Повернімось до основ: що означає фактор потужності та чому ми повинні це виправляти?

Сьогодні комерційні, промислові, торгові та навіть побутові приміщення дедалі більше заповнюються електронними пристроями, такими як ПК, монітори, сервери та ксерокс, які зазвичай живляться від імпульсних джерел живлення (SMPS). Якщо вони неправильно спроектовані, вони можуть представляти нелінійні навантаження, які створюють гармонічні струми та, можливо, напругу на електромережі. Гармоніки можуть пошкодити кабелі та обладнання в цій мережі, а також інше обладнання, підключене до неї. Проблеми включають перегрів та ризик пожежі, високі напруги та циркулюючі струми, несправності обладнання та несправності компонентів та інші можливі наслідки. Нелінійне навантаження може генерувати ці гармоніки, якщо воно має низький коефіцієнт потужності. Інші навантаження можуть спричиняти низькі коефіцієнти потужності без створення гармонік. У цій публікації розглядаються ці проблеми, обставини, що можуть призвести до пошкодження гармонічної генерації, та практичні підходи до її зменшення.

Дві причини поганого коефіцієнта потужності

На найпростішому рівні ми могли б сказати, що коефіцієнт потужності електричного або електронного пристрою - це співвідношення потужності, яку він забирає від мережі, і потужності, яку він фактично споживає. «Ідеальний» пристрій має коефіцієнт потужності 1,0 і споживає всю енергію, яку він витрачає. Це може представляти навантаження, яке є лінійним і повністю резистивним: тобто таким, яке залишається постійним незалежно від вхідної напруги і не має значної індуктивності чи ємності. На рисунку 1 показано вхідні сигнали, які такий пристрій демонструє. По-перше, форма сигналу струму знаходиться у фазі з напругою, по-друге, обидві форми сигналу є синусоїдальними.

Рисунок 1: Форми сигналів вхідної напруги та струму для пристрою з коефіцієнтом напруги = 1,0

На практиці деякі пристрої мають коефіцієнти потужності єдності, а багато інших - ні. Пристрій має низький коефіцієнт потужності з однієї з двох причин; або він виводить струм поза фазою з напругою живлення, або він виводить струм у несинусоїдальній формі сигналу. Позафазовий корпус, відомий як коефіцієнт потужності "переміщення", як правило, пов'язаний з електродвигунами всередині промислового обладнання, тоді як несинусоїдальний корпус, відомий як коефіцієнт потужності "спотворення", зазвичай спостерігається в електронних пристроях, таких як ПК, копіювальні машини і зарядні пристрої для акумуляторів, що працюють від імпульсного блоку живлення (SMPS). Ми коротко розглянемо коефіцієнт потужності витіснення, перш ніж переходити до випадку спотворень, який є найбільш безпосереднім занепокоєнням для розробників електронних енергосистем. Однак важливо знати обидва випадки. Наприклад, деякі інженерні курси обговорюють питання коефіцієнта потужності лише з точки зору двигунів, що викликає плутанину, коли пізніше їхні студенти стикаються з поганим коефіцієнтом потужності, як це демонструє SMPS.

Проблеми з електродвигунами та коефіцієнтом потужності переміщення

Електродвигуни створюють потужні магнітні поля, які виробляють напругу або зворотну електрорушійну силу, протилежну прикладеній напрузі. Це призводить до відставання струму живлення від прикладеної напруги. Отриманий в результаті фазового струму компонент не може забезпечити корисну потужність, проте він збільшує необхідну потужність споживання та витрати на електроенергію. Установка конденсаторів на двигунах зменшує фазове відставання та покращує коефіцієнт потужності.

Проблеми SMPS та коефіцієнта потужності спотворення

У той час як навантаження з коефіцієнтом потужності зміщення не викликають гармонік та пов'язаних з ними проблем, навантаження з коефіцієнтом потужності спотворення, такі як SMPS, будуть робити це, якщо їх коефіцієнт потужності не покращений.

Передній кінець змінного струму SMPS зазвичай містить мостовий випрямляч, за яким слідує великий конденсатор фільтра. Ця схема забирає струм з мережі лише тоді, коли лінійна напруга перевищує напругу на конденсаторі. Це призводить до течії струму періодично, що призводить до несинусоїдальної форми сигналу струму, показаної на малюнку 2.

Рис.2: Форма сигналу несинусоїдального струму, намальована SMPS з низьким коефіцієнтом потужності