Ekologiczne zasilacze i współczynnik mocy.pdf

Układy zasilające

Ekologiczne zasilacze

i współczynnik mocy

W Skrzynce Porad pojawiło się

pytanie: co to jest power factor?

Power factor to nic innego jak współczyn−

nik mocy, czyli stosunek mocy czynnej do

mocy pozornej, inaczej mocy zespolonej.

W zagranicznych źródłach można znaleźć

wzór na współczynnik mocy (Power Factor)

PF = P / S,

gdzie P – moc czynna, S – moc pozorna.

Cały problem i podany wzór dotyczą sieci

energetycznej i urządzeń z niej zasilanych.

Ideałem byłoby, gdyby współczynnik mocy

był równy jedności, ale praktycznie nigdy tak

nie jest. Niewtajemniczonych trzeba poinfor−

mować, czym to jest spowodowane.

Moc zespolona w przypadku sieci prądu

zmiennego to po prostu iloczyn (wartości

skutecznych) napięcia i prądu.

S = Usk * Isk

Określenie “moc pozorna” może sugero−

wać jakiś haczyk. Nie, żadnego haczyka nie

ma – Usk to napięcie występujące w sieci,

a Isk to płynący tam prąd.

Podany wzór nie określa jednak mocy

czynnej (a więc naprawdę użytecznej dla

odbiorcy). Owszem, jeśli obciążenie ma czy−

sto rezystancyjny charakter, moc czynna jest

równa mocy pozornej i współczynnik mocy

jest równy jedności. Gdy jednak obciążenie

nie jest czystą rezystancją, miedzy (zmien−

nym) napięciem a prądem występuje przesu−

nięcie. Miarą tego przesunięcia jest kąt zwa−

ny fazą, oznaczany małą grecką literą fi (ϕ ).

Jak wiadomo ze szkoły, moc czynna prądu

zmiennego to iloczyn (wartości skutecznych)

napięcia, mocy oraz kosinusa

przez wspomnia−

ne przesunięcie

fazy.

To właśnie

dlatego dławik

do świetlówki

ma zadziwiająco

duży prąd nomi−

nalny, a moc

(czynna) współ−

pracującej świetlówki jest nieporównanie

mniejsza niż iloczyn prądu dławika i napięcia

sieci.

Sytuacja wygląda w przybliżeniu tak: 40−

watowa świetlówka pobiera z sieci 220V wła−

śnie 40 watów mocy czynnej. Przez świetlów−

kę i szeregowy dławik nie płynie jednak prąd

o wartości 0,182A (0,18A*220V=40W), tylko

powiedzmy 0,7A czy 0,8A. Podobnie jest

w przypadku silników prądu zmiennego

i transformatorów. Dla odbiorcy nie jest to

problem, bo jego licznik energii zlicza moc

czynną. Z punktu widzenia dostawców energii

sytuacja jest zdecydowanie niekorzystna, po−

nieważ w przewodach płynie duży prąd, który

niejako nie jest wykorzystywany. A jeśli pły−

nie, to wywołuje niepotrzebne straty na rezy−

stancji przewodów. Właśnie dlatego kiedyś

duże zakłady przemysłowe płaciły kary, gdy

kąt przesunięcia miedzy prądem a napięciem

był zbyt duży, czyli kosinus

Rys. 2

zbyt mały.

Czy jednak tak jest naprawdę? Przed laty

nie wnikano w szczegóły i nie rozważano in−

nych przypadków. Z czasem okazało się, iż do

sieci jest podłączonych coraz więcej urządzeń,

które powodują odkształcenie przebiegu prą−

du. Przykładem jest choćby obwód wejściowy

prostej sieciowej przetwornicy impulsowej,

pokazany w uproszczeniu na rysunku 2a . Ry−

sunek 2b udowadnia, że przebieg prądu zupeł−

nie nie przypomina sinusoidy, inaczej mówiąc,

zawiera dodatkowe harmoniczne. Jeśli tak, to

we wzorze na moc czynną należy uwzględnić

obecność tych harmonicznych i ich przesunię−

cia fazowe. Graficznie sytuację pokazuje rysu−

nek 3 . Rozważania matematyczne są tu dość

złożone, w każdym razie współczynnik mocy

obejmuje nie tylko kosinus ϕ , ale także wszy−

stkie inne czynniki, które powodują, że moc

czynna P jest mniejsza od mocy zespolonej S.

P = Usk * Isk * cos ϕ

Dla osób, które nie mają kłopotów z mate−

matyką, rysunek 1 pokazuje te zależności

graficznie. Czym większe przesunięcie fazo−

we (kąt ϕ ), tym mniejsza wartość kosinusa ϕ .

Czyli czym większe przesuniecie fazowe, tym

mniejszy stosunek mocy czynnej do pozornej.

Dotyczy to na przykład transformatorów, sil−

ników i zespołów świetlówek. Występuje na

nich pełne napięcie sieci Usk, płynie przez nie

jakiś prąd Isk. Wskutek przesunięcia fazy

efekt jest taki że, mówiąc obrazowo, nie cały

prąd jest wykorzystywany. Prąd płynie przez

urządzenie, a jakby nie działa – wszystko

Rys. 3

Rys. 1

Z podanych informacji mogłoby wyni−

kać, że wartość kosinusa ϕ to właśnie oma−

wiany współczynnik mocy. Taki wniosek

jest prawidłowy pod jednym warunkiem:

przebiegi napięcia i prądu są przebiegami

sinusoidalnymi.

Omawiany problem nabiera coraz więk−

szego znaczenia, ponieważ do sieci dołączo−

nych jest coraz więcej urządzeń elektronicz−

nych, wyposażonych w przetwornice impul−

sowe i inne układy, odkształcające przebieg

prądu. Konstruktorów układów zasilających

zachęca się do stosowania nowocześniejszych

Elektronika dla Wszystkich

Układy zasilające

rozwiązań, ograniczających lub eliminują−

cych ten problem. Stopniowo wprowadzane

są coraz ostrzejsze normy, a docelowo we

wszystkich urządzeniach trafiających na ry−

nek mają być stosowane układy, które będą

pobierać z sieci prąd, który jest w fazie

z napięciem i jest bardzo zbliżony do sinu−

soidy. Właśnie na takie zagadnienia zwrócił

uwagę nasz Czytelnik Leon Charkiewicz ,

który odniósł się do jednego z pomysłów

z rubryki “Genialne schematy”, polegajace−

go na redukcji mocy czynnej przez zastoso−

wanie diody: Ta sama dioda, widziana 40

lat temu jako “cudowny, połówkowy regu−

lator mocy” obecnie może być postrzegana

trochę inaczej. Autora “Regulatora” za−

mieszczonego w dziale “Genialne schema−

ty” w EdW 4/2000 na str. 82 zachęcam do

przeanalizowania przykładu ze str. 26, 27

książki “Energoelektronika” Stanisława Pi−

róga z 1998r. artykułu “Zasilanie w auto−

matyce” z EP 3/2000 str. 31, 32 i nowej

normy Unii Europejskiej EN61000−3−2. Są−

dzę, że warto popatrzeć na problem “Regu−

latora” nie tylko w perspektywie mocy

czynnej.

O ile amator długo jeszcze będzie mógł

sobie pozwolić na stosowanie w swych jed−

nostkowych konstrukcjach takich prymi−

tywnych sposobów, o ty−

le zawodowi konstrukto−

rzy będą musieli stoso−

wać się do coraz bar−

dziej restrykcyjnych

norm w tym zakresie.

Polega to na stosowaniu

przetwornic impulsowych o innej konfigu−

racji układowej oraz innych sterowników.

O ile klasyczne przetwornice impulsowe,

od dawna oznaczane skrótem SMPS (Swit−

ched Mode Power Supply), mają współ−

czynnik mocy rzędu 0,6, o tyle nowe prze−

twornice i scalone przetworniki do nich

oznacza się skrótem PFC, który można roz−

szyfrować jako Power Factor Controller lub

Power Factor Corrector, zapewniają one,

wartość PF bliską 1.

Rys. 5

wprowadzili do swej oferty kontrolery PFC.

Rysunek 4 pokazuje bardzo uproszczony

schemat blokowy klasycznego zasilacza

SMPS (przetwornicy impulsowej), a rysu−

nek 5 − zasilacza typu PFC. Jak widać, nadal

jest to zasilacz impulsowy, a na uwagę za−

sługuje przede wszystkim brak dużego

“elektrolita” za mostkiem prostowniczym.

Właśnie to jest pierwszy, niezbędny czyn−

nik. Dopiero wtedy inteligentne sterowanie

przetwornicy, niejako w takt przebiegu na−

pięcia, umożliwia “równomierny” pobór

prądu, proporcjonalny do chwilowej warto−

ści napięcia sieci. I właśnie to, przy zastoso−

waniu skutecznego filtru przeciwzakłóce−

niowego, pozwala uzyskać sinusoidalny

kształt prądu pobieranego z sieci i zerowe

przesuniecie fazowe, czyli współczynnik

PF bliski jedności.

Rys. 4

Praktycznie wszyscy czołowi producenci

scalonych sterowników do przetwornic

“Kiedy będą horoskopy??! Bo póki co, tak słodko, że mdli”

– Mirosław Kopera, Dębica

Najciekawsze Uwagi do Redakcji nadsy‡ane w ramach Miniankiety czŒ 1

Stacja kosmiczna MIR, wysyłamy wam EdW, uruchomicie ją na

nowo. Z EdW można zrobić wszystko

– Wojciech Paździor, Lublin

EdW albo... JAKIE ALBO!!! – tylko EdW − Marcin Gołosz, Tychy

To skandal! Jesteście zboczeni!!! – ale zawodowo. Witajcie w klubie

– Marcin Biernat, Strachówka

Każdy numer EdW poraża napięciem profesjonalizmu

– Radosław Szycko z Goleniowa

Może niedługo zapanuję nad mym domem waszym wspaniałym

Bascomem

Poczta była COOL szczególnie dlatego, że wylosowałem nagrodę

– Łukasz Podgórnik, Dąbrowa Tarnowska

Oby wasz rozwój następował tak szybko, jak wzrost częstotliwości

taktowania procesorów – Krzysztof Nowak, Preczów

Wyrazy współczucia w związku z listami o pomoc w przygotowa−

niu prac dyplomowych – Paweł Cabała, Gronowo Elbląskie

Co tu dużo ściemniać – dzięki za folię świecącą! Ale mnie oświe−

ciło... – a to dlatego, że EdW jest tak błyskotliwa!

– Marcin Biernat, Strachówka

Nie martwcie się, i tak jesteście najlepsi

– Tomasz Drożdżał, Gliwice

Jesteście dobrzy, ale możecie być lepsi

– Łukasz Szymański, Orzechowo

Projektem BASCOM College rzuciliście mnie na kolana. Aż mi się

chce programować – Jarosław Kempa, Doruchów

Jesteście w “dechę”, a raczej w płytkę drukowaną na laminacie

dwustronnym z metalizacją! – Andrzej Herok, Połomia

Nie będę się produkował, bo i tak tego nie wydrukujecie

– Marcin Mól, Olkusz

Oczień haraszo!!! – Adrian Helwik, Bogatynia

Ostrzegam! EdW w rękach moich dzieci grozi nowym Noblem!

– Paweł Namsolleck, Iława

Macie co chcecie – z EdW nie zginiecie

– Jarosław Kempa, Doruchów

– Wojtek Wojciechowski, Nowy Dwór Maz.

Dzięki EdW nareszcie kupiłem odpowiedni model kabla bezprze−

wodowego i naprawiłem swoją baterię na baterie słoneczne

– Bogusław Dzielski, Siemianowice Śl.

Wzbijmy się w przestworza – BASCOM doda nam skrzydeł

– Piotr Michalski, Zgierz

Z uwagi na brak uwag, uważam, że jest OK

– Wojciech Ukraiński, Łomża

Szkoła albo EdW? Oto jest pytanie – Marcin Grzegorzek, Rybnik

Niektórzy wolą kupować EdW w kiosku, spotykając się tym samym

z miłą sprzedawczynią – Sławomir Łoński

Elektronika jest cudowna – służy człowiekowi, choć jest martwa

– Mariusz Ciszewski, Polanica Zdrój

A tak, to jest QL – Bartosz Tomeczko, Wrocław

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: