به نام آفریننده نور
با سلام خدمت دوستان عزیز.
یکی از موضوعاتی که اخیرا در پاور کامپیوتر مورد توجه قرار گرفته است بحث PFC و مسایل مربوط به آن است . بنابراین سعی شده تا در مقاله ذیل شما سروران را با پارامترهای مختلف PFC آشنا نمایم . البته این مقاله جهت دوستان کامپیوتری تهیه شده است و بنابراین مطالبی نیز جهت آشنایی با المان ها ، توان و ضریب توان در ابتدا ذکر شده که مطمئنا برای شما تازگی ندارد ولی دستکم جهت یادآوری می تواند تا حدودی مفید باشد .
با سپاس از توجه شما .
محمد رضا شیرخان
در کل مدارات الکترونیکی از سه المان پایه تشکیل شده اند که تمامی قطعات درون مدارات را می توان توسط این سه المان مدل سازی نمود . این سه المان عبارتند از مقاومت ، خازن و سلف.مقاومت در حقیقت مصرف کننده انرژی الکتریکی در مدار می باشد و خازن و سلف عناصر ذخیره ساز انرژی . بدین صورت که در مواقعی انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می سازند (شارژ) و در مواقعی دیگر نیز این انرژی را تخلیه می نمایند (دشارژ) . همچنین سلف المان ذخیره ساز جریان و خازن المان ذخیره ساز ولتاژ می باشد.
در مدارات DC در ابتدای ورود جریان DC به مدار این المان ها شارژ شده و خازن ها به مدار باز و سلف ها به اتصال کوتاه تبدیل می شوند و مدار کاملا به صورت مقاومتی خواهد شد . ولی در مدارات AC ولتاژ ورودی به صورت سینوسی و با فرکانس مشخص (معمولا 50Hzدر برق شهری ما) می باشد .شکل موج ولتاژ وجریان مدارات مقاومتی در حالت AC فقط در اندازه متفاوت هستند و کاملا شبیه یکدیگر می باشند یعنی حداکثرها ها و حداقل های دو نمودار در یک زمان رخ می دهد در نتیجه می توان آنها را هم فاز نامید . ولی بر خلاف این مدارات ، در مدار هایی که دارای عناصر ذخیره ساز انرژی می باشند ، شکل موج سینوسی جریان بر حسب زمان نسبت به مقدار این المان ها برای مدارات خازنی جلو تر و برای مدارات سلفی عقب تر از شکل موج ولتاژ قرار می گیرد و این واکنش به علت خاصیت ذخیره سازی آنها روی می دهد، بدین ترتیب بین ولتاژ و جریان اختلاف فاز ایجاد می گردد.
خواص سلف و خازن به گونه ای است که دوگان یکدیگر نیز نامیده می شوند یعنی با روابط خاص بین آنها در مدار تشدید رخ می دهد و این دو اثر همدیگر را خنثی می سازند و مدار به یک مدار مقاومتی خالص تبدیل می شود.
آشنایی با توانهای مختلف مدارات الکترونیکی
در مدارات الکتریکی انواع مختلفی از توان الکتریکی تعریف می شود که در ذیل به آنها اشاره می شود :
توان لحظه ای : توانی است که از ضرب ولتاژ و جریان در یک لحظه خاص بدست می آید .
توان فعال (Active) : توانی است که صرفا توسط یک بار مقاومتی مصرف می گردد و واحد اندازه گیری آن وات می باشد . توان اکتیو تماما به مصرف کار مفید می رسد و جهت تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت یا گرما به کار می رود .
توان پسیو (Reactive) : از آنجایی که جز اصلی بار های واقعی خاصیت القایی و خازنی می باشد توان راکتیو نیز همراه با توان اکتیو مصرف می گردد . این توان که با واحد VAR (ولت آمپر راکتیو) اندازه گیری می شود توسط بار مصرف نمی گردد و صرف تولید میدان مغناطیسی و ذخیره انرژی در عناصر ذخیره ساز می شود . زیرا انرژی دریافتی در یک نیم سیکل در نیم سیکل بعدی به استثنای تلفاتی که در سیم ها اتفاق می افتد به طور کامل به شبکه باز می گردد و در نتیجه تنها منجر به افزایش حرارت قطعات می گردد . بنابراین می توان گفت این توان مطلقا بی فایده است و باید برای حذف آن از روش های گوناگونی استفاده نمود .
توان ظاهری (توان کل) : توان مجموعی است که از شبکه دریافت می شود . این توان جمع برداری توان اکتیو و راکتیو می باشد و بر حسب ولت آمپر اندازه گیری می شود . (شکل 2)
همانطور که مشاهده می نمایید بین توان اکتیو و توان ظاهری زاویه ای به نام φ وجود دارد که مقدار آن برابر اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان در مدارات سلفی و خازنی حالت AC می باشد .
مسلما برای ما بهتر می باشد که تمام توانی که از شبکه در یافت می کنیم صرف انجام کار مفید شود تا اینکه بخشی از آن به واسطه شارژ و دشارژهای متوالی درون قطعات تلف شود . بنابراین باید مصرف توان راکتیو را در مدار به حداقل رساند و توان ظاهری را به توان اکتیو نزدیک نمود با این عمل در حقیقت با خنثی نمودن اثر سلف ها و خازن های مدار اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان حذف شده و مدار به یک مدار صرفا مقاومتی بدل می گردد و تمامی توان در یافتی از شبکه به مصرف کار مفید می رسد .
ضریب توان (Power Factor) چیست؟
ضریب توان در حقیقت نسبت توان اکتیو به توان ظاهری است . همچنین طبق روابط زیر برابر کسینوس زاویه اختلاف فاز ولتاژ و جریان (در حالتی که هر دو شکل موج ولتاژ و جریان سینوسی خالص باشند) می باشد .
در حال حاضر به علت وجود المان های سوئیچینگ در برخی مدارات شکل موج جریان اکثر آنها به دلیل وجود هارمونیک های جریان ، سینوسی نمی باشد . بنابراین در این حالات برای ضریب توان دو عامل مطرح می گردد :
• عامل جابجایی که همان زاویه اختلاف فاز بین شکل موج ولتاژ و جریان می باشد .
• عامل اعوجاج که وابسته به اعوجاج شکل موج حاصل از ورود هارمونیک ها می باشد .
در این مواقع ضریب توان بدین صورت بدست می آید .
کم شدن ضریب توان به سمت صفر علاوه بر افزایش تلفات، باعث حرکت هارمونیک های جریان در خط خنثی شده و موجب اختلال در کارکرد سایر وسایل الکترونیکی می گردد . بنابراین متوجه می شویم که ضریب توان هر چه به عدد یک نزدیک تر باشد (زاویه اختلاف فاز کمتر و توان اکتیو به توان ظاهری نزدیک تر ) مقدار توان غیر مفید "راکتیو" کاهش می یابد .
برای انجام این مهم از مداراتی به نام (Power Factor Correction)PFC یا تصحیح ضریب توان استفاده می گردد که وظیفه آنها حذف هارمونیک ها ، به حداقل رساندن اعوجاج و کاهش اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان به صورت یک شبیه ساز مقاومت می باشد .
در حال حاضر استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ به طور چشمگیری افزایش یافته است . یکی از کاربرد های این منابع تغذیه سوئیچینگ، پاور کامپیوترهای شخصی می باشد و استاندارد ها و تاییدیه های مختلف روی موضوع PFC در پاور ها تاکید ویژه ای دارند .
مدارات PFC پاور ها مانند سایر منابع تغذیه سوئیچینگ وظیفه افزایش ضریب توان و نزدیک نمودن آن به عدد یک را دارند . پاور ها به دلیل وجود خازن های با ظرفیت بالا در ورودی جهت جبران ریپل ورودی ، ذاتا دارای خاصیت خازنی بالایی هستند و بین ولتاژ و جریان ورودی آنها اختلاف فاز قابل توجهی وجود دارد. پس این خاصیت خازنی باید به طریقی خنثی گردد تا مدار به صورت یک بار مقاومتی به نظر برسد. همچنین به دلیل کلید زنی سریع المان های نیمه هادی قدرت و غیر خطی بودن این عناصر در شکل موج جریان، به واسطه وجود هارمونیکهای فرکانس بالاتر، اعوجاج به وجود می آید . همانطور که می دانید، تنها هارمونیک اصلی جریان در انتقال انرژی خالص به بار نقش دارد و سایر هارمونیک ها در این رابطه نقشی ندارند. در نتیجه هارمونیک های اضافی نیز باید به طریقی حذف گردند .
همانگونه که ذکر شد یک پاور بدون PFC به دلیل خازن های بزرگ ورودی مانند یک بار بزرگ خازنی عمل می کند . این خازن ها که بعد از پل دیودی قرار می گیرند طبق شکل 2 در یک چهارم اول موج ولتاژ به اندازه پیک ولتاژ شارژ می شوند . سپس در این هنگام ولتاژ ورودی به سرعت افت پیدا می کند (یک چهارم دوم) و خازن به آرامی درون بار دشارژ می گردد (شکل 3)در این حالت کماکان ولتاژ خازن بزرگتر از ولتاژ شبکه است و جریان شارژ خازن توسط دیود های یکسو ساز قطع می باشد و تا زمانی که ولتاژ شبکه در نیم سیکل پنجم بزرگتر از ولتاژ خازن شد ادامه می یابد . در نیم سیکل پنجم خازن بار دیگر به اندازه پیک ولتاژ شارژ می گردد .
بنابراین همانطور که درنمودار ملاحظه می نمایید به علت وجود این خازن تنها در پالس با پهنای باریک از شبکه بهره برداری می گردد .
آشنایی با حالات مختلف تصحیح ضریب توان (PFC)
Non PFC :
خط سبز در اسیلوگرام بالا ولتاژ شبکه را مشخص می سازد و خط قرمز نیزجریانی را که توسط پاوراز شبکه مصرف شده است را نمایش می دهد . در اینجا ضریب توان تقریبا برابر 0.7 می باشد در حقیقت در حدود یک سوم توان صرف گرم شدن کابل ها می شود بدون اینکه هیچ کار مفیدی انجام شود . کاربران خانگی نباید از این عدد احساس نگرانی کنند زیرا کنتورهای خانگی فقط توان اکتیو را اندازه گیری می نمایند ، اما ضریب توان پایین ممکن است برای دفاترو اتاق های بزرگ که در آنها از تعداد زیادی کامپیوتر به طور همزمان استفاده می گردد ، ایجاد مشکل نماید . زیرا سیم ها و تجهیزات جانبی در حالت حداکثر بار عمل می کنند . همچنین ضریب توان پایین درانتخابUPS تاثیر دارد زیرا این وسایل نسبت به توان اکتیو محدودیت دارند .
Passive PFC :
در اینجا مشخص می شود که وسایل تصحیح ضریب توان چرا اینقدر مورد اقبال قرار گرفته اند . یکی از ساده ترین و گسترده ترین ابزاری که وظیفه PFC را انجام می دهد ، به آن PFC پسیو گفته می شود ، یک سلف (چوک ) معمولی است که اندوکتانس نسبتا بالایی دارد و به صورت سری با مدار پاور ساپلای قرار می گیرد .
این اسیلوگرام نشان می دهد در این حالت ابزار Passive PFC ، پالس های الکتریکی جریان را تا حدی به طرف خارج هموار و در زمان منبسط نموده است اما اندوکتانس چوکی که درون پاور قرار دارد نمی تواند به صورت جدی تاثیری روی ضریب توان داشته باشد . بنابراین ضریب توان پاور در این حالت در حدود 0.75 می باشد .
نه تنها اندازه سلف ، بلکه تاثیر آن در عملکرد پاور به ما اجازه استفاده از سلفی با اندوکتانس بالا تر را نمی دهد . اندوکتانس بزرگی که به صورت سری به پاور متصل شده است مشخصات دینامیکی آن را خراب می کند . در حقیقت واکنش آن به تغییرات سریع بار همچنین نوسانات ناگهانی شبکه توان تحت تاثیر قرار می گیرد . علاوه بر این استفاده از این سلف باعث اثرات مخرب گرمایشی ، ارتعاشی و الکترومغناطیسی نیز خواهد شد. سلف می تواندهارمونیکها البته فقط از نوع فرکانس پایین آنها راخنثی نماید زیرا به علت اندوکتانس بالا نویز های فرکانس بالا را از خود عبور می دهد .بنابراین نقش Passive PFC مبهم است ، از طرفی ضریب توان را کمی افزایش می دهد ولی خصوصیات دینامیک پاور را خراب می کند . بنابراین هنگام انتخاب بین دو پاور با Passive PFC و PFC Non شما باید انتخاب خود را بر اساس مولفه های دیگری که مهم تر از بودن یا نبودن Passive PFC است ، انجام دهید .
Active PFC :
برخلاف Passive PFC ، در حال حاضر قطعات Active PFC درمنابع تغذیه سوئیچینگ کاهنده ولتاژ استفاده می شوند . Active PFC بین شبکه توان و رگولاتور اصلی متصل می گردد و یک ولتاژ ثابت بین 380 تا 400 ولت در ورودی پاور تولید می نماید . بر خلاف رگولاتور اصلی سوئیچینگ ، قطعه Active PFC برای حالتی در نظر گرفته شده است که در ورودی خود به ولتاژی با سطح هموار نیاز ندارد و بنابراین پاور نیازی به خازن با ظرفیت های بالا نخواهد داشت ( در این روش ظرفیت خازنها تا کمترین میزان خود، متناسب با توان کلی پاور کاهش می یابد). در نتیجه پاورهای سوئیچینگ Active PFC در مدار خود بار خازنی ندارند و در نتیجه ضریب توانی نزدیک 1 دارند .
همانطور که می بینید ، نمودار جریانی که توسط پاور با Active PFC مصرف شده است کمی با مصرف یک بار مقاومتی عادی تفاوت دارد .(ضریب توان چنین پاوری در full load در حدود 0.95- 0.99 می باشد ).
مقایسه حالات مختلف تصحیح ضریب توان - سخن آخر
نمودار زیر نتایج آزمایش شده مربوط به ضریب توان در بار را برای 3 نوع پاور نمایش می دهد :
گذشته از ایجاد ضریب توان نزدیک به ایده آل ، Active PFC برخلاف Passive PFC عملکرد پاور را بهبود می بخشد. در ابتدا ولتاژ ورودی رگولاتور اصلی پاور را به صورت خودکار تنظیم می نماید بنابراین پاور حساسیت کمتری نسبت به افت ولتاژ شبکه پیدا خواهد کرد و طراحی پاور برای ولتاژ ورودی سراسری 110-230 ساده تر خواهد شد و دیگر نیازی به سوئیچ دستی نمی باشد .
دوما ، Active PFC قدرت واکنش پاور در برابر افت ولتاژهای کوتاه مدت AC را می افزاید . در چنین زمانی پاور با استفاده از قدرت خازن های درون یکسو ساز HIGH-VOLTAGE به کار خود ادامه می دهد ، که این قدرت با توان دوم ولتاژ آنها نسبت دارد . بنابر این بازده این خازن ها به بیشتر از نصف افزایش می یابد .
در مقابل تمامی این حسنات ، فقط به دو مورد در اکتیو PFC انتقاد شده است : اول اینکه مانند پیچیدگی های سایر طراحی ها ، باعث کاهش قابلیت اطمینان پاور می شود و دوم اینکه راندمان قطعه PFC 100 درصد نیست. بنابراین اندکی باعث افزایش حرارت پاور می شود . ولی با این حساب مزایای Active PFC این انتقادات را برطرف می سازد .
در نهایت ،اگر شما به یک پاور با تصحیح ضریب توان نیاز دارید ، باید ابتدا مدلی را با Active PFC بررسی نمایید .این مدل ها ضریب توان قابل توجهی دارند و دیگر خصوصیات پاور را نیز بهبود می بخشند . از نظر کاربران خانگی ، پاورهایی با Active PFC باعث سهولت کار برای دارندگان UPS های کم توان نیز می شود . فرض نمایید شما یک UPS 500 VA در اختیار دارید ، 50 VA توسط مانیتور LCD شما مصرف می شود و 450 VA برای سیستمتان باقی می ماند . حال اگر شما بخواهید سیستم خود را به روز نمایید و بدانید که این پیکر بندی جدید ممکن است در حالت ماکزیمم بالاتر از 300 وات از پاور مصرف داشته باشد ، در این مورد پاوری با ضریب توان 0.7 وضریب راندمان 80 درصد (این اعداد نوعی ، برای یک پاور خوب است ) مصرف کل توان 500 VA = 300/(0.75*0.8) را در بر دارد ، حال آنکه اگر همان پاور با ضریب توان 0.95 استفاده گردد 300/(0.95*0.8)=395 VA مصرف خواهد کرد . همانطور که مشاهده می نمایید ، برای پاور ساپلای Non PFC , Passive PFC شما مجبور به عوض کردن UPS خود می باشید. زیرا UPS موجود نمی تواند این بار را تحمل کند ولی با پاور Active PFC یک ذخیره کم در حدود 55 VA برای شما باقی می ماند .
در پایان این بخش از مقاله ، تفاوت بین دو موضوع زیر را مد نظر داشته باشید . ضریب توان و ضریب راندمان . این دو موضوع ، دو مبحث کاملا متفاوت را مطرح می کنند . ضریب راندمان نسبت توان خروجی پاور به توان فعالی است که پاور از شبکه دریافت می کند . ضریب توان نسبت توان اکتیو مصرف شده از شبکه است به کل توانی که پاور از شبکه دریافت می کند . مدار PFC در پاور به طور غیر مستقیم بر روی مقدار توان اکتیو مصرفی تاثیر دارد زیرا پاور علاوه بر ولتاژِ که رگولاتور اصلی تغییر می دهد ، مقداری توان مصرف می نماید . هدف اصلی PFC کاهش مصرف توان راکتیو توسط منبع تغذیه می باشد ولی توان راکتیو هنگام محاسبه ضریب راندمان حساب نمی شود . بنابراین هیچ ارتباط مستقیمی بین ضریب توان و ضریب راندمان وجود ندارد ولی به طور غیر مستقیم و به واسطه بهبود در عملکرد سیستم، موجب افزایش ضریب راندمان می گردد.
سخن پایانی
متاسفانه امروزه مشاهده می شود که گاها مصرف کنندگان از سرناگاهی برای موضوع PFC در حالت Passive اهمیت ویژه ای قائل می شوند و با توجه به تفاوت قیمت و کارآیی ناچیز Passive PFC در مقایسه Non PFC اکثر واردکنندگان محترم پاور در ایران با تعبیه Passive PFC برروی پاورهای خود ، اقدام به عرضه آن می نمایند و مصرف کننده نیز با توجه به عدم شناخت کافی از این موضوع و صرفا به واسطه قید PFC اقدام به تهیه آن می نماید. توصیه می شود اگر برای موضوع PFC اهمیت قائل هستید ، به نوع آن توجه ویژه ای داشته باشید و سعی نمایید از حالت Active PFC استفاده فرمایید.
با تشکر از دوست عزیزم مهندس عمرانی
با سلام خدمت دوستان عزیز.
یکی از موضوعاتی که اخیرا در پاور کامپیوتر مورد توجه قرار گرفته است بحث PFC و مسایل مربوط به آن است . بنابراین سعی شده تا در مقاله ذیل شما سروران را با پارامترهای مختلف PFC آشنا نمایم . البته این مقاله جهت دوستان کامپیوتری تهیه شده است و بنابراین مطالبی نیز جهت آشنایی با المان ها ، توان و ضریب توان در ابتدا ذکر شده که مطمئنا برای شما تازگی ندارد ولی دستکم جهت یادآوری می تواند تا حدودی مفید باشد .
با سپاس از توجه شما .
محمد رضا شیرخان
در کل مدارات الکترونیکی از سه المان پایه تشکیل شده اند که تمامی قطعات درون مدارات را می توان توسط این سه المان مدل سازی نمود . این سه المان عبارتند از مقاومت ، خازن و سلف.مقاومت در حقیقت مصرف کننده انرژی الکتریکی در مدار می باشد و خازن و سلف عناصر ذخیره ساز انرژی . بدین صورت که در مواقعی انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می سازند (شارژ) و در مواقعی دیگر نیز این انرژی را تخلیه می نمایند (دشارژ) . همچنین سلف المان ذخیره ساز جریان و خازن المان ذخیره ساز ولتاژ می باشد.
در مدارات DC در ابتدای ورود جریان DC به مدار این المان ها شارژ شده و خازن ها به مدار باز و سلف ها به اتصال کوتاه تبدیل می شوند و مدار کاملا به صورت مقاومتی خواهد شد . ولی در مدارات AC ولتاژ ورودی به صورت سینوسی و با فرکانس مشخص (معمولا 50Hzدر برق شهری ما) می باشد .شکل موج ولتاژ وجریان مدارات مقاومتی در حالت AC فقط در اندازه متفاوت هستند و کاملا شبیه یکدیگر می باشند یعنی حداکثرها ها و حداقل های دو نمودار در یک زمان رخ می دهد در نتیجه می توان آنها را هم فاز نامید . ولی بر خلاف این مدارات ، در مدار هایی که دارای عناصر ذخیره ساز انرژی می باشند ، شکل موج سینوسی جریان بر حسب زمان نسبت به مقدار این المان ها برای مدارات خازنی جلو تر و برای مدارات سلفی عقب تر از شکل موج ولتاژ قرار می گیرد و این واکنش به علت خاصیت ذخیره سازی آنها روی می دهد، بدین ترتیب بین ولتاژ و جریان اختلاف فاز ایجاد می گردد.
آشنایی با توانهای مختلف مدارات الکترونیکی
در مدارات الکتریکی انواع مختلفی از توان الکتریکی تعریف می شود که در ذیل به آنها اشاره می شود :
توان لحظه ای : توانی است که از ضرب ولتاژ و جریان در یک لحظه خاص بدست می آید .
توان فعال (Active) : توانی است که صرفا توسط یک بار مقاومتی مصرف می گردد و واحد اندازه گیری آن وات می باشد . توان اکتیو تماما به مصرف کار مفید می رسد و جهت تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت یا گرما به کار می رود .
توان پسیو (Reactive) : از آنجایی که جز اصلی بار های واقعی خاصیت القایی و خازنی می باشد توان راکتیو نیز همراه با توان اکتیو مصرف می گردد . این توان که با واحد VAR (ولت آمپر راکتیو) اندازه گیری می شود توسط بار مصرف نمی گردد و صرف تولید میدان مغناطیسی و ذخیره انرژی در عناصر ذخیره ساز می شود . زیرا انرژی دریافتی در یک نیم سیکل در نیم سیکل بعدی به استثنای تلفاتی که در سیم ها اتفاق می افتد به طور کامل به شبکه باز می گردد و در نتیجه تنها منجر به افزایش حرارت قطعات می گردد . بنابراین می توان گفت این توان مطلقا بی فایده است و باید برای حذف آن از روش های گوناگونی استفاده نمود .
توان ظاهری (توان کل) : توان مجموعی است که از شبکه دریافت می شود . این توان جمع برداری توان اکتیو و راکتیو می باشد و بر حسب ولت آمپر اندازه گیری می شود . (شکل 2)
همانطور که مشاهده می نمایید بین توان اکتیو و توان ظاهری زاویه ای به نام φ وجود دارد که مقدار آن برابر اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان در مدارات سلفی و خازنی حالت AC می باشد .
مسلما برای ما بهتر می باشد که تمام توانی که از شبکه در یافت می کنیم صرف انجام کار مفید شود تا اینکه بخشی از آن به واسطه شارژ و دشارژهای متوالی درون قطعات تلف شود . بنابراین باید مصرف توان راکتیو را در مدار به حداقل رساند و توان ظاهری را به توان اکتیو نزدیک نمود با این عمل در حقیقت با خنثی نمودن اثر سلف ها و خازن های مدار اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان حذف شده و مدار به یک مدار صرفا مقاومتی بدل می گردد و تمامی توان در یافتی از شبکه به مصرف کار مفید می رسد .
ضریب توان (Power Factor) چیست؟
ضریب توان در حقیقت نسبت توان اکتیو به توان ظاهری است . همچنین طبق روابط زیر برابر کسینوس زاویه اختلاف فاز ولتاژ و جریان (در حالتی که هر دو شکل موج ولتاژ و جریان سینوسی خالص باشند) می باشد .
در حال حاضر به علت وجود المان های سوئیچینگ در برخی مدارات شکل موج جریان اکثر آنها به دلیل وجود هارمونیک های جریان ، سینوسی نمی باشد . بنابراین در این حالات برای ضریب توان دو عامل مطرح می گردد :
• عامل جابجایی که همان زاویه اختلاف فاز بین شکل موج ولتاژ و جریان می باشد .
• عامل اعوجاج که وابسته به اعوجاج شکل موج حاصل از ورود هارمونیک ها می باشد .
در این مواقع ضریب توان بدین صورت بدست می آید .
کم شدن ضریب توان به سمت صفر علاوه بر افزایش تلفات، باعث حرکت هارمونیک های جریان در خط خنثی شده و موجب اختلال در کارکرد سایر وسایل الکترونیکی می گردد . بنابراین متوجه می شویم که ضریب توان هر چه به عدد یک نزدیک تر باشد (زاویه اختلاف فاز کمتر و توان اکتیو به توان ظاهری نزدیک تر ) مقدار توان غیر مفید "راکتیو" کاهش می یابد .
برای انجام این مهم از مداراتی به نام (Power Factor Correction)PFC یا تصحیح ضریب توان استفاده می گردد که وظیفه آنها حذف هارمونیک ها ، به حداقل رساندن اعوجاج و کاهش اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان به صورت یک شبیه ساز مقاومت می باشد .
در حال حاضر استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ به طور چشمگیری افزایش یافته است . یکی از کاربرد های این منابع تغذیه سوئیچینگ، پاور کامپیوترهای شخصی می باشد و استاندارد ها و تاییدیه های مختلف روی موضوع PFC در پاور ها تاکید ویژه ای دارند .
مدارات PFC پاور ها مانند سایر منابع تغذیه سوئیچینگ وظیفه افزایش ضریب توان و نزدیک نمودن آن به عدد یک را دارند . پاور ها به دلیل وجود خازن های با ظرفیت بالا در ورودی جهت جبران ریپل ورودی ، ذاتا دارای خاصیت خازنی بالایی هستند و بین ولتاژ و جریان ورودی آنها اختلاف فاز قابل توجهی وجود دارد. پس این خاصیت خازنی باید به طریقی خنثی گردد تا مدار به صورت یک بار مقاومتی به نظر برسد. همچنین به دلیل کلید زنی سریع المان های نیمه هادی قدرت و غیر خطی بودن این عناصر در شکل موج جریان، به واسطه وجود هارمونیکهای فرکانس بالاتر، اعوجاج به وجود می آید . همانطور که می دانید، تنها هارمونیک اصلی جریان در انتقال انرژی خالص به بار نقش دارد و سایر هارمونیک ها در این رابطه نقشی ندارند. در نتیجه هارمونیک های اضافی نیز باید به طریقی حذف گردند .
همانگونه که ذکر شد یک پاور بدون PFC به دلیل خازن های بزرگ ورودی مانند یک بار بزرگ خازنی عمل می کند . این خازن ها که بعد از پل دیودی قرار می گیرند طبق شکل 2 در یک چهارم اول موج ولتاژ به اندازه پیک ولتاژ شارژ می شوند . سپس در این هنگام ولتاژ ورودی به سرعت افت پیدا می کند (یک چهارم دوم) و خازن به آرامی درون بار دشارژ می گردد (شکل 3)در این حالت کماکان ولتاژ خازن بزرگتر از ولتاژ شبکه است و جریان شارژ خازن توسط دیود های یکسو ساز قطع می باشد و تا زمانی که ولتاژ شبکه در نیم سیکل پنجم بزرگتر از ولتاژ خازن شد ادامه می یابد . در نیم سیکل پنجم خازن بار دیگر به اندازه پیک ولتاژ شارژ می گردد .
بنابراین همانطور که درنمودار ملاحظه می نمایید به علت وجود این خازن تنها در پالس با پهنای باریک از شبکه بهره برداری می گردد .
آشنایی با حالات مختلف تصحیح ضریب توان (PFC)
Non PFC :
خط سبز در اسیلوگرام بالا ولتاژ شبکه را مشخص می سازد و خط قرمز نیزجریانی را که توسط پاوراز شبکه مصرف شده است را نمایش می دهد . در اینجا ضریب توان تقریبا برابر 0.7 می باشد در حقیقت در حدود یک سوم توان صرف گرم شدن کابل ها می شود بدون اینکه هیچ کار مفیدی انجام شود . کاربران خانگی نباید از این عدد احساس نگرانی کنند زیرا کنتورهای خانگی فقط توان اکتیو را اندازه گیری می نمایند ، اما ضریب توان پایین ممکن است برای دفاترو اتاق های بزرگ که در آنها از تعداد زیادی کامپیوتر به طور همزمان استفاده می گردد ، ایجاد مشکل نماید . زیرا سیم ها و تجهیزات جانبی در حالت حداکثر بار عمل می کنند . همچنین ضریب توان پایین درانتخابUPS تاثیر دارد زیرا این وسایل نسبت به توان اکتیو محدودیت دارند .
Passive PFC :
در اینجا مشخص می شود که وسایل تصحیح ضریب توان چرا اینقدر مورد اقبال قرار گرفته اند . یکی از ساده ترین و گسترده ترین ابزاری که وظیفه PFC را انجام می دهد ، به آن PFC پسیو گفته می شود ، یک سلف (چوک ) معمولی است که اندوکتانس نسبتا بالایی دارد و به صورت سری با مدار پاور ساپلای قرار می گیرد .
این اسیلوگرام نشان می دهد در این حالت ابزار Passive PFC ، پالس های الکتریکی جریان را تا حدی به طرف خارج هموار و در زمان منبسط نموده است اما اندوکتانس چوکی که درون پاور قرار دارد نمی تواند به صورت جدی تاثیری روی ضریب توان داشته باشد . بنابراین ضریب توان پاور در این حالت در حدود 0.75 می باشد .
نه تنها اندازه سلف ، بلکه تاثیر آن در عملکرد پاور به ما اجازه استفاده از سلفی با اندوکتانس بالا تر را نمی دهد . اندوکتانس بزرگی که به صورت سری به پاور متصل شده است مشخصات دینامیکی آن را خراب می کند . در حقیقت واکنش آن به تغییرات سریع بار همچنین نوسانات ناگهانی شبکه توان تحت تاثیر قرار می گیرد . علاوه بر این استفاده از این سلف باعث اثرات مخرب گرمایشی ، ارتعاشی و الکترومغناطیسی نیز خواهد شد. سلف می تواندهارمونیکها البته فقط از نوع فرکانس پایین آنها راخنثی نماید زیرا به علت اندوکتانس بالا نویز های فرکانس بالا را از خود عبور می دهد .بنابراین نقش Passive PFC مبهم است ، از طرفی ضریب توان را کمی افزایش می دهد ولی خصوصیات دینامیک پاور را خراب می کند . بنابراین هنگام انتخاب بین دو پاور با Passive PFC و PFC Non شما باید انتخاب خود را بر اساس مولفه های دیگری که مهم تر از بودن یا نبودن Passive PFC است ، انجام دهید .
Active PFC :
برخلاف Passive PFC ، در حال حاضر قطعات Active PFC درمنابع تغذیه سوئیچینگ کاهنده ولتاژ استفاده می شوند . Active PFC بین شبکه توان و رگولاتور اصلی متصل می گردد و یک ولتاژ ثابت بین 380 تا 400 ولت در ورودی پاور تولید می نماید . بر خلاف رگولاتور اصلی سوئیچینگ ، قطعه Active PFC برای حالتی در نظر گرفته شده است که در ورودی خود به ولتاژی با سطح هموار نیاز ندارد و بنابراین پاور نیازی به خازن با ظرفیت های بالا نخواهد داشت ( در این روش ظرفیت خازنها تا کمترین میزان خود، متناسب با توان کلی پاور کاهش می یابد). در نتیجه پاورهای سوئیچینگ Active PFC در مدار خود بار خازنی ندارند و در نتیجه ضریب توانی نزدیک 1 دارند .
همانطور که می بینید ، نمودار جریانی که توسط پاور با Active PFC مصرف شده است کمی با مصرف یک بار مقاومتی عادی تفاوت دارد .(ضریب توان چنین پاوری در full load در حدود 0.95- 0.99 می باشد ).
مقایسه حالات مختلف تصحیح ضریب توان - سخن آخر
نمودار زیر نتایج آزمایش شده مربوط به ضریب توان در بار را برای 3 نوع پاور نمایش می دهد :
گذشته از ایجاد ضریب توان نزدیک به ایده آل ، Active PFC برخلاف Passive PFC عملکرد پاور را بهبود می بخشد. در ابتدا ولتاژ ورودی رگولاتور اصلی پاور را به صورت خودکار تنظیم می نماید بنابراین پاور حساسیت کمتری نسبت به افت ولتاژ شبکه پیدا خواهد کرد و طراحی پاور برای ولتاژ ورودی سراسری 110-230 ساده تر خواهد شد و دیگر نیازی به سوئیچ دستی نمی باشد .
دوما ، Active PFC قدرت واکنش پاور در برابر افت ولتاژهای کوتاه مدت AC را می افزاید . در چنین زمانی پاور با استفاده از قدرت خازن های درون یکسو ساز HIGH-VOLTAGE به کار خود ادامه می دهد ، که این قدرت با توان دوم ولتاژ آنها نسبت دارد . بنابر این بازده این خازن ها به بیشتر از نصف افزایش می یابد .
در مقابل تمامی این حسنات ، فقط به دو مورد در اکتیو PFC انتقاد شده است : اول اینکه مانند پیچیدگی های سایر طراحی ها ، باعث کاهش قابلیت اطمینان پاور می شود و دوم اینکه راندمان قطعه PFC 100 درصد نیست. بنابراین اندکی باعث افزایش حرارت پاور می شود . ولی با این حساب مزایای Active PFC این انتقادات را برطرف می سازد .
در نهایت ،اگر شما به یک پاور با تصحیح ضریب توان نیاز دارید ، باید ابتدا مدلی را با Active PFC بررسی نمایید .این مدل ها ضریب توان قابل توجهی دارند و دیگر خصوصیات پاور را نیز بهبود می بخشند . از نظر کاربران خانگی ، پاورهایی با Active PFC باعث سهولت کار برای دارندگان UPS های کم توان نیز می شود . فرض نمایید شما یک UPS 500 VA در اختیار دارید ، 50 VA توسط مانیتور LCD شما مصرف می شود و 450 VA برای سیستمتان باقی می ماند . حال اگر شما بخواهید سیستم خود را به روز نمایید و بدانید که این پیکر بندی جدید ممکن است در حالت ماکزیمم بالاتر از 300 وات از پاور مصرف داشته باشد ، در این مورد پاوری با ضریب توان 0.7 وضریب راندمان 80 درصد (این اعداد نوعی ، برای یک پاور خوب است ) مصرف کل توان 500 VA = 300/(0.75*0.8) را در بر دارد ، حال آنکه اگر همان پاور با ضریب توان 0.95 استفاده گردد 300/(0.95*0.8)=395 VA مصرف خواهد کرد . همانطور که مشاهده می نمایید ، برای پاور ساپلای Non PFC , Passive PFC شما مجبور به عوض کردن UPS خود می باشید. زیرا UPS موجود نمی تواند این بار را تحمل کند ولی با پاور Active PFC یک ذخیره کم در حدود 55 VA برای شما باقی می ماند .
در پایان این بخش از مقاله ، تفاوت بین دو موضوع زیر را مد نظر داشته باشید . ضریب توان و ضریب راندمان . این دو موضوع ، دو مبحث کاملا متفاوت را مطرح می کنند . ضریب راندمان نسبت توان خروجی پاور به توان فعالی است که پاور از شبکه دریافت می کند . ضریب توان نسبت توان اکتیو مصرف شده از شبکه است به کل توانی که پاور از شبکه دریافت می کند . مدار PFC در پاور به طور غیر مستقیم بر روی مقدار توان اکتیو مصرفی تاثیر دارد زیرا پاور علاوه بر ولتاژِ که رگولاتور اصلی تغییر می دهد ، مقداری توان مصرف می نماید . هدف اصلی PFC کاهش مصرف توان راکتیو توسط منبع تغذیه می باشد ولی توان راکتیو هنگام محاسبه ضریب راندمان حساب نمی شود . بنابراین هیچ ارتباط مستقیمی بین ضریب توان و ضریب راندمان وجود ندارد ولی به طور غیر مستقیم و به واسطه بهبود در عملکرد سیستم، موجب افزایش ضریب راندمان می گردد.
سخن پایانی
متاسفانه امروزه مشاهده می شود که گاها مصرف کنندگان از سرناگاهی برای موضوع PFC در حالت Passive اهمیت ویژه ای قائل می شوند و با توجه به تفاوت قیمت و کارآیی ناچیز Passive PFC در مقایسه Non PFC اکثر واردکنندگان محترم پاور در ایران با تعبیه Passive PFC برروی پاورهای خود ، اقدام به عرضه آن می نمایند و مصرف کننده نیز با توجه به عدم شناخت کافی از این موضوع و صرفا به واسطه قید PFC اقدام به تهیه آن می نماید. توصیه می شود اگر برای موضوع PFC اهمیت قائل هستید ، به نوع آن توجه ویژه ای داشته باشید و سعی نمایید از حالت Active PFC استفاده فرمایید.
با تشکر از دوست عزیزم مهندس عمرانی
دیدگاه