Các kỹ sư sử dụng bộ nguồn rời (EPS) đã quá quen thuộc với các phép đo hiệu suất. Tuy nhiên, vì các ứng dụng chạy trên nguồn điện một chiều nên có thể mắc các lỗi phổ biến khi đo công suất ở phía xoay chiều của nguồn điện. Những lỗi phổ biến này bao gồm đo không chính xác hoặc bỏ qua hoàn toàn hệ số công suất khi tính toán công suất đầu vào cho nguồn cấp, dẫn đến các phép đo hiệu suất không chính xác. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các khái niệm cơ bản về hệ số công suất và hiệu suất, sau đó là hướng dẫn về cách kết hợp hệ số công suất khi đo hiệu suất nguồn điện xoay chiều.
Đánh giá về hệ số công suất và hiệu suất
Hiệu suất (η) là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào:
Tính công suất đầu ra của EPS, điện một chiều, đơn giản là điện áp đầu ra nhân với dòng điện đầu ra:
Sai lầm phổ biến là áp dụng cùng một phép tính này để có được công suất đầu vào. Điều này cho thấy một vấn đề bởi vì tích số vôn-ampe trong mạch xoay chiều không phải lúc nào cũng bằng công suất thực và trên thực tế, trong trường hợp bộ nguồn bên ngoài, tích vôn-ampe sẽ không bao giờ bằng công suất thực. Trong mạch điện xoay chiều, tích số vôn-ampe bằng công suất biểu kiến (S), liên quan đến công suất thực thông qua một thuật ngữ gọi là Hệ số công suất (PF):
Theo định nghĩa, hệ số công suất là tỷ số giữa công suất thực trên công suất biểu kiến, trong đó công suất biểu kiến là tích của điện áp rms và dòng điện rms. Chỉ khi hệ số công suất bằng 1 thì tích số vôn-ampe mới bằng công suất thực:
Nếu xét hệ số công suất khi tính hiệu suất thì phải tính đúng. Nhiều kỹ sư phải lật lại tất cả các lớp kỹ thuật ban đầu của họ để nhớ hệ số công suất là gì và cách đo hệ số đó. Tuy nhiên, trong trường học họ thường tập trung vào trường hợp tuyến tính mà cả điện áp và dòng điện đều là hình sin thuần túy có tần số bằng nhau. Trong trường hợp này, hệ số công suất chỉ đơn giản là cosin của độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện và được gọi chính xác hơn là hệ số công suất dịch chuyển:
Nhiều kỹ sư đã quen thuộc với tam giác lũy thừa, được thể hiện trong Hình 1, biểu thị trực quan mối quan hệ của Phương trình 5. Theo định nghĩa, cosin của θ bằng tỷ số của cạnh kề với cạnh huyền. Trong tam giác công suất, tỷ số này bằng tỷ số giữa công suất thực và công suất biểu kiến, phù hợp với định nghĩa của chúng ta trong Công thức 4. Mặt khác, khi nói đến hệ thống phi tuyến tính, trong đó nguồn điện xoay chiều là một ví dụ, điều này không vẽ nên toàn bộ bức tranh.
Điều còn thiếu là hệ số công suất méo, bổ sung thêm chiều thứ ba vào tam giác công suất như trong Hình 2. Điểm này rất quan trọng vì trong các bộ nguồn, hệ số méo là yếu tố chính góp phần làm giảm hệ số công suất vì hệ số dịch chuyển có xu hướng gần với sự thống nhất.
Phân tích Fourier cho thấy rằng dạng sóng dòng điện phi tuyến tính này có thể được chia nhỏ thành một loạt các thành phần hài có độ lớn khác nhau. Các sóng hài này làm giảm hệ số công suất, nhưng không được tính đến trong Công thức 5. Để tính toán hệ số công suất méo, Tổng méo hài (THD) được giới thiệu. THD tính đến dòng điện liên quan đến từng sóng hài như được đánh dấu trong phương trình sau:
Khi THD bằng 0, hệ số công suất méo bằng 1, điều này sẽ xảy ra đối với hệ thống tuyến tính:
Hình ảnh hệ số công suất được hoàn thành bằng cách nhân hệ số công suất dịch chuyển và hệ số công suất biến dạng, kết quả là Hệ số công suất thực:
Hình 3 cho thấy các dạng sóng điện áp và dòng điện đầu vào của nguồn điện điển hình. Khi so sánh với điện áp hình sin, có thể thấy rõ bản chất phi tuyến tính của dòng điện.
Điều này là do sự kết hợp của bộ chỉnh lưu cầu và tụ điện số lượng lớn tạo ra bus một chiều điện áp cao bên trong nguồn cung cấp. Bộ chỉnh lưu được phân cực thuận và chỉ dẫn dòng khi điện áp đầu vào vượt quá điện áp trên tụ điện số lượng lớn.
Đo hệ số công suất
Cách tốt nhất để đo hệ số công suất là sử dụng đồng hồ đo công suất như hình 4 bên dưới. Các thiết bị này sẽ trực tiếp xuất ra công suất thực, do đó hệ số công suất không cần xem xét khi tính toán hiệu suất. Ngoài công suất thực, các đồng hồ này có thể đo hệ số công suất, THD, dòng điện cho từng sóng hài, v.v. Trong khi bộ điều hợp bên ngoài công suất thấp không có hệ số công suất hoặc giới hạn sóng hài xác định, các bộ nguồn cao hơn có giới hạn quy định cụ thể về nội dung sóng hài và hệ số công suất. Các tiêu chuẩn, chẳng hạn như EN 61000-3-2 quy định các giới hạn về dòng điện hài lên đến và bao gồm cả sóng hài thứ 39, đối với các mức công suất nhất định. Khi đo dòng điện hài của một nguồn điện thì cần phải có đồng hồ đo điện.
Hệ số công suất trong nguồn cung cấp điện
Bạn có thể nghĩ rằng tác động của việc bỏ qua hệ số công suất sẽ chỉ dẫn đến một lỗi nhỏ và / hoặc hệ số công suất của bộ chuyển đổi bên ngoài không thể tệ như vậy. Trên thực tế, nếu không có hiệu chỉnh hệ số công suất, hệ số công suất của bộ chuyển đổi bên ngoài có thể dễ dàng thấp tới 0,5 ở tải định mức. Bộ chuyển đổi có hệ số công suất 0,5 sẽ có công suất biểu kiến gấp đôi công suất thực, do đó dẫn đến kết quả không chính xác. Ngay cả khi nguồn điện có hiệu suất thực là 100%, phép đo này sẽ chỉ hiển thị 50%.
Ngoài việc bao gồm chung hệ số công suất trong tính toán hiệu quả, điều quan trọng cần lưu ý là hệ số công suất phụ thuộc vào dòng và tải. Các yêu cầu về hiệu quả, chẳng hạn như DoE Cấp VI, yêu cầu hiệu suất phải được đo ở một số điểm (25%, 50%, 75% và 100% tải) ở cả điện áp đường dây cao và thấp. Nếu hệ số công suất được sử dụng trong tính toán công suất thực thì phải đo lại hệ số công suất cho từng điều kiện này.
Ví dụ về thế giới thực
Như một ví dụ trong thế giới thực, hãy lấy Hình 3 và 4, thu được từ nguồn điện bên ngoài 20 W hoạt động ở 10,8 W. Với các phép đo thu được từ phạm vi trong Hình 3, chúng tôi kết thúc với sản phẩm vôn-ampe là 22,5 VA . Nếu chúng ta quên bao gồm hệ số công suất, thì sử dụng con số này, chúng ta sẽ thu được con số hiệu suất là 48%:
Sử dụng đồng hồ đo công suất, giống như thể hiện trong Hình 4, chúng ta thấy rằng công suất đầu vào thực thực tế chỉ là 12,8 W và sử dụng giá trị này, chúng tôi kết thúc với hiệu suất 84%, gần gấp đôi những gì chúng tôi thu được mà không tính đến hệ số công suất:
Bây giờ nếu hệ số công suất được xem xét, nhưng một máy hiện sóng và Công thức 5 đã được sử dụng để tính toán nó (hệ số biến dạng bị bỏ qua), một vài vấn đề tự xuất hiện. Đầu tiên, như thể hiện trong Hình 3, các phạm vi có thể gặp sự cố khi tự động tính toán độ lệch pha. Phạm vi được sử dụng trong Hình 3 đã tính toán một góc pha là 72 độ, có vẻ như không chính xác bằng mắt thường. Khi sử dụng con trỏ phạm vi để đo góc pha theo cách thủ công, chúng tôi nhận thấy rằng chúng tôi đang cố gắng đo độ lệch của hai dạng sóng có hình dạng khác nhau và xung dạng sóng hiện tại là không đối xứng.
Vì vậy, câu hỏi được đặt ra: chúng ta đặt con trỏ ở đâu, ở đỉnh hay ở tâm của xung? Trong cả hai trường hợp, giá trị kết thúc tối đa là một vài độ. Nếu chúng ta sử dụng công thức 5 để tính toán hệ số công suất dịch chuyển với một góc 5°, chúng ta có giá trị là 0,996. Nếu chúng ta nhân kết quả của 22,5 VA đã thu thập ở trên với hệ số công suất tính toán của chúng ta, chúng ta thấy kết quả gần như không thay đổi ở 22,4 VA. Điều này sẽ khẳng định khẳng định trước đó của chúng tôi rằng hệ số dịch chuyển gần với sự thống nhất và hệ số công suất biến dạng là thuật ngữ chi phối trong Công thức 8. Do đó, chúng ta có thể thấy rằng phương pháp phạm vi không có ích cho chúng ta và phương pháp duy nhất tạo ra kết quả chính xác là việc sử dụng đồng hồ đo điện.
Kết luận
Nhiều thập kỷ ngày càng có nhiều quy định đã khiến việc kiểm tra hiệu suất trở thành một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn và kiểm tra chất lượng của bộ nguồn cấp điện. Thiếu kinh nghiệm xử lý các mạch xoay chiều có thể khiến các kỹ sư kiểm tra bỏ sót hoặc tính toán sai hệ số công suất, dẫn đến số hiệu suất không chính xác. Khi kiểm tra các bộ nguồn rời bên ngoài, hoặc bất kỳ nguồn điện xoay chiều nào, phương pháp tốt nhất để tính toán công suất đầu vào thực là sử dụng đồng hồ đo điện. Các thiết bị này không chỉ đo trực tiếp công suất thực mà còn có thể đo dòng điện liên quan đến các sóng hài riêng lẻ và cung cấp bức tranh toàn cảnh về đầu vào của nguồn điện.