы имеется внутренняя цепь ограничения тока при коротких замыканиях. Выход VREF запрещен и установлен в 0В, если питающее напряжение Vcc ниже порога UVLO. Между контактом VREF и «землей» должен  устанавливаться шунтирующий керамический конденсатор емкостью около  0.1мкФ (или больше) для обеспечения стабильности опорного напряжения.
10	OVP/EN	Вход внутреннего компаратора, который запрещает работу выходного драйвера микросхемы в случае, если выходное напряжение превышает заданный уровень.
11	VSENSE	Инвертирующий вход усилителя ошибки по напряжению. Обычно этот вход соединен с компенсационной цепью и с выходом повышающего преобразователя (подключается через делитель).
12	RT	Контакт для подключения частотозадающего резистора. Внешний резистор, включенный между этим выводом и «землей» задает величину тока для заряда конденсатора, подключенного к контакту CT. Номинал резистора рекомендуется выбирать в диапазоне 10…100 кОм. Номинальное напряжение на данном контакте равно 3В.
13	SS	Контакт для программирования «мягкого старта». К этому контакту подключается внешний конденсатор. Конденсатор разряжается, если питающее напряжение Vcc становится низким. Если работа «мягкого старта» разрешена, внешний конденсатор начинает заряжаться внутренним источником тока. Напряжение контакта SS используется как сигнал ошибки во время запуска микросхемы, разрешая регулировать ширину выходных импульсов. В случае, когда питающее напряжение Vcc падает, сигнал OVP/EN быстро опускается ниже 1.9В и внешний конденсатор SS быстро разряжается и запрещает функционирование ШИМ.
14	CT	Контакт для подключения частотозадающего конденсатора. Конденсатор, задающий частоту ШИМ, включается между этим контактом и «землей». Этот конденсатор должен располагаться как можно ближе к «земле».
15	VCC	Положительное питающее напряжение. Для нормального функционирования, этот вход должен быть подключен к стабилизированному источнику, формирующему выходной ток величиной, как минимум, 20 мА и напряжение величиной 10…17 В. К контакту Vcc напрямую  должен быть подключен шунтирующий конденсатор для поглощения импульсов тока, необходимых для заряда емкости затвора внешнего MOSFET-транзистора. Чтобы предотвратить формирование выходных импульсов неправильной формы на контакте DRVOUT, выходной драйвер контроллера должен быть заблокирован до тех пор, пока напряжение на контакте Vcc превышает верхний порог UVLO и находится ниже нижнего порога UVLO.
16	DRVOUT	Выходной сигнал, управляющий внешним силовым ключом, в качестве которого используется полевой транзистор, т.е.на выходе формируются сигналы управления затвором полевого транзистора. Выход представляет собой тотемный выход, построенный на MOSFET-транзисторах. Между выходом DRVOUT и затвором внешнего полевого транзистора должен устанавливаться последовательный токоограничивающий резистор, который обеспечивает согласование между выходным сопротивлением микросхемы и сопротивлением затвора. Резистор позволяет избежать перегрузки выхода DRVOUT.

Рассмотрим практический вариант применения микросхемы UCC3818 в составе блока питания HPC 360-302. В этом блоке питания используется активный высокочастотный корректор мощности, устанавливаемый сразу же после диодного моста (рис.3). Входом схемы корректора мощности являются точки, обозначенные BD+ («плюс» диодного моста) и BD- («минус» диодного моста). Таким образом, на вход корректора мощности подается напряжение величиной примерно 300В. Выходом корректора мощности является напряжение Vo величиной около 400В (относительно точки GND).

 

Рис.3 Положение корректора мощности в блоке питания HPC 360-302

Принципиальная схема корректора мощности блока питания HPC 360-302 представлена на рис.4.

 

Рис.4  Принципиальная схема корректора мощности блока питания HPC 360-302

Питающее напряжение Vcc для контроллера UCC3818 формируется интегральным стабилизатором на напряжение +12В типа 7812 (IC1). На вход этого стабилизатора подается постоянное нестабилизированное напряжение величиной 15…20 В. Это напряжение формируется дежурным преобразователем блока питания. Для его формирования задействована дополнительная обмотка импульсного трансформатора дежурного преобразователя (рис.5). Импульсы, генерируемые в этой обмотке, выпрямляются диодом D8 и сглаживаются конденсатором С10. Ограничение полученного напряжения осуществляется стабилитроном ZD1. Таким образом, контроллер UCC3818 запускается сразу же, как только блок питания включается в сеть, и начинает работать дежурный преобразователь.

 

Рис.5 Формирование питающего напряжения для UCC3818 в корректоре мощности блока питания HPC 360-302

Включение UCC3818 происходит в момент, когда напряжение Vcc на конт.15 превышает значение 10.2 В.

При включении контроллера на конт.9 появляется опорное напряжение VREF величиной 7.5В, на конт.14 (CT) появляется пилообразное напряжение внутреннего частотозадающего генератора, а на выходе – на конт.16 (DRVOUT) появляются прямоугольные импульсы. Выходные импульсы контроллера управляют внешним силовым ключом, который в данной схеме образован двумя параллельно включенными полевыми транзисторами QF1 и QF2. параллельное включение двух транзисторов позволяет увеличить мощность схемы.

Переключение транзисторов QF1 и QF2 приводит к созданию импульсного тока в дросселе L1. Этот дроссель является, пожалуй «главным» элементом всей схемы. Импульсы, наводимые в дросселе, имеют амплитуду, значительно превышающую 300В. Эти импульсы выпрямляются диодом D7, в результате чего создается напряжение постоянного тока величиной около 400В.

Функцию токового датчика в схеме выполняют два параллельно включенных резистора большой мощности R14/R14A. Падение напряжения на этих резисторах пропорционально току, потребляемому схемой из сети. Это падение напряжения оценивается контроллером через входные контакты CAI (конт.4) и MOUT (конт.5). Кроме того, превышение током предельного значения отслеживается через конт.2 (PKLMT). Чем больше величина потребляемого тока, тем меньше напряжение на конт.2.

Выходное напряжение корректора мощности обозначено на схеме Vo. Величина этого напряжения контролируется микросхемой UCC3813 через входы VSENSE (конт.11) и OVP/EN (конт.10). Выходное напряжение подается на эти контакты через резистивный делитель, в который входят резисторы R2/R3/R4/R5/R19. Компенсационная цепь усилителя ошибки по напряжения состоит из элементов C7/C15/R7 и включена между конт.11 (VSENSE) и конт.7 (VAOUT).

Длительность периода «мягкого старта», в течение которого длительность выходных импульсов контроллера плавно нарастает в момент его включения, задается конденсатором С4, подключенным к конт.13 (SS).

www.mirpu.ru