Gli ambienti industriali, industriali, di vendita al dettaglio e residenziali odierni utilizzano una crescente varietà di dispositivi elettronici come personal computer, monitor, server Web e fotocopiatrici, che sono comunemente alimentati da materiali di alimentazione a commutazione (SMPS). In caso contrario, possono essere prodotti carichi non lineari opportunamente sviluppati che possono imporre le correnti o le tensioni armoniche che si presentano sulla rete primaria. Le armoniche possono danneggiare i televisori via cavo e gli strumenti in questa rete, nonché varie altre apparecchiature ad essa collegate. I possibili problemi includono surriscaldamento e pericoli di incendio, alta tensione, distribuzione di correnti, guasti alle apparecchiature, guasti degli elementi e altre potenziali conseguenze. Se un lotto non lineare ha un elemento di potenza mancante, può produrre rapidamente queste armoniche. Vari altri carichi possono mostrare aspetti di scarsa potenza senza generare armoniche. Questo articolo si concentra sui problemi di cui sopra, sugli scenari che portano ad armoniche distruttive e sui modi sensati per ridurre quell’armonica.
Entrambi i motivi principali per il fattore di potenza scarso
Possiamo affermare che il fattore di potenza di un gadget elettrico o elettronico è la proporzione tra la potenza che acquisisce dalle chiavi e l’energia che assorbe. Un dispositivo “ideale” avrebbe un fattore di potenza di 1.0 e rovinerebbe senza dubbio tutta la potenza che ottiene. Sembrerebbe senza dubbio una tonnellata resistente: una tonnellata che continua ad essere costante indipendentemente dalla tensione di ingresso, senza induttanze o capacità notevoli. Il numero 1 rivela la forma d’onda in ingresso che apparirebbe in un tale gadget. Inizialmente, la forma d’onda esistente è nello stesso stadio della tensione e, inoltre, entrambe le forme d’onda sono sinusoidali.
Numero 1: tensione di ingresso e forme d’onda presenti per un dispositivo con PF = 1.0
In pratica, alcuni gadget hanno un aspetto di potenza regolare, ma altri no. Ci sono due ragioni per l’aspetto inadeguato della potenza dell’apparecchiatura: o la corrente che assorbe si esaurisce con la tensione di alimentazione, o la forma d’onda utilizzata per illustrare la corrente non è sinusoidale. La situazione di sfasamento denominata fattore di potenza “variabile” è solitamente relativa a motori all’interno di dispositivi commerciali. D’altra parte, il problema non sinusoidale denominato fattore di potenza “distorsione” è generalmente associato a computer desktop, fotocopiatrici e caricabatterie azionati da alimentatori a commutazione (SMPS). I gadget digitali come computer desktop, fotocopiatrici e caricabatterie vengono attivati dalla commutazione dei prodotti di alimentazione (SMPS). Diamo subito un’occhiata all’aspetto della potenza modificata e poi parliamo dell’istanza di distorsione, che è molto più urgente da comprendere per gli sviluppatori di sistemi di alimentazione elettronica. Tuttavia, è fondamentale comprendere entrambi i fattori. Ad esempio, alcuni programmi di ingegneria discutono dei problemi relativi all’aspetto della potenza solo nei motori e gli studenti sono perplessi quando in seguito si imbattono nelle variabili di potenza ancora più carenti mostrate da SMPS.
Motore elettrico e problemi di fattore di potenza di spostamento
I motori producono un forte campo elettromagnetico, producendo una tensione o una prospettiva elettrica inversa contraria alla tensione utilizzata. Questo può creare l’alimentazione presente per trascinare la tensione fatta. Il componente esistente a fase opposta risultante non offre una fonte di alimentazione utilizzabile, ma aumenta la capacità di alimentazione della struttura e i costi energetici. I condensatori di montaggio tra i motori elettrici riducono il ritardo di fase e aumentano anche il loro aspetto di potenza.
SMPS e problemi di aspetto della potenza di distorsione
I lotti di fattore di potenza di variazione non causano armoniche e i loro problemi associati, tuttavia tonnellate di aspetto della potenza di distorsione come SMPS possono causare questi problemi a meno che il loro elemento di potenza non venga potenziato.
Il fronte dell’aria condizionata di un SMPS è solitamente costituito da un raddrizzatore a ponte a cui aderisce un grande condensatore di filtro. Il circuito utilizza il presente dal circuito a chiave AC solo quando la tensione di linea supera la tensione del condensatore. Ciò si traduce in una circolazione regolare del condizionatore d’aria, creando uno schema non sinusoidale, come mostrato nella Figura 2.
La Figura 2 mostra la forma d’onda presente non sinusoidale.
Numero 2: forma d’onda presente non sinusoidale a causa di SMPS con fattore di potenza errato
La forma d’onda può essere analizzata utilizzando il cambio di Fourier (una procedura matematica) e disintegrata in un insieme di componenti sinusoidali, tra cui la frequenza fondamentale (50Hz in Europa e 60Hz negli Stati Uniti) e diversi multipli dispari la regolarità assoluta, nota come armoniche. La 3a armonica è 150Hz (o 180Hz), la quinta armonica è 250Hz (300Hz). Il numero 3 rivela lo spettro armonico regolare di un carico SMPS digitale. L’elemento essenziale è adeguatamente ripreso dall’SMPS, mentre le armoniche sono reattive e presentano i problemi spiegati sopra. La proporzione dell’ampiezza totale rispetto a tutte le ampiezze armoniche fornisce la variabile di potenza del dispositivo.
Figura 3: Criterio internazionale normale per lo spettro armonico di abbondanza di SMPS elettronici
Esiste uno standard globale che spiega e stabilisce le restrizioni appropriate per la generazione delle armoniche primarie di un prodotto. All’interno dell’UE, il requisito della raccomandazione è IEC61000-3-2, che copre i livelli di potenza dello strumento da 75 W a 600 W. Il comune classifica i gadget in quattro classificazioni: A, B, C e D. La categoria D è composta da computer, schermi di computer desktop e ricevitori TV.
Soluzioni PFC comprovate e soluzioni PFC ingegnose
Sebbene siano disponibili semplici rimedi per le variabili di potenza, l’opinione generale del settore è che i progetti funzionali forniscano il miglior miglioramento del fattore di potenza. Questi sono generalmente basati sulla tecnologia moderna del convertitore boost, come mostrato nel numero 4.
Numero 4: Circuito di regolazione dell’elemento di potenza energetica con tecnologia di aumento
Figura 5: Tensione e forme d’onda presenti di un circuito di aumento energetico
A tale scopo, il circuito di controllo utilizza la forma d’onda della tensione di ingresso come modello. Il circuito di controllo determina l’ingresso presente, lo contrappone alla forma d’onda della tensione di ingresso e regola nuovamente la tensione di boost per creare una forma d’onda di ingresso presente della stessa forma (5-I). Allo stesso tempo, il circuito di controllo tiene d’occhio la tensione del bus e regola la tensione di boost per mantenere un risultato CC approssimativamente controllato (5-B). La caratteristica principale del circuito di controllo è quella di offrire un ingresso sinusoidale presente, quindi consente alla tensione del bus DC di differire leggermente.
L’utilizzo di un circuito di miglioramento dell’elemento di potenza energetica comporta poche discontinuità nella corrente di ingresso, quindi la distorsione e il contenuto armonico della corrente di ingresso prelevata dalla linea è ridotta. Tuttavia, Vicor ha recentemente introdotto un front-end AC modulare basato sul suo nuovissimo design del convertitore dinamico, chiamato Adaptive Unit.
Questo front-end AC offre diverse funzioni potenziate ai progettisti di sistema. In particolare, fornisce un ingresso universale da 85 V a 264 V CA, alta efficienza e anche un elevato spessore di potenza, con particolare considerazione per essere una soluzione completa che consiste in un risultato CC separato e controllato, nonché rettifica e miglioramento dell’aspetto della potenza. Il gadget riduce al minimo la riproduzione armonica della linea A/C, aumentando l’alta qualità generale dell’alimentazione a livello di sistema e struttura. La distorsione armonica completa è di gran lunga migliore dei requisiti EN61000-2-3, mentre l’elevata frequenza variabile e la conversione risonante ottimizzano il sistema di filtraggio esterno e soddisfano le specifiche di base EMI.
