医療機器の力率を決定する方法とその理由

交流 (AC) 電力を使用するのはなぜですか?なぜ電力会社は配電しないのか 直流 (DC) 電源。現代の家電製品では通常、最初に行うことがあるからです。 ACをDCに変換しますか？これらの質問に対する答えは、 の努力に遡ります。 トーマス エジソン 彼の白熱灯を宣伝し、ニューヨークを興奮させましょう。 エジソンの発電機は DC 電力を生成し、地域の配電には問題なく機能しましたが、必要な電力が必要でした。 数ブロック以上離れた場所にある負荷に電力を供給するための非常に大きなケーブルか、発電所を設置するかのどちらかです。 数ブロック。これは、最終用途で実用的な電圧では、大電流が必要となるためです。 小さなエリアだけでなく、より広範囲に電力を供給します。ジョージ・ウェスティングハウスが支援するニコラ・テスラの登場です。 数ブロックごとに低圧変電所を備えた高圧交流送電線を推進した。 ローカル配布。重要な違いは、変電所には変圧器のみが必要だったことです。 一方、DC ソリューションには完全な蒸気動力の発電所が必要でした。 最終的に、ウェスチングハウスは、水力発電所を建設したときに起こった戦争を解決しました。 ナイアグラの滝は何百マイルも離れた場所に荷物を供給することができました。ただし、数少ない中では、 非常に長いポイントツーポイント伝送線路では、バランスが非常に高い電圧に傾きます。 DC 送電線 (例: ワシントン州のグランド クーリー ダムからロスまでの送電線) アンヘレス）。 AC 電源は、誘導モーターやモーターなど、工業化の鍵となる他の多くの発明を可能にしました。 調光器や電気シェーバーを照らすためのガス放電ランプ安定器。しかし、ACの暗い側面の一部 power は力率の概念です。直流電源の電圧は一定なので位相はありません それに関連付けられています。 AC 電源は (理想的には) 正弦波であり、電圧と電流は 0 V と交差します。 1 秒あたり 120 回 (60 Hz サイクルあたり 2 回)。負荷（または電源ライン）がわずかにでも 誘導性または容量性の場合、電流は電圧より遅れるか進みます。 図 1 は、インダクタを駆動する 120 VAC、60 Hz、AC 電圧源の LTspice モデルを示しています。 抵抗とコンデンサを並列に接続します。図 2 は、このシミュレーションの出力を示しています。 電源電圧 V(n001)、インダクタ電流 I(L1)、抵抗電流 I(R1)、 コンデンサ電流 I(C1)。抵抗電流のみが電圧と同相であることに注意してください。 インダクタ電流は電圧より 90 度「遅れ」ますが、コンデンサ電流は「進み」ます。 電圧を90度変化させます。 力率を決定する方法 (およびその理由) 力率は古典的に二乗平均平方根の間の角度の余弦として定義されています。 (RMS) AC 電圧 — 同じ加熱効果を生み出す AC 電力の量として定義されます。 DC 電力と RMS AC 電流として。 DC 負荷によって消費される電力を計算するには、次のようにします。 負荷の電圧に負荷を流れる電流を掛けます。 、 AC 負荷によって消費される電力を計算するには RMS 電圧と電流の積に力率を掛ける必要があります。 電圧と電流が同相（位相誤差 0 度）の場合、0 のコサインは 1 となるため、 DCと同じ計算になります。これは、負荷が抵抗のように見える場合に発生します。フェーズの場合 誤差は 60 度、60 のコサインは 0.5 です。電圧と電流の積の半分だけが 荷物に届けられます。それで、残りの半分はどこに行くのでしょうか？その電流は今でも循環しています 電力線;負荷に有効な電力を供給できないだけです。 「皮相電力」波形 (ボルトアンペア、または VA と呼ばれる) を同相部分と逆相部分 (「実数」部分と「虚数」部分とも呼ばれる) に分解すると、 それぞれ - 同相部分 (コサイン係数) は電力 (ワット単位で測定) と呼ばれます。 一方、位相のずれた部分 (正弦係数) は無効電力 (測定されたボルトアンペア無効性、または VAR) と呼ばれます。したがって、力率は実電力を VA で割ったものとしても定義できます (PF = W/VA)。電力パネルの電力計は実際の電力のみを測定するため、顧客には実際の電力のみが請求されますが、電力会社は依然として総電流を処理できるように機器のサイズを設定する必要があります。 したがって、すべての電流を「請求可能な」電流にしようとします。 これが医療機器にどのように適用されるか しかし、特に料金が請求されていない場合、なぜこれが重要なのでしょうか?まずはユーティリティ 最終的にはすべての費用を顧客に請求するため、力率の修正コストは転嫁されます。 消費者へ。第 2 に、EN60601、EN61000、IEC555 などの政府機関の仕様がますます増えており、医療機器 (「力率補正」と呼ばれることもあります) に力率補正を要求しています。 電力線高調波制御)。医療機器のメーカーは、さまざまな製品を提供する必要があります。 自社製品の力率補正の度合いは、電力出力と 応用。 「私の製品には大きな負荷はありませんし、ましてや、 誘導型または容量型」という言葉には、醜い頭をもたげる微妙な点があります。その小さなスイッチングです。 効率/幅を満たすために製品に組み込む電源 入力/サイズ/重量/パッケージング要件により、力率に独自の変化が生じます。 腐敗。 負荷に抵抗があるように見える場合、力率 1 が発生することに注意してください。スイッチモード 電源 (SMPS) は通常、電力線を整流してから、大きなコンデンサを充電して、 電圧正弦波が 0V に低下するまでの間、回復するまでエネルギーを蓄積します。このコンデンサなら 十分な大きさであれば、電力線がドロップアウトまたは「ブラウンアウト」する可能性があるほど十分なエネルギーを蓄積します。 大きな負荷がラインに接続されている場合などに発生する数サイクル (たとえば、エアコンのコンプレッサーの始動やレーザー プリンターのヒーターの循環など)。電源設計者の観点から つまり、入力コンデンサは大きいほど良いのです。コンデンサが十分に大きい場合、非常に放電します。 電力線のサイクル中はわずかであり、定常状態では、電力線電圧はわずかです。 波形の正および負のピークにおけるコンデンサ電圧よりも大きくなります。 したがって、電流は電力線電圧波形のピーク時にのみ流れます。 完全に同相なので力率は1になるはずですよね？さて、負荷があることを覚えておいてください 抵抗的に見えるはずです。図 3 図 4 は、抵抗負荷と抵抗負荷の AC 電流波形を示しています。 同等の電力レベルのスイッチング電源の電力と同等です。抵抗が生成することに注意してください。 スイッチャーのフロントエンドがインパルスを生成する間、予期される同相正弦波波形 サイクルごとに 2 回電流を流します。パルスは複数の正弦波を重ね合わせたものです。 一定の間隔で発生する場合、パルスを構成する正弦波はすべて調和している必要があります。 関連している。この場合、60Hz が基本波であり、他の正弦波は 60Hz の高調波です。 シンプルなオフラインのスイッチング電源のフロントエンドのトポロジーを次の図に示します。 図 3 の右側。AC 電圧源 (Vswitcher) は 4 つのダイオードによって整流され、 コンデンサ (C1) を充電します。通常、スイッチング電源は電力を利用して動作します。 コンデンサに蓄えられます (R1 によって消費される電力は電源の負荷をシミュレートします)。ために 比較すると、図 3 の左半分は抵抗負荷 (R2) のみの波形を示しています。図4 これらの回路の波形を図に示します。予想どおり、電圧と電流は同相です 抵抗負荷の場合は上のペインに表示されます。ゼロに近い小さな不連続性が存在します。 ダイオードの順方向電圧による交差ですが、スケールの関係でここでは見えません。 印加電圧はスイッチャーのフロントエンドと同じですが、その結果生じる電流は次のようになります。 中央のペイン。電流のスケール (上部ペインの右側に表示) に注目してください。 中央のペインでは約 20 倍大きくなります (800 mA ピーク対 40 mA ピーク)。一番下のペイン 両方の回路が同じ電力を消費することを示します（抵抗器の両端の電圧で測定） そこを流れる電流が乗算されます。 R1 は で動作しているため、R1 は R2 より大きくなります。 約 169 VAC、R2 は 120 V RMS で動作しますが、それぞれの消費電力は 同じ。この図は最悪のケースですが、ピークがどれだけ高いかを示しています。 同じ電力で動作する抵抗負荷よりも、スイッチモード入力の方が電流を流すことができます。 レベル。 高調波発電と三相発電 電力線のスイッチャ入力電流波形から 2 つの結果が生じます。 多数のスイッチング電源が設置されています。まず、大きな電流パルスがラインのピークで必要となるため、これをサイクル全体に広げるのではなく、電圧が低下します。 導体の抵抗降下と変圧器または無停電電源装置の飽和による 用品。これにより電圧波形が歪み、さらに電力線高調波が発生します。平 電流パルスは電圧波形のピークとタイミングが合わせられていますが、基本波のみです。 周波数は電圧と完全に同相です。高調波電流が出入りします。 ダイオードが「オン」のときはコンデンサに充電しますが、大量の電荷をコンデンサに蓄積しないでください。 RMS電流計 すべての高調波電流を測定しますが、実際の電力はコンデンサに蓄えられたエネルギーだけです 各サイクル。したがって、RMS 電流と電圧の積は、次のようになります。 実電力より大きい皮相電力。 IEC 60601 には、次のような医療機器を再分類する段落が含まれています。 それ以外の場合は、国際無線干渉に関する特別委員会 (CISPR) の要件に合格します。 ただし、電力線の 3 次高調波の歪みは除きます。これは特に次の場合に当てはまります 負荷が 75 W を超え、1 相あたり 16 A 未満のデバイス。 3次高調波歪み 負荷の非線形性によって生成される可能性がありますが、最も一般的にはスイッチングから派生します。 モード電源 (SMPS) フロントエンド。 図 5 は、図 4 の中央のペインの電流のスペクトル分析 (FFT によって実行) です。 (SMPS への入力電流のシミュレーション)。振幅は y 軸に示され、周波数は x 軸に表示されます (両軸は対数スケールでプロットされています)。純粋な正弦波入力 電流には 60 Hz で単一のピークがありますが、図 4 の歪んだ波形は次のことを示しています。 60 Hz の基本波に、180 Hz のほぼ同じ大きさのスパイク (60 の 3 次高調波)、 大量の高調波が伴います。 60601 がターゲットとする 3 次高調波のみの効果を確認するために、図 6 に 60 Hz 電流の重ね合わせ [I(60Hz) とラベル付けされた緑色のトレースの 3 番目の部分] 高調波 I(180Hz]。結果の波形 I(負荷) は、次のようなものを示しています。 SMPS の入力電流。どちらの電流も不釣り合いに低いことに注意してください。 ゼロクロスの側に達し、その後電圧でピークに達します。特徴 SMPS 入力電流の波形は、60601 で特に指定されています。 この高調波の発生を超えて、（スイッチャーの入力電流の）第 2 の影響が発生します。 多数のスイッチング電源が設置されている電力線の波形） 三相発電の現象です。これが一番分かりやすいですね 「WYE」（Y）構成では、120 度離れた 3 つの位相がすべて共有されます。 図 7 に示すように、共通ニュートラルです。 各相 A、B、C から中性線に接続された抵抗負荷を想像してください。 計算には入らずに、フェーズ A がプラスのピークにあると想像してください。 エクスカーション、フェーズ B は 120 度遅れ、フェーズ C は 240 度遅れます 度（位相 A を 120 度進めるのと同じ）。流れる電流は 抵抗 R1 に流れる電流は、R2 と R3 から流れる電流の合計に正確に等しくなります。 図 7 の下のペインは、3 つのそれぞれに流れる 3 つの電流を示しています。 位相抵抗器。負荷が完全に平衡している限り、中性線の電流はゼロです。中性電流 I(Neutral) は、下から 2 番目のペインにほぼ 0 で表示されます。 つの相すべての電流のバランスがとれます。 これは、選択したどの位相角にも当てはまります。3 実際、中性線は、相互間の軽度の不均衡に対処するためにのみ存在します。 通常、各相のワイヤと同じゲージのワイヤです。さあ、交換してください スイッチングと同様の三角パルスによる三相正弦波駆動 上記で調べた電源。 3 つの三角相波形の重ね合わせ 図 8 の上から 2 番目のペインに示されています。 さて、フェーズ A が 正の偏位のピークと大きな電流スパイクを生成し、他の 2 つは 相には電流が流れず、中性点はすべての帰還を流す必要があります。 現在。中性線は相線と同じサイズなので、何が問題なのでしょうか? さて、位相を 120 度回転すると、位相 B がピークに達し、同じものを供給します。 中性線が流す必要がある電流を確認し、C 相が到達するまで相を回転させます。 そのピーク。電力線の 1 サイクルで、中性線は 3 倍の電力を伝送する必要がありました。 各相線の電流。これは上部に I(Neutrl) として示されている電流です。 ペイン。最良の結果が得られるシナリオであっても、中性線は非常に高温になり、 予想よりもかなり電圧が低下します。 デバイスの力率の制御 OK、力率の制御は懸念すべきことかもしれません。なにができる それを修正する必要がありますか？良いニュースは、半導体企業が懸命に取り組んでいることです。 ソリューションを販売するためです。設計が要件を満たしている限り、 力率補正については、その設計を再検討し、入力電圧範囲を確認してください。 スイッチング IC は、より低い入力制限まで動作します (または新しいものを選択します)。 入力コンデンサのサイズを小さくして、入力導通角を増加させ、 その電流スパイクを時間の経過とともに分散させます（抵抗器に似ています）。もちろん、これを実行すると、 供給がドロップアウトやブラウンアウトしやすくなります。サイズを大きくする 出力コンデンサを追加することである程度の効果は得られますが、かなりのスペースを占有し始めます。 他の問題を引き起こす可能性があります。電力線用のパッシブ 60 Hz バンドパス フィルター も利用可能ですが、同様にかなりのスペースを必要とする傾向があります。 あるいは、力率補正器 (PFC) を設計に追加することもできます。いくつかの スイッチング コントローラには力率補正が組み込まれていますが、フロントは独立しています 端が最も一般的です。理解するのに最も単純な独立したフロントエンドは、 「一定オン時間」(COT) 昇圧コンバータ。動力線との間に挿入します。 その入力コンデンサが上記のすべての問題を引き起こしました。この PFC は実質的に 入力容量はありません (フィルタ内の X および Y コンデンサを除く)。 名前が示すように、一定のオン時間ブースト トポロジを使用して、入力エネルギー蓄積コンデンサを、デバイスが設計されている電力線の最高ピークよりも高い電圧まで充電します。 たとえば、ハイラインが 120 VAC + 10 パーセント (120 X √2 X 1.10 = 187 V) の場合、 ブースト電圧として 200 V を選択できます。ブーストコントローラーがオンになります 昇圧インダクタが飽和しないように十分短い時間、 ラインの頂点。 「高速」制御ループがインダクタのスイッチングを駆動するため、 スイッチサイクルは同じ期間「オン」になります。インダクタ電流は LVt に等しいため (L = インダクタンス、V = 電圧、t = 時間) — L と t は固定 — インダクタ (I) 電流、したがって電源線電流は V に比例します。 V に比例すると、入力は抵抗のように見えます。 これは、固定電力レベルでは問題なく機能する可能性がありますが、負荷が変動すると、 出力電圧は大きく変化します。これを解決するために、ブースト コントローラーには実際には 2 つの機能があります。 ループ: 前述の高速ループと、「オン」時間を調整する低速ループ コンデンサ電圧を制御しますが、数回の電源サイクルにわたってゆっくりと制御されます。 その抵抗的な外観を維持するために。コンデンサの電圧は緩やかにしか調整されておらず、 つまり、コンデンサのサイズと定格は、 変化。ただし、昇圧回路によりコンデンサへの入力が現れるため、 抵抗が大きいため、コンデンサを比較的大きくすることができます。このトポロジーは後押しとなるため、 コンバータ、出力 (エネルギー貯蔵コンデンサ) の電圧が入力電圧よりも低い場合 電圧、電流が入力から出力に流れてコンデンサを充電します。この場合、 電源は引き続き正常に動作しますが、力率が 修正は無効になります。 一定オン時間の昇圧コンバータの誇張された電流波形が示されています。 図 9 では、AC 電源電圧は V(vac)、フィルタされていない電源電流として示されています。 は I(Ac) として示され、出力コンデンサの電圧は Vout として示されます。知らせ 昇圧コンバータへの電流波形の平均値は次のようになります。 正弦波であり、電圧と同相です。ここで示されているスイッチング速度は非常に高速です 個々のパルスをより見やすくするためにゆっくりとします。切り替えを高速化すると、 スイッチノイズのフィルタリングが簡単になり、連続導通で動作します。 モードでは、個々のスイッチ サイクルの振幅がさらに減少します。 昇圧トポロジのもう 1 つの利点は、実際のスイッチング電源が 力率補正フロントエンドの背後で - 比較的固定された状態で動作するようになりました 電圧。ブースト段が広い入力範囲に対応できる場合、 この入力を満たすための残りの電源は軽減されます。 他のトポロジも存在しますが、それぞれに独自の利点と欠点があります。 一部の電源モジュールは力率補正機能を備えて利用可能になりました。 組み込まれています。必要なのは入力コンデンサ、ブーストコンデンサ、出力だけです コンデンサー。どのようなソリューションを選択する場合でも、設計のシミュレーションは非常に重要です。 回路がどのように応答するかについてより深い洞察が得られるため、お勧めします。 コーナーケースまで。 TI の Tina、Intersil のオンライン シミュレータ、および Linear Technologies の LTspice はシミュレーションに利用できる選択肢の 1 つです。多くのソリューションで 力率補正は以前ほど困難な作業ではなくなりました。 この記事のリード画像は、HackerNoon の によって「電球を見ているトーマス エジソン」というプロンプトを介して生成されました。 AI 画像ジェネレーター