Pourquoi utilisons-nous le courant alternatif (CA) ? Pourquoi les compagnies d'électricité ne se contentent-elles pas de distribuer courant continu (CC), puisque la première chose que nous faisons normalement avec les appareils modernes est convertir le courant alternatif en courant continu ? La réponse à ces questions remonte aux efforts de pour Thomas Edison promouvoir sa lampe à incandescence et électrifier New York. Les générateurs d'Edison produisaient du courant continu, ce qui fonctionnait bien pour la distribution locale, mais nécessitait soit de très gros câbles pour alimenter des charges à plus de quelques pâtés de maisons, soit une centrale électrique tous les quelques blocs. En effet, à des tensions pratiques pour une utilisation finale, des courants importants étaient nécessaires pour électrifier plus qu'une petite zone. Entrez Nikola Tesla, soutenu par George Westinghouse, qui a promu des lignes de transmission CA à haute tension avec une sous-station basse tension tous les quelques pâtés de maisons pour diffusion locale. La différence importante était que la sous-station ne nécessitait qu'un transformateur, tandis que la solution à courant continu nécessitait une centrale électrique à vapeur complète. En fin de compte, Westinghouse a réglé la guerre qui a suivi lorsqu'il a construit une centrale hydroélectrique à Niagara Falls qui a pu fournir des charges à des centaines de kilomètres. Cependant, dans les quelques lignes de transmission point à point extrêmement longues, la balance bascule vers la très haute tension Les lignes de transmission CC (par exemple, la ligne électrique du barrage de Grand Coulee dans l'État de Washington à Los Anges). L'alimentation en courant alternatif a permis de nombreuses autres inventions essentielles à l'industrialisation, du moteur à induction et ballasts de lampes à décharge de gaz pour gradateurs d'éclairage et rasoirs électriques. Mais une partie du côté obscur d'AC la puissance est cette notion de facteur de puissance. La tension pour l'alimentation CC est constante, il n'y a donc pas de phase associé avec; Le courant alternatif est (idéalement) sinusoïdal, la tension et le courant traversant 0 V à 120 fois par seconde (deux fois par cycle de 60 Hz). Si la charge (ou même la ligne électrique) est légèrement inductif ou capacitif, le courant sera en retard ou en avance sur la tension. La figure 1 montre un modèle LTspice d'une source de tension alternative de 120 VAC, 60 Hz, entraînant une inductance, un résistance et un condensateur en parallèle. La figure 2 montre la sortie de cette simulation avec le tension de la source V(n001), le courant d'inductance I(L1), le courant de résistance I(R1) et le courant de condensateur I(C1). Notez que seul le courant de la résistance est en phase avec la tension, le le courant de l'inductance "retarde" la tension de 90 degrés, tandis que le courant du condensateur "avance" la tension de 90 degrés. Comment (et pourquoi) déterminer le facteur de puissance Le facteur de puissance est classiquement défini comme le cosinus de l'angle entre la racine carrée moyenne (RMS) Tension AC - définie comme la quantité d'alimentation AC qui produit le même effet de chauffage sous forme d'alimentation CC - et le courant alternatif RMS. Pour calculer la puissance consommée par une charge DC, il suffit multiplier la tension à la charge par le courant qui la traverse. , Pour calculer la puissance consommée par une charge AC le produit de la tension et du courant RMS doit être multiplié par le facteur de puissance. Si la tension et le courant sont en phase (erreur de phase de 0 degrés), le cosinus de 0 est 1, et donc le même calcul que DC. Cela se produit lorsque la charge est rendue résistive. Si la phase l'erreur est de 60 degrés, le cosinus de 60 est de 0,5 ; seulement la moitié du produit de la tension et du courant est livré à la charge. Alors, où va l'autre moitié ? Ce courant circule toujours à travers le les lignes électriques; il ne fournit tout simplement pas de puissance utile à la charge. Lors de la décomposition de la forme d'onde de "puissance apparente" (appelée volt-ampères ou VA) en ses parties en phase et hors phase - parfois appelées parties "réelles" et "imaginaires", respectivement - la partie en phase (le coefficient cosinus) est appelée puissance (mesurée en watts), tandis que la partie déphasée (le coefficient sinusoïdal) est appelée puissance réactive (volt-ampsreactive mesuré, ou VAR). Ainsi, le facteur de puissance peut également être défini comme la puissance réelle divisée par VA (PF = W/VA). Le wattmètre de votre panneau d'alimentation ne mesure que la puissance réelle, de sorte que les clients ne sont facturés que pour la puissance réelle, mais le service public doit encore dimensionner son équipement pour gérer le courant total coulant, il s'efforce donc de rendre tout courant courant « facturable ». Comment cela s'applique aux dispositifs médicaux Mais pourquoi tout cela est-il important, surtout si vous n'êtes pas facturé pour cela ? Tout d'abord, l'utilité facture finalement ses clients pour toutes les dépenses, de sorte que le coût de la correction du facteur de puissance est répercuté aux consommateurs. Deuxièmement, de plus en plus de spécifications d'agences - telles que EN60601, EN61000 et IEC555 - exigent une correction du facteur de puissance pour les dispositifs médicaux (parfois appelée contrôle des harmoniques de la ligne électrique). Les fabricants de dispositifs médicaux sont tenus de fournir diverses degrés de correction du facteur de puissance dans leurs produits, en fonction de la puissance de sortie et application. Si vous pensez : « Mon produit ne contient pas de charges importantes, encore moins types inductifs ou capacitifs », il y a une subtilité qui pointe son nez : cette petite commutation alimentation que vous mettez dans votre produit pour répondre à l'efficacité/large les exigences d'entrée/taille/poids/emballage introduisent leur propre variante particulière de facteur de puissance la corruption. N'oubliez pas qu'un facteur de puissance de un se produit lorsque la charge semble résistive. Un mode de commutation l'alimentation électrique (SMPS) redresse généralement la ligne électrique, puis charge un gros condensateur pour stocker de l'énergie pendant que l'onde sinusoïdale de tension chute à 0 V, jusqu'à ce qu'elle se rétablisse. Si ce condensateur est suffisamment grand, il stockera suffisamment d'énergie pour que la ligne électrique puisse tomber ou "brunir" pendant plusieurs cycles, comme cela se produit lorsqu'une charge importante est connectée à la ligne (par exemple, le démarrage des compresseurs de climatisation ou le cyclage des éléments chauffants de l'imprimante laser). Du point de vue d'un concepteur d'alimentation vue, plus ce condensateur d'entrée est grand, mieux c'est. Si le condensateur est assez gros, il se décharge très peu pendant un cycle de la ligne électrique, et pendant l'état stable, la tension de la ligne électrique n'est que supérieure à la tension du condensateur aux crêtes positive et négative de la forme d'onde. Par conséquent, le courant ne circule que pendant les pics de la forme d'onde de la tension de la ligne électrique. Il est parfaitement en phase, donc le facteur de puissance devrait être de 1, n'est-ce pas ? Eh bien, rappelez-vous que la charge doit apparaître résistif. Figure 3 Figure 4 montre la forme d'onde du courant alternatif d'une charge résistive et celle d'une alimentation à découpage à des puissances équivalentes. Notez que la résistance produit la forme d'onde sinusoïdale en phase attendue, tandis que l'extrémité avant du commutateur produit une impulsion de courant deux fois par cycle. Une impulsion est la superposition de plusieurs ondes sinusoïdales, puisque cette impulsion se produit à intervalles réguliers, les ondes sinusoïdales qui composent l'impulsion doivent toutes être harmoniquement en rapport. Dans ce cas, 60Hz est le fondamental et les autres ondes sinusoïdales sont des harmoniques de 60Hz. La topologie de l'extrémité avant d'une alimentation à découpage simple, hors ligne, est illustrée sur la côté droit de la figure 3. La source de tension alternative (Vswitcher) est redressée par les quatre diodes et charge un condensateur (C1). Normalement, l'alimentation à découpage fonctionnerait à partir de l'énergie stockée sur le condensateur (la puissance dissipée par R1 simule une charge sur l'alimentation). Pour comparaison, la moitié gauche de la figure 3 montre la forme d'onde avec juste une charge résistive (R2). Figure 4 illustre les formes d'onde de ces circuits. Comme prévu, la tension et le courant sont en phase pour la charge résistive indiquée dans le volet supérieur. Il y aura une petite discontinuité proche du zéro croisement dû à la tension directe de la diode, mais cela n'est pas visible ici à cause de l'échelle. La tension appliquée est la même pour l'extrémité avant du commutateur, mais le courant résultant est indiqué dans le volet du milieu. Notez que l'échelle du courant (affichée sur le côté droit du volet supérieur) est environ 20 fois plus élevé dans le volet central (pic de 800 mA contre pic de 40 mA). Le volet du bas montre que les deux circuits consomment la même puissance, mesurée par la tension aux bornes de la résistance multiplié par le courant qui le traverse. R1 est supérieur à R2 car R1 fonctionne à environ 169 VAC, tandis que R2 fonctionne à 120 V RMS, mais la puissance dissipée dans chacun est le même. Cette illustration est en quelque sorte le pire des cas, mais elle montre à quel point le pic plus élevé les courants peuvent être pour une entrée à découpage que pour une charge résistive fonctionnant à la même puissance niveau. Génération d'harmoniques et génération d'énergie triphasée Deux conséquences résultent de la forme d'onde du courant d'entrée du commutateur dans les lignes électriques où un un grand nombre d'alimentations de commutation sont installées. Premièrement, parce qu'une grande impulsion de courant est nécessaire au pic de la ligne, au lieu de la répartir sur tout le cycle, la tension s'affaisse en raison de la chute résistive des conducteurs et de la saturation des transformateurs ou de l'alimentation sans interruption fournitures. Cela déforme la forme d'onde de tension et génère d'autres harmoniques de la ligne électrique. Même bien que l'impulsion de courant soit synchronisée avec le pic de la forme d'onde de tension, seul le fondamental la fréquence est bien en phase avec la tension ; les courants harmoniques entrent et sortent du condensateur pendant que la diode est "allumée", mais n'y stockez pas de charge significative. L'ampèremètre RMS mesure tout le courant harmonique, mais la puissance réelle n'est que l'énergie stockée dans le condensateur chaque cycle. Par conséquent, le produit du courant et de la tension RMS affichera un puissance apparente supérieure à la puissance réelle. Distribués tout au long de la CEI 60601 sont des paragraphes reclassant les dispositifs médicaux qui sinon passer les exigences du Comité spécial international sur les interférences radio (CISPR), à l'exception de leur distorsion de la troisième harmonique de la ligne électrique. Cela s'applique particulièrement à appareils avec des charges supérieures à 75 W et inférieures à 16 A par phase. Troisième distorsion harmonique peut être généré par toute non-linéarité dans la charge, mais dérive le plus souvent de la commutation frontaux d'alimentation en mode d'alimentation (SMPS). La figure 5 est une analyse spectrale (réalisée par FFT) du courant dans le volet central de la figure 4 (le courant d'entrée simulé vers un SMPS). L'amplitude est indiquée sur l'axe y et la fréquence est indiqué sur l'axe des x (les deux axes sont tracés sur une échelle logarithmique). Une entrée purement sinusoïdale courant aurait un seul pic à 60 Hz, mais la forme d'onde déformée de la figure 4 montre le fondamental à 60 Hz, plus un pic presque aussi important à 180 Hz (troisième harmonique de 60), accompagné d'une pléthore d'harmoniques supérieures. Pour voir l'effet de la troisième harmonique ciblée par 60601, la figure 6 montre le superposition d'un courant de 60 Hz [trace verte notée I(60Hz) avec son troisième harmonique I(180 Hz). La forme d'onde résultante I(charge) montre ce qui ressemble à la courant d'entrée d'un SMPS. Notez que le courant est disproportionnellement faible sur l'un ou l'autre côté du passage par zéro, puis culmine avec la tension. La caractéristique La forme d'onde du courant d'entrée SMPS est spécifiquement adressée par 60601. Au-delà de cette génération d'harmoniques, une deuxième conséquence (du courant d'entrée du commutateur forme d'onde dans les lignes électriques où un grand nombre d'alimentations à découpage sont installées) est le phénomène de production d'énergie triphasée. C'est le plus facile à comprendre en configuration « WYE » (Y) où trois phases, distantes de 120 degrés, partagent toutes un neutre commun, comme illustré à la figure 7. Imaginez une charge résistive connectée de chaque phase : A, B et C, au fil neutre. Sans descendre dans les calculs, imaginez que la phase A est au sommet de sa valeur positive excursion, la phase B sera retardée de 120 degrés et la phase C sera retardée de 240 degrés (ce qui revient à avancer la phase A de 120 degrés). Le courant qui passe dans la résistance R1 est exactement égal à la somme des courants sortant de R2 et R3. Le volet inférieur de la figure 7 montre les trois courants circulant dans chacun des trois résistances de phase. Le courant dans ce fil neutre est nul tant que la charge est parfaitement équilibrée. Le courant neutre, I(Neutre) est affiché à environ 0 dans le deuxième volet à partir du bas. le courant dans les trois phases s'équilibrera. Ceci est vrai pour tout angle de phase choisi : En fait, le fil neutre n'est là que pour pallier les petits déséquilibres entre les phases, et il s'agit généralement du même fil de calibre que chaque fil de phase. Maintenant, remplacez entraînement sinusoïdal dans les trois phases avec une impulsion triangulaire, similaire à la commutation alimentation examinée ci-dessus. La superposition des trois formes d'onde de phase triangulaires est illustré dans le deuxième volet à partir du haut de la figure 8. Maintenant, lorsque la phase A est à la pic de son excursion positive et il génère ce gros pic de courant, les deux autres les phases ne transportent aucun courant, et le neutre doit transporter tout le retour actuel. Étant donné que le neutre est de la même taille que le fil de phase, quel est le problème ? Eh bien, faites pivoter la phase de 120 degrés et la phase B atteindra son apogée et fournira la même chose courant que le neutre devra transporter, puis faites tourner la phase jusqu'à ce que la phase C atteigne son apogée. Dans un cycle de la ligne électrique, le neutre devait porter trois fois la courant de chacun des fils de phase. C'est le courant indiqué par I(Neutrl) en haut vitre. Même dans le meilleur scénario de résultat, le fil neutre devient très chaud et le la tension chute beaucoup plus que prévu. Contrôle du facteur de puissance dans votre appareil OK, donc le contrôle du facteur de puissance peut être quelque chose dont il faut se préoccuper ; ce qui peut faire pour y remédier ? La bonne nouvelle est que les sociétés de semi-conducteurs travaillent dur pour vous vendre une solution. Si votre conception est proche de répondre à vos exigences sans correction du facteur de puissance, revisitez cette conception et examinez la plage de tension d'entrée de votre le circuit intégré de commutation fonctionnera jusqu'à (ou en choisira un nouveau) avec une limite d'entrée inférieure. Réduisez la taille de ce condensateur d'entrée pour augmenter l'angle de conduction d'entrée et répartir ce pic de courant dans le temps (plus comme une résistance). Bien sûr, faire cela va rendre votre approvisionnement plus susceptible de tomber et de se dégrader. Augmenter la taille des condensateurs de sortie en aidera certains, mais cela commence à prendre pas mal de place et peut introduire d'autres problèmes. Filtres passe-bande passifs 60 Hz pour la ligne électrique sont également disponibles, mais ils ont également tendance à nécessiter un espace considérable. Alternativement, vous pouvez ajouter un correcteur de facteur de puissance (PFC) à votre conception. Quelques les contrôleurs de commutation intègrent une correction du facteur de puissance, mais une face avant indépendante les extrémités sont les plus courantes. Le frontal indépendant le plus simple à comprendre est un convertisseur élévateur « constant on-time » (COT). Il est inséré entre la ligne électrique et ce condensateur d'entrée, qui a causé tous les problèmes ci-dessus. Ce PFC a pratiquement pas de capacité d'entrée (autre que les condensateurs X et Y dans le filtre) et, comme le son nom l'indique, il utilise une topologie de suralimentation constante pour charger ce condensateur de stockage d'énergie d'entrée à une tension supérieure à la crête la plus élevée de la ligne électrique que l'appareil est conçu pour voir. Par exemple, si la ligne haute était de 120 VCA + 10 % (120 X √2 X 1,10 = 187 V), 200 V peut être choisi comme tension de suralimentation. Le contrôleur de boost allumerait le booster l'inductance pendant une durée suffisamment brève pour éviter qu'elle ne sature à la sommet de la ligne. Une boucle de contrôle "rapide" pilote la commutation de l'inductance, de sorte que chaque cycle de commutation est "on" pour la même période. Puisque le courant de l'inducteur est égal à LVt (L = inductance, V = tension et t = temps) - avec L et t maintenus fixes - inductance (I) le courant et donc le courant de la ligne électrique sont proportionnels à V. Puisque I est proportionnelle à V, l'entrée semble résistive. Cela peut fonctionner de manière acceptable pour un niveau de puissance fixe, mais si la charge fluctue, le la tension de sortie variera énormément. Pour résoudre ce problème, le contrôleur de suralimentation dispose en fait de deux loops : la boucle rapide décrite ci-dessus, et la boucle lente, qui ajuste le temps "on" pour contrôler la tension du condensateur, mais le fait lentement, sur plusieurs cycles de ligne électrique, pour garder cet aspect résistif. La tension du condensateur n'est que faiblement régulée, ce qui signifie que le condensateur doit être dimensionné et évalué pour s'adapter à la variation. Mais, parce que le circuit de suralimentation fait apparaître l'entrée du condensateur résistif, le condensateur peut maintenant être relativement grand. Parce que cette topologie est un coup de pouce convertisseur, si la tension de sortie (condensateur de stockage d'énergie) est toujours inférieure à l'entrée tension, le courant circulera de l'entrée à la sortie pour charger le condensateur. Dans ce cas, l'alimentation continuerait à fonctionner correctement, mais le facteur de puissance la correction serait rejetée. Une forme d'onde de courant exagérée pour un convertisseur élévateur à temps constant est affichée dans la Figure 9. La tension d'alimentation CA est représentée par V(vac), le courant d'alimentation non filtré est représenté par I(Ac) et la tension sur le condensateur de sortie est représentée par Vout. Avis que la moyenne de la forme d'onde du courant dans le convertisseur élévateur se rapproche sinusoïdal et en phase avec la tension. La vitesse de commutation indiquée ici est très lent pour rendre les impulsions individuelles plus visibles. Accélérer la commutation serait rendre plus simple le filtrage du bruit de commutation, et le fonctionnement en conduction continue réduirait davantage l'amplitude des cycles de commutation individuels. Un autre avantage de la topologie boost est que l'alimentation de commutation réelle - derrière l'avant de correction du facteur de puissance - fonctionne maintenant à partir d'un relativement fixe tension. Si l'étage de suralimentation peut accueillir une large plage d'entrée, l'exigence de le reste de l'offre pour répondre à cet apport est atténué. D'autres topologies existent, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. Certains modules d'alimentation sont maintenant disponibles avec la correction du facteur de puissance intégré ; ils ont juste besoin d'un condensateur d'entrée, d'un condensateur de suralimentation et d'une sortie condensateur. Quelle que soit la solution choisie, simuler la conception est hautement recommandé, car il fournira un meilleur aperçu de la façon dont le circuit répond aux caisses d'angle. Tina de TI, le simulateur en ligne d'Intersil et Linear Technologies LTspice fait partie des choix disponibles pour la simulation. Avec de nombreuses solutions disponible, la correction du facteur de puissance n'est plus une tâche aussi ardue qu'auparavant. 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