Почему фактор мощности важен при измерении эффективности?

Основы коэффициента мощности и эффективности

Инженеры, работающие с внешними источниками питания (EPS), хорошо знакомы с измерениями эффективности. Однако, поскольку их приложения обычно работают от источников постоянного тока, при измерении мощности на стороне переменного тока источника питания могут быть допущены распространенные ошибки. Эти распространенные ошибки включают неправильное измерение или полное игнорирование коэффициента мощности при расчете входной мощности, что приводит к неверным измерениям эффективности. Давайте рассмотрим основы коэффициента мощности и эффективности, а затем предоставим рекомендации по включению коэффициента мощности при измерении переменного тока. Эффективность питания постоянного тока.

Коэффициент мощности и эффективность, обзор

Эффективность (η) - это отношение выходной мощности к входной мощности:

Уравнение 1: Эффективность

В контексте внешнего источника питания (EPS), работающего с постоянным током, выходная мощность рассчитывается путем простого умножения выходного напряжения на выходной ток, быстро предоставляя числитель уравнения.

Расчет выходной мощности

Расчет выходной мощности EPS, которая является постоянным током, - это просто выходное напряжение, умноженное на выходной ток:

Уравнение 2: Выходная мощность

Уравнение 2 вычисляет выходную мощность постоянного тока (P_dc) источника электропитания (EPS), умножая выходное напряжение (V_dc) на выходной ток (I_dc), в результате чего мощность измеряется в ваттах (Вт).

Понимание коэффициента мощности

Распространенной ошибкой является применение этого же расчета для получения входной мощности. Это создает проблему, потому что произведение вольт-ампер в цепях переменного тока не всегда равно активной мощности, и, по сути, в случае внешних адаптеров произведение вольт-ампер никогда не будет равно активной мощности. В цепях переменного тока произведение вольт-ампер равно полной мощности (S), которая связана с активной мощностью через термин, называемый коэффициентом мощности (PF):

Уравнение 3: Полная мощность

Уравнение 3 вычисляет полную мощность (S) в вольт-амперах (ВА), умножая среднеквадратичное (rms) напряжение (Vrms) на среднеквадратичный ток (Irms).

Определение коэффициента мощности

По определению, коэффициент мощности - это отношение активной мощности к полной мощности, где полная мощность - это произведение среднеквадратичного напряжения и среднеквадратичного тока. Только когда коэффициент мощности равен 1, произведение вольт-ампер равно активной мощности:

Уравнение 4: Коэффициент мощности

Измерение коэффициента мощности

Лучший способ измерить коэффициент мощности - использовать измеритель мощности, такой как показанный на рисунке 1 ниже. Эти устройства будут выдавать активную мощность напрямую, поэтому коэффициент мощности не нужно учитывать при расчете эффективности. В дополнение к активной мощности эти измерители могут измерять коэффициент мощности, THD, ток для каждой гармоники и многое другое. В то время как внешние адаптеры малой мощности не имеют определенного коэффициента мощности или гармонических ограничений, источники питания большей мощности имеют конкретные нормативные ограничения по гармоническому содержанию и коэффициенту мощности. Стандарты, такие как EN 61000-3-2, определяют пределы гармонического тока до и включая 39-ю гармонику для определенных уровней мощности. При измерении гармонического тока источника питания измеритель мощности необходим.

Рисунок 1: Измеритель мощности WT210, показывающий измерения, соответствующие формам сигналов

Коэффициент мощности в источниках питания

Вы можете подумать, что влияние опускания коэффициента мощности приведет лишь к небольшой ошибке и/или что коэффициент мощности внешнего адаптера не может быть таким плохим. На самом деле, без коррекции коэффициента мощности коэффициент мощности внешнего адаптера может легко быть всего 0,5 при номинальной нагрузке. Адаптер с коэффициентом мощности 0,5 будет иметь полную мощность в два раза больше активной мощности, что приведет к неверным результатам. Даже если бы источник питания имел реальную эффективность 100%, это измерение показало бы только 50%.

В дополнение к общему включению коэффициента мощности в расчеты эффективности важно отметить, что коэффициент мощности зависит от линии и нагрузки. Требования к эффективности, такие как DoE Level VI, требуют измерения эффективности в нескольких точках (25%, 50%, 75% и 100% нагрузки) как при высоком, так и при низком напряжении сети. Если коэффициент мощности используется при расчете активной мощности, то его необходимо переизмерить для каждого из этих условий.

Измерители мощности для точного тестирования эффективности

Десятилетия ужесточения регулирования сделали тестирование эффективности одним из наиболее важных факторов при выборе и квалификации источников питания. Отсутствие опыта работы с цепями переменного тока может привести к тому, что инженеры-испытатели опустят или неправильно рассчитают коэффициент мощности, что приведет к неверным показателям эффективности. При тестировании внешних адаптеров или любого источника питания переменного/постоянного тока лучшим методом расчета входной активной мощности является использование измерителя мощности. Эти устройства не только измеряют активную мощность напрямую, но и могут измерять ток, связанный с отдельными гармониками, и предоставлять полную картину входного сигнала источника питания.

Коэффициент мощности входит в список проблем для разработчиков практически каждого устройства, потребляющего значительную мощность от розетки, а также для инженеров в секторах тяжелой электротехники. Цель по коэффициенту мощности, основанная на законодательстве, плюс эффективность, стоимость компонентов и объем/пространство на плате должны быть учтены.

KSPOWER разработала коррекцию активного коэффициента мощности в подавляющем большинстве своих источников питания переменного/постоянного тока мощностью 105 Вт и выше, чтобы облегчить внедрение и обеспечить соответствие требованиям OEM.