Làm thế nào (và tại sao) để xác định hệ số công suất cho các thiết bị y tế

Tại sao chúng ta sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC)? Tại sao các công ty điện lực không chỉ phân phối nguồn điện một chiều (DC), vì điều đầu tiên chúng ta thường làm với các thiết bị hiện đại là chuyển đổi AC thành DC? Câu trả lời cho những câu hỏi đó bắt nguồn từ những nỗ lực của nhằm Thomas Edison quảng cáo đèn sợi đốt của mình và điện khí hóa New York. Máy phát điện của Edison sản xuất điện một chiều, hoạt động tốt để phân phối tại địa phương, nhưng cần hoặc là những dây cáp rất lớn để cung cấp cho các tải cách xa hơn một vài dãy nhà, hoặc một nhà máy điện mỗi vài khối. Điều này là do, ở điện áp thiết thực cho mục đích sử dụng cuối cùng, cần có dòng điện lớn để điện khí hóa nhiều hơn chỉ là một khu vực nhỏ. Nhập Nikola Tesla, được hỗ trợ bởi George Westinghouse, người đẩy mạnh các đường dây truyền tải điện xoay chiều điện áp cao với một trạm biến áp điện áp thấp cách nhau vài dãy nhà để phân phối cục bộ. Điểm khác biệt quan trọng là trạm biến áp chỉ cần một máy biến áp, trong khi giải pháp DC yêu cầu một nhà máy điện hoàn chỉnh chạy bằng hơi nước. Cuối cùng, Westinghouse đã giải quyết được cuộc chiến xảy ra sau đó khi ông xây dựng một nhà máy thủy điện tại Thác Niagra có khả năng cung cấp nước cho hàng trăm dặm. Tuy nhiên, trong số ít các đường truyền dẫn điểm-điểm cực kỳ dài, sự cân bằng quay trở lại điện áp rất cao Đường dây truyền tải DC (ví dụ: đường dây điện từ Grand Coulee Dam ở Bang Washington đến Los Angeles). Nguồn điện xoay chiều đã kích hoạt nhiều phát minh quan trọng khác cho công nghiệp hóa, từ động cơ cảm ứng và chấn lưu của đèn xả khí cho bộ điều chỉnh độ sáng của đèn và máy cạo râu điện. Nhưng một phần của mặt tối của AC sức mạnh là khái niệm về hệ số công suất. Điện áp cho nguồn DC là không đổi, vì vậy không có pha Liên kết với nó; Nguồn điện xoay chiều (lý tưởng) là hình sin, với điện áp và dòng điện qua 0 V tại 120 lần một giây (hai lần trên chu kỳ 60 Hz). Nếu tải (hoặc thậm chí cả đường dây điện) hơi cảm ứng hoặc điện dung, dòng điện sẽ trễ hoặc dẫn điện áp. Hình 1 cho thấy mô hình LTspice của nguồn điện áp xoay chiều 120 VAC, 60 Hz, điều khiển một cuộn cảm, một điện trở và tụ điện mắc song song. Hình 2 cho thấy đầu ra của mô phỏng này với điện áp của nguồn V(n001), dòng điện dẫn I(L1), dòng điện trở I(R1) và dòng điện tụ I(C1). Chú ý rằng chỉ có dòng điện qua điện trở cùng pha với hiệu điện thế, dòng điện cuộn cảm "chậm" so với điện áp 90 độ, trong khi dòng điện tụ điện "dẫn" điện áp bằng 90 độ. Làm thế nào (và tại sao) để xác định hệ số công suất Hệ số công suất được định nghĩa cổ điển là cosin của góc giữa bình phương trung bình gốc (RMS) Điện áp xoay chiều — được định nghĩa là lượng điện xoay chiều tạo ra hiệu ứng làm nóng như nhau dưới dạng nguồn DC — và dòng điện xoay chiều RMS. Để tính toán công suất tiêu thụ bởi tải DC, chỉ cần nhân điện áp ở tải với dòng điện qua nó. , Để tính công suất tiêu thụ bởi một tải AC tích của điện áp và dòng điện RMS phải được nhân với hệ số công suất. Nếu điện áp và dòng điện cùng pha (lệch pha 0 độ), cosin của 0 là 1, và do đó tính toán tương tự như DC. Điều này xảy ra khi tải được tạo thành điện trở. Nếu giai đoạn sai số là 60 độ, cosin của 60 là 0,5; chỉ một nửa tích của điện áp và dòng điện là giao cho tải. Vậy một nửa còn lại đi đâu? Dòng điện đó vẫn chạy qua đường dây điện; nó chỉ không cung cấp năng lượng hữu ích cho tải. Khi chia dạng sóng “công suất biểu kiến” (được gọi là vôn-ampe hoặc VA) thành các phần cùng pha và lệch pha — đôi khi được gọi là các phần “thực” và “ảo”, tương ứng — phần cùng pha (hệ số cosine) được gọi là công suất (được đo bằng watt), trong khi phần lệch pha (hệ số sin) được gọi là công suất phản kháng (đo volt-ampsreactive, hoặc VAR). Vì vậy, hệ số công suất cũng có thể được định nghĩa là công suất thực chia cho VA (PF = W/VA). Công tơ mét trên bảng điện của bạn chỉ đo công suất thực, vì vậy khách hàng chỉ bị tính phí theo công suất thực, nhưng tiện ích vẫn phải điều chỉnh kích thước thiết bị của mình để xử lý tổng dòng điện chảy, do đó, nó cố gắng làm cho tất cả hiện tại "có thể thanh toán" hiện hành. Điều này áp dụng như thế nào cho các thiết bị y tế Nhưng tại sao bất kỳ vấn đề nào trong số này lại quan trọng, đặc biệt nếu bạn không được lập hóa đơn cho nó? Đầu tiên, tiện ích cuối cùng lập hóa đơn cho khách hàng của mình cho tất cả các chi phí, vì vậy chi phí điều chỉnh hệ số công suất được chuyển sang đến người tiêu dùng. Thứ hai, ngày càng có nhiều thông số kỹ thuật của cơ quan — chẳng hạn như EN60601, EN61000 và IEC555 — yêu cầu hiệu chỉnh hệ số công suất cho các thiết bị y tế (đôi khi được gọi là điều khiển sóng hài đường dây điện). Các nhà sản xuất thiết bị y tế được yêu cầu cung cấp các mức độ hiệu chỉnh hệ số công suất trong các sản phẩm của họ, tùy thuộc vào công suất đầu ra và ứng dụng. Nếu bạn đang nghĩ, “Sản phẩm của tôi không chứa bất kỳ tải trọng lớn nào, ít hơn nhiều loại quy nạp hoặc điện dung,” có một sự tinh tế ẩn sau cái đầu xấu xí của nó: Sự chuyển đổi nhỏ đó nguồn điện bạn đưa vào sản phẩm của mình để đáp ứng hiệu quả/rộng yêu cầu đầu vào/kích thước/trọng lượng/đóng gói giới thiệu biến thể hệ số công suất đặc biệt của riêng nó tham nhũng. Hãy nhớ rằng, hệ số công suất bằng một xảy ra khi tải xuất hiện điện trở. Một chế độ chuyển đổi nguồn điện (SMPS) thường chỉnh lưu đường dây điện, sau đó sạc một tụ điện lớn để lưu trữ năng lượng trong thời gian sóng hình sin điện áp giảm xuống 0V, cho đến khi nó phục hồi. Nếu tụ điện này đủ lớn, nó sẽ lưu trữ đủ năng lượng để đường dây điện có thể bị đứt hoặc “tắt điện” trong một số chu kỳ, chẳng hạn như xảy ra khi một tải lớn được kết nối với đường dây (ví dụ: máy nén điều hòa không khí khởi động hoặc máy in laze chạy theo chu kỳ). Từ quan điểm của nhà thiết kế cung cấp điện xem, tụ điện đầu vào càng lớn thì càng tốt. Nếu tụ điện đủ lớn, nó phóng điện rất ít trong một chu kỳ của dòng điện và trong trạng thái ổn định, điện áp dòng điện chỉ lớn hơn điện áp tụ tại đỉnh dương và cực âm của dạng sóng. Do đó, dòng điện chỉ chạy trong các đỉnh của dạng sóng điện áp đường dây điện. Nó hoàn toàn cùng pha, vì vậy hệ số công suất phải là 1, phải không? Vâng, hãy nhớ rằng tải nên xuất hiện điện trở. Hình 3 Hình 4 cho thấy dạng sóng dòng điện xoay chiều của tải điện trở và của một nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi ở mức năng lượng tương đương. Lưu ý rằng điện trở tạo ra dạng sóng hình sin cùng pha dự kiến, trong khi mặt trước của bộ chuyển đổi tạo ra một xung của dòng điện hai lần mỗi chu kỳ. Một xung là sự chồng chất của nhiều sóng hình sin, vì xung này xảy ra đều đặn, các sóng hình sin tạo nên xung đều phải hài hòa có liên quan. Trong trường hợp này, 60Hz là sóng cơ bản và các sóng hình sin khác là sóng hài của 60Hz. Cấu trúc liên kết của mặt trước của một nguồn cấp điện chuyển mạch, ngoại tuyến, đơn giản được minh họa trên bên phải của Hình 3. Nguồn điện áp xoay chiều (Vswitcher) được chỉnh lưu bởi bốn điốt và tích điện cho một tụ điện (C1). Thông thường, nguồn điện chuyển đổi sẽ hoạt động từ năng lượng được lưu trữ trên tụ điện (công suất tiêu tán bởi R1 mô phỏng tải trên nguồn cung cấp). Vì so sánh, nửa bên trái của Hình 3 hiển thị dạng sóng chỉ với một tải điện trở (R2). hinh 4 minh họa dạng sóng của các mạch này. Đúng như dự đoán, điện áp và dòng điện cùng pha cho tải điện trở được hiển thị trong khung trên cùng. Sẽ có một sự gián đoạn nhỏ gần bằng không vượt qua do điện áp chuyển tiếp của diode, nhưng điều đó không thể nhìn thấy ở đây do tỷ lệ. Điện áp đặt vào là như nhau đối với mặt trước của bộ chuyển đổi, nhưng dòng điện kết quả được hiển thị trong ngăn giữa. Lưu ý tỷ lệ hiện tại (hiển thị ở phía bên phải của khung trên cùng) là lớn hơn khoảng 20 lần ở khung giữa (cực đại 800 mA so với cực đại 40 mA). ngăn dưới cùng cho thấy rằng cả hai mạch tiêu thụ cùng một công suất, được đo bằng hiệu điện thế trên điện trở nhân với cường độ dòng điện qua nó. R1 lớn hơn R2 vì R1 đang hoạt động ở khoảng 169 VAC, trong khi R2 đang hoạt động ở 120 V RMS, nhưng công suất tiêu thụ trong mỗi giống nhau. Hình minh họa này là một trường hợp xấu nhất, nhưng nó cho thấy đỉnh cao hơn bao nhiêu dòng điện có thể dành cho đầu vào chế độ chuyển đổi so với tải điện trở hoạt động ở cùng công suất mức độ. Phát điện hài hòa và phát điện ba pha Hai hậu quả là do dạng sóng dòng điện đầu vào của bộ chuyển đổi trong các đường dây điện trong đó một số lượng lớn nguồn cung cấp chuyển đổi được cài đặt. Đầu tiên, vì cần có một xung dòng điện lớn ở cực đại của đường dây, thay vì trải rộng xung này trong toàn bộ chu kỳ, điện áp sẽ bị chùng xuống do sụt giảm điện trở trong dây dẫn và bão hòa trong máy biến áp hoặc nguồn điện liên tục quân nhu. Điều này làm biến dạng dạng sóng điện áp và tạo thêm sóng hài trên đường dây điện. Thậm chí mặc dù xung hiện tại được định thời với đỉnh của dạng sóng điện áp, nhưng chỉ xung cơ bản tần số thực sự cùng pha với hiệu điện thế; dòng điện hài chạy vào và ra khỏi tụ điện trong khi đi-ốt “bật”, nhưng không lưu trữ điện tích đáng kể trong đó. Ampe kế RMS đo tất cả dòng điện hài, nhưng công suất thực chỉ là năng lượng được lưu trữ trong tụ điện mỗi chu kỳ. Do đó, tích của dòng điện và điện áp RMS sẽ hiển thị công suất biểu kiến lớn hơn công suất thực. Được phân phối trong toàn bộ tiêu chuẩn IEC 60601 là các đoạn phân loại lại các thiết bị y tế sẽ mặt khác thông qua các yêu cầu của Ủy ban đặc biệt quốc tế về can thiệp vô tuyến (CISPR), ngoại trừ sự biến dạng của sóng hài thứ ba của đường dây điện. Điều này đặc biệt áp dụng cho thiết bị có tải lớn hơn 75 W và nhỏ hơn 16 A mỗi pha. Méo hài thứ ba có thể được tạo ra bởi bất kỳ sự phi tuyến tính nào trong tải, nhưng phổ biến nhất xuất phát từ chuyển mạch chế độ cung cấp điện (SMPS) kết thúc trước. Hình 5 là phân tích quang phổ (được thực hiện bởi FFT) của dòng điện ở khung giữa của Hình 4 (dòng điện đầu vào mô phỏng cho SMPS). Biên độ được hiển thị trên trục y và tần số là được hiển thị trên trục x (cả hai trục được vẽ trên thang logarit). Một đầu vào hoàn toàn hình sin dòng điện sẽ có một đỉnh duy nhất ở tần số 60 Hz, nhưng dạng sóng bị biến dạng của Hình 4 cho thấy cơ bản ở 60 Hz, cộng với mức tăng đột biến lớn gần như bằng nhau ở 180 Hz (h hài bậc ba của 60), kèm theo rất nhiều sóng hài cao hơn. Để xem ảnh hưởng của sóng hài thứ ba được nhắm mục tiêu bởi 60601, Hình 6 cho thấy sự chồng chất của dòng điện 60 Hz [vết màu xanh lá cây có nhãn I(60Hz) với dấu vết thứ ba của nó sóng hài I(180Hz). Dạng sóng kết quả I(tải) hiển thị tương tự như dòng điện đầu vào của một SMPS. Lưu ý rằng dòng điện thấp không tương xứng trên một trong hai phía của giao điểm 0 và sau đó đạt cực đại với điện áp. đặc trưng dạng sóng của dòng điện đầu vào SMPS được xử lý cụ thể bởi 60601. Ngoài việc tạo sóng hài này, hệ quả thứ hai (của dòng điện đầu vào bộ chuyển đổi dạng sóng trong đường dây điện nơi lắp đặt một số lượng lớn nguồn cung cấp chuyển mạch) là hiện tượng phát điện ba pha. Cái này dễ hiểu nhất trong cấu hình “WYE” (Y) trong đó ba pha, cách nhau 120 độ, tất cả đều có chung một trung tính chung, như thể hiện trong Hình 7. Hãy tưởng tượng một tải điện trở được kết nối từ mỗi pha: A, B và C với dây trung tính. Không đi sâu vào toán học, hãy tưởng tượng giai đoạn A đang ở đỉnh điểm tích cực của nó du ngoạn, giai đoạn B sẽ bị trì hoãn 120 độ và giai đoạn C sẽ bị trì hoãn 240 độ (tương đương với pha A dẫn trước 120 độ). Dòng điện chạy vào điện trở R1 đúng bằng tổng cường độ dòng điện đi ra khỏi R2 và R3. Ô dưới cùng của Hình 7 cho thấy ba dòng điện chạy trong mỗi ba điện trở pha. Dòng điện trong dây trung tính đó bằng không miễn là tải được cân bằng hoàn hảo. Dòng điện trung tính, I(Trung tính) được hiển thị ở khoảng 0 trong khung thứ hai từ dưới lên. Dòng điện trong cả ba pha sẽ cân bằng. Điều này đúng với mọi góc pha đã chọn: Trên thực tế, dây trung tính chỉ ở đó để xử lý sự mất cân bằng nhỏ giữa các pha, và nó thường là dây đo giống như từng dây pha. Bây giờ, thay thế ổ đĩa hình sin trong ba pha với xung tam giác, tương tự như chuyển mạch cung cấp điện kiểm tra ở trên. Lớp phủ của ba dạng sóng pha tam giác được hiển thị trong khung thứ hai từ trên cùng của Hình 8. Bây giờ, khi pha A ở cực đại của hành trình tích cực của nó và nó tạo ra dòng điện tăng đột biến đó, hai đỉnh còn lại các pha không mang bất kỳ dòng điện nào và trung tính phải mang tất cả trở lại hiện hành. Vì trung tính có cùng kích thước với dây pha, vấn đề là gì? Chà, xoay pha 120 độ và pha B sẽ đạt cực đại và cung cấp như nhau dòng điện mà dây trung tính sẽ cần mang, sau đó xoay pha cho đến khi pha C chạm vào đỉnh cao của nó. Trong một chu kỳ của dòng điện, trung tính phải mang ba lần dòng điện của mỗi dây pha. Đây là dòng điện được hiển thị dưới dạng I(Neutrl) ở trên cùng khung. Ngay cả trong trường hợp kết quả tốt nhất, dây trung tính trở nên rất nóng và điện áp chùng xuống nhiều hơn dự kiến. Kiểm soát hệ số công suất trong thiết bị của bạn OK, vì vậy việc kiểm soát hệ số công suất có thể là điều cần quan tâm; những gì có thể được thực hiện để sửa chữa nó? Tin tốt là các công ty bán dẫn đang nỗ lực để bán cho bạn một giải pháp. Nếu thiết kế của bạn gần đáp ứng yêu cầu của bạn mà không cần hiệu chỉnh hệ số công suất, hãy xem lại thiết kế đó và xem dải điện áp đầu vào của bạn IC chuyển đổi sẽ hoạt động xuống (hoặc chọn một cái mới) với giới hạn đầu vào thấp hơn. Giảm kích thước của tụ điện đầu vào đó để tăng góc dẫn đầu vào và lan truyền dòng điện đó theo thời gian (giống như một điện trở hơn). Tất nhiên, làm điều này sẽ làm cho nguồn cung cấp của bạn dễ bị bỏ đi và chuyển sang màu nâu. tăng kích thước của các tụ điện đầu ra sẽ giúp một số, nhưng điều này bắt đầu chiếm khá nhiều không gian và có thể giới thiệu các vấn đề khác. Bộ lọc thông dải 60 Hz thụ động cho đường dây điện cũng có sẵn, nhưng chúng cũng có xu hướng yêu cầu không gian đáng kể. Ngoài ra, bạn có thể thêm bộ hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) vào thiết kế của mình. Một số bộ điều khiển chuyển mạch kết hợp hiệu chỉnh hệ số công suất, nhưng mặt trước độc lập kết thúc là phổ biến nhất. Giao diện người dùng độc lập đơn giản nhất để hiểu là một bộ chuyển đổi tăng cường “liên tục đúng giờ” (COT). Nó được chèn giữa đường dây điện và tụ điện đầu vào đó, nguyên nhân gây ra tất cả các sự cố ở trên. PFC này thực tế có không có điện dung đầu vào (ngoài các tụ điện X và Y trong bộ lọc) và, như ngụ ý tên gọi, nó sử dụng cấu trúc liên kết tăng cường đúng giờ liên tục để sạc tụ điện lưu trữ năng lượng đầu vào đó đến điện áp lớn hơn đỉnh cao nhất của đường dây điện mà thiết bị được thiết kế để nhìn thấy. Ví dụ: nếu đường dây cao là 120 VAC + 10 phần trăm (120 X √2 X 1,10 = 187 V), 200 V có thể được chọn làm điện áp tăng. Bộ điều khiển tăng cường sẽ bật tăng cường cuộn cảm trong một khoảng thời gian đủ ngắn để ngăn không cho nó bão hòa ở đỉnh của dòng. Một vòng điều khiển “nhanh” điều khiển chuyển đổi cuộn cảm, sao cho mỗi chu kỳ công tắc được “bật” trong cùng khoảng thời gian. Vì dòng điện qua cuộn cảm bằng LVt (L = điện cảm, V = điện áp, và t = thời gian) — với L và t được giữ cố định — cuộn cảm (I) dòng điện và do đó cường độ dòng điện tỉ lệ với V. Vì I là tỷ lệ thuận với V, đầu vào trông có điện trở. Điều này có thể hoạt động chấp nhận được đối với mức công suất cố định, nhưng nếu tải dao động, điện áp đầu ra sẽ thay đổi dữ dội. Để giải quyết vấn đề này, bộ điều khiển tăng cường thực sự có hai vòng lặp: Vòng lặp nhanh được mô tả ở trên và vòng lặp chậm, điều chỉnh thời gian “bật” để điều khiển điện áp của tụ điện, nhưng quá trình này diễn ra chậm, qua vài chu kỳ dòng điện, để giữ vẻ ngoài phản kháng đó. Điện áp tụ điện chỉ được điều chỉnh lỏng lẻo, điều đó có nghĩa là tụ điện phải có kích thước và định mức để phù hợp với sự biến đổi. Nhưng, do mạch tăng áp làm xuất hiện đầu vào của tụ điện trở, tụ điện bây giờ có thể tương đối lớn. Bởi vì cấu trúc liên kết này là một sự thúc đẩy bộ chuyển đổi, nếu điện áp đầu ra (tụ lưu trữ năng lượng) nhỏ hơn điện áp đầu vào điện áp, dòng điện sẽ chạy từ đầu vào đến đầu ra để nạp điện cho tụ điện. Trong trường hợp này, nguồn điện sẽ tiếp tục hoạt động bình thường, nhưng hệ số công suất sự điều chỉnh sẽ bị đánh bại. Một dạng sóng phóng đại hiện tại cho bộ chuyển đổi tăng cường đúng giờ liên tục được hiển thị trong Hình 9. Điện áp nguồn AC được hiển thị là V(vac), dòng điện nguồn chưa được lọc được hiển thị dưới dạng I(Ac) và điện áp trên tụ điện đầu ra được hiển thị dưới dạng Vout. Để ý rằng mức trung bình của dạng sóng hiện tại vào bộ chuyển đổi tăng áp xấp xỉ hình sin và cùng pha với điện áp. Tốc độ chuyển đổi hiển thị ở đây là rất chậm để làm cho các xung riêng lẻ rõ ràng hơn. Tăng tốc độ chuyển đổi sẽ làm cho việc lọc tiếng ồn của công tắc trở nên đơn giản hơn và hoạt động liên tục chế độ sẽ tiếp tục giảm biên độ của các chu kỳ chuyển đổi riêng lẻ. Một ưu điểm khác của cấu trúc liên kết tăng cường là nguồn cung cấp chuyển mạch thực tế — đằng sau giao diện điều chỉnh hệ số công suất — hiện hoạt động từ một mức tương đối cố định Vôn. Nếu giai đoạn tăng cường có thể đáp ứng phạm vi đầu vào rộng, thì yêu cầu đối với phần còn lại của nguồn cung để đáp ứng đầu vào này được giảm nhẹ. Các cấu trúc liên kết khác tồn tại, mỗi cấu trúc đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Một số mô-đun cung cấp điện hiện có sẵn với hiệu chỉnh hệ số công suất được xây dựng trong; họ chỉ cần một tụ điện đầu vào, một tụ điện tăng cường và một đầu ra tụ điện. Dù giải pháp nào được chọn, việc mô phỏng thiết kế được đánh giá cao được khuyến nghị, bởi vì nó sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cách mạch phản hồi đến các trường hợp góc. Tina của TI, trình giả lập trực tuyến của Intersil và Công nghệ tuyến tính' LTspice là một trong những lựa chọn có sẵn để mô phỏng. Với nhiều giải pháp sẵn có, việc hiệu chỉnh hệ số công suất không còn là một nhiệm vụ khó khăn như trước đây. Hình ảnh chính cho bài viết này được tạo bởi của HackerNoon thông qua lời nhắc "thomas edison nhìn vào bóng đèn" Trình tạo hình ảnh AI