مبدل اصلاح ضریب توان چیست و چه کار میکند

قبل از اینکه بخواهیم راجب به اصلاح ضریب توان صحبت کنیم باید بدانیم که ضریب توان چیست و چه چیزی آن را خوب یا بد میکند. ضریب توان به نسبت توان حقیقی مصرف شده به کل توان گرفته شده از شبکه است. اشتباه نکنید! ضریب توان بازده نیست. به عبارت دیگر در یک سیستم AC هر مصرف کننده بخشی از توان دریافتی از شبکه را مصرف میکند و بخشی دیگر را دوباره به سمت تولید کننده پس میفرستد. یعنی یک توان حقیقی یا اکتیو وجود دارد که در تولید کننده (نیروگاه ها، شبکه برق و…) به سمت مصرف کننده ارسال میشود و مصرف کننده آن را به کار تبدیل میکند مثلا موتور به حرکت در میاید، چیزی گرم میشود، صدایی تولید میشود یا به هر شکلی این انرژی مصرف میشود. اما همزمان توان دیگری از سمت تولید کننده به سمت مصرف کننده حرکت میکند ولی در مصرف کننده هیچ کاری انجام نمیدهد و دوباره به سمت تولید کننده برمیگردد. این رفت و برگشت توان فقط باعث ایجاد تلفات در خطوط انتقال انرژی میشوند. این توان را توان راکتیو یا غیر فعال مینامند. در این مقاله میخواهیم بررسی کنیم توان راکتیو در مبدل های الکتریکی چگونه بوجود می آید و چگونه میتوان آن را حذف کرد.

توان راکتیو از کجا می آید؟

بار های سلفی یا خارنی

هر مصرف کننده ای که خاصیت سلف یا خارنی داشته باشد، اگر به ولتاژ متناوب متصل گردد توان راکتیو مصرف/تولید میکند. خاصیت سلفی باعث پسفاز شدن جریان نسبت به ولتاژ میشود و توان راکتیو مصرف میکند. خاصیت خازن باعث پیشفاز شدن جریان نسبت به ولتاژ میشود و توان راکتیو تولید میکند. مثلا در کارخانه ها یا تاسیسات بزرگ که چندین موتور الکتریکی کار میکنند چون همگی خاصیت سلفی دارند میزان توان راکتیو مصرفی خیلی زیاد میشود و علاوه بر هزینه بالاتر مصرف برق حتی ممکن است توسط شرکت توزیع برق جریمه هم بشوند. به همین دلیل از بانک های خارنی استفاده میکنند. در واقع بانک خازنی با سیستم کنترل هوشمندی که دارد به میزان مناسب خازن به شبکه اضافه میکند تا توان راکتیو تولیدی این خازن ها با توان راکتیو مصرفی بار های سلفی برابر شود. در واقع با این کار توان راکتیو را به دریافت از شبکه برق، به صورت محلی توسط خازن ها تولید کرده و مصرف برق را کاهش میدهد.

بار های غیر خطی یا هارمونیکی

علاوه بر مورد قبل اگر یک مصرف کننده جریان هارمونیکی مصرف کند، بار هم توان راکتیو مصرف میشود. یعنی اگر یک مصرف کننده هنگامی که به ولتاژ سینوسی برق شهر متصل میگردد جریان غیر سینوسی مصرف کند باعث افزایش توان راکتیو خواهد شد. بسیاری از تجهیزات مورد استفاده ما توسط ولتاژ DC کار میکند بنابراین همه آنها داخل خود یک منبع تغذیه دارند که ولتاژ برق شهر را به ولتاژ DC مناسب تبدیل می کند. این مبدل چه سوئیچینگ باشد چه خطی، اگر در ورودی خود از پل دیود و خازن برای DC کردن ولتاژ برق شهر استفاده کرده باشد، هارمونیک زیادی تولید میکند و توان راکتیو مصرف میکند و ضریب توان را پایین می آورد. برای اطلاعات بیشتر در این مورد اینجا کلیک کنید.

شاید فکر کنید این دستگاه ها توان کمی دارند اما در یک شبکه برق ممکن است میلیون ها عدد از این دستگاه های کوچک باشند و اگر همه آنها هارمونیکی باشند کیفیت توان در شبکه بسیار پایین می آید. برای اطمینان از اینکه وسایل الکترونیکی تأثیر تجمعی قابل توجهی بر ضریب توان شبکه ندارند، استانداردهای بین المللی مانند EN61000-3-2 و Enargy Star 80 Plus محدودیت هایی را بر روی کاهش ضریب توان و میزان هارمونیک که منبع تغذیه تولید می کند، تعیین کردند.

مبدل اصلاح ضریت توان

فیلترهای ساده پسیو به تنهایی برای بهبود ضریب توان و کاهش اعوجاج هارمونیکی کافی نیستند. به جای آنها باید مدار اکتیو ضریب توان استفاده شود تا جریان AC را مجبور به ردیابی ولتاژ AC کند.  مبدل PFC ولتاژ AC ورودی را به ولتاژ DC با دامنه معمولا بین 350 تا 450 ولت DC تبدیل میکند اما جریان ورودی آن همواره با ولتاژ ورودی سنکرون و همفاز است و کاملا سینوسی است. بنابراین ضریب توان این مبدل همواره نزدیک به 1 است.

یکی از مدارات رایج اکتیو PFC با نام مبدل PFC بوست شناخته می شود، که ساده و ارزان قیمت است. هدف عمومی مبدل PFC بوست این است که با روشن و خاموش کردن سریع کلید(S1) و با duty cycle متغییر، جریان ورودی(Iac) را به شکل سینوسی و همفاز با ولتاژ ورودی(Vac) در آورد.

عملکرد مبدل PFC بوست

مدار PFC بوست مابین دو حالت به سرعت تغییر وضعیت می دهد. حالت اول زمانی اتفاق می افتد که کلید S1 بسته باشد، مطابق تصویر 2. در این وضعیت، انرژی به واسطه یکسوساز از سمت AC مدار توسط سلف جذب می شود و جریان سلف افزایش می یابد. در همان زمان، دیود D_pfc به صورت معکوس بایاس شده است (چون آند آن به واسطه S1 به زمین متصل شده است) و انرژی مورد نیاز بار توسط خازن تامین می شود.

تصویر 3 حالت دوم را نشان می دهد که کلید S2 باز است. در این وضعیت انرژی سلف برای تامین انرژی مورد نیاز خروجی و شارژ مجدد خازن تخلیه می شود(جریان کاهش می یابد).

دقت کنید که هر دو تصویر 2 و 3 مربوط به نیم سیکل مثبت ولتاژ ورودی می باشند. تحلیل برای نیم سیکل منفی هم به همین صورت خواهد بود، فقط جریان از دو دیود دیگر یکسوساز عبور می کنند.

چرخش بین دو حالت در کلید موجود در مدار(S1) با فرکانس بالا در محدوده چند ده کیلو هرتز اتفاق می افتد، اغلب بین 40 تا 100 کیلو هرتز استفاده میشود. چرخش بین حالت ها به سرعت و به گونه ای انجام می شود تا ولتاز خروجی ثابت بماند و جریان متوسط سلف (و درنتیجه جریان متوسط AC) نیز کنترل گردد.

برای یک سیستم ایده آل، جریان سلف یک شکل موج سینوسی یک سو شده و جریان ورودی AC یک شکل موج سینوسی کامل خواهد بود. به دلیل ماهیت کلیدزنی سیستم و مشکل در بدست آوردن ردیابی کامل جریان مورد انتظار، جریان AC ورودی(Iac) یک شکل موج سینوسی ایده آل نمی باشد و همچنین جریان سلف(I_L) نیز یک شکل موج سینوسی یکسوشده ایده آل نمی باشد، اما شکل موج آنها تقریبا به صورت زیر است.

سیستم کنترلی مبدل بوست در حالت اصلاح ضریب توان

برای ثابت ماندن ولتاژ خروجی و سینوسی بودن جریان AC و هم فاز بودن جریان با ولتاژ، لازم است که از کنترل حلقه بسته استفاده شود. توصیف چگونگی طراحی سیستم کنترل، فراتر از هدف این مقاله است، اما تصویر زیر نمای کلی از این سیستم را نشان می دهد. در این سیستم مدار PFC بوست همراه با یک کنترلر قرار دارد که چهار ورودی را می پذیرد و در خروجی یک پالس PWM تولید می کند که به گیت کلید S1 اعمال می شود.

سیستم کنترلی نشان داده شده در تصویر قبل به سه چیز احتیاج دارد:

• اندازه گیری ولتاژ خروجی(Vdc) برای اطمینان از اینکه در سطح مورد نظر(Vref) باقی می ماند.
• اندازه گیری ولتاژ AC برای فراهم کردن یک مرجع برای جریان سلف
• اندازه گیری جریان متوسط سلف برای اطمینان از اینکه ولتاژ یکسو شده AC را دنبال می کند.

سیستم کنترل به کار گرفته شده معمولا از نوع PI یا PID خواهد بود تا این اطمینان را حاصل کند که اختلاف سیگنال مرجع با سیگنال مورد نیاز تا جای ممکن کم است. نتیجه یک طراحی موفق بهبود دادن مقدار ضریب توان و THD، همراه با داشتن ولتاژ خروجی ثابت است. ولتاژ و جریان AC یک مبدل PFC بوست در تصویر زیر نشان داده شده است.

همان طور که در تصویر مشاهده می کنید، ولتاژ و جریان از لحاظ فاز بسیار به یکدیگر نزدیک هستند و جریان شکل تقریبا سینوسی را همراه با مقدار کمی اعوجاج دارد. آنالیز این سیستم نشان می دهد که مقدار ضریب توان برابر با 0.99 و مقدار THD کمتر از 10%  می باشد. این اعداد نشان می دهند که کیفیت توان بسیار خوب بوده و مطابق با استاندارد های IEC-61000-3-2 و Energy Star 80 Plaus می باشند.