Jak tak čtu v nejrůznějších článcích a diskuzích pořád nějaké nesmysly o PFC, jeho ne/bezpečnosti, ne/měřené energii elektroměrem a to analogovým nebo digitálním, účiníku, účinnosti, příkonu, výkonu a podobných pojmech, rozhodl jsem se napsat tuto reakci a vysvětlení:
Kdo si není v základních pojmech úplně jistý, doporučuji prostudovat si i toto Vysvětlení pojmů: příkon, výkon, účinnost, účinník, elektroměr, harmonická, ať je opravdu jasno, co je co.
Než se dostanu k pojmu "PFC", dovolím si začít laicky stravitelně od začátku - proč a jak to vlastně celé vzniklo:
- Po vynálezu žárovky a jejím rozšíření bylo vše v pořádku, protože žárovka je v podstatě 100% činná zátěž, takže proud tekl všemi dráty ve fázi s napětím.
- S rozšířením asynchronních motorů, které jsou vlastně obrovská cívka drátu a tedy indukčnost a ze svého principu pracují se skluzem, došlo k tomu, že proud již neprocházel přívodními vodiči přesně ve fázi s napětím a vedením tak začal téct značný jalový výkon. Ale protože ztráty ve vedení jsou dány pouze procházejícím proudem a odporem vedení (napětí mezi vodiči žádnou ztrátu negeneruje) a distributoři elekřiny zjistili, že mají nezanedbatelně vysoké ztráty na vedení, začali se snažit ztráty minimalizovat. Proto se vybudovaly transformátorové stanice (= bohužel další indukčnost), aby se na vyšším napětí přenášel vyšší výkon při zachování stávajícího proudu a tedy ztrát (P=U*I). A v dalším kroku bylo potřeba minimalizovat jalovou složku přenášeného výkonu. Bohužel většina spotřebičů měla indukční charakter (motory, zářivková tělesa obsahující tlumivku, transformátory), a proto k samovolné kompenzaci spotřebiči s kapacitním charakterem nedocházelo. Začal se tak sledovat účiník vyráběných zařízení, do zářivkových těles doplňovat kompenzační kondenzátory a budovat celé kompenzační stanice, které měly za úkol vyřešit jalové toky místně a na dlouhé trasy už nechat přenášet pouze činnou složku.
- S nástupem elektroniky se však rozšiřuje použití eletronických spínačů a regulátorů a především usměrňovačů. A to už ani ne za transformátorem (na sekundární straně), ale čím dál častěji ve spínaných zdrojích hned na vstupu, tj. na primární straně. A zde je nutné si uvědomit, že usměrňovač následovaný většinou vysokokapacitním filtračním kondenzátorem odebírá proud ze sítě pouze těsně před a na vrcholu sinusovky a po zbytek času je uzavřený (dioda v usměrňovači se otevírá, pokud je na vstupu vyšší napětí než na kondenzátoru, tím se kondenzátor nabíjí, až tento po čase dosáhne tzv. vrcholové napětí a kdyby z něj nebyla odebírána energie, dioda už se příště neotevře). Maximální proud diodou proto teče skoro při maximálním napětí a fázový posuv se blíží 0, takže i v tomto smyslu definovaný účinník = cos(fí) = cca 1. Proud diodou však nemá ani zdaleka sinusový průběh, a proto můžeme na tuto definici účiníku zapomenout !!! V praxi však jakákoliv nelinearita a nespojitost (dioda se otevírá a zavírá) generuje vyšší harmonické složky, které pronikají po vedení do ostatních zařízení, ale jsou také vedením vyzařovány a mohly by rušit (rádio, TV, řídicí a měřicí systémy apod.). Aby k tomu nedocházelo, musejí taková zařízení obsahovat filtry, které vyšší harmonické složky (vždy jalové, protože elektrárna vyrábí pouze 50 Hz !) odfiltrují, nebo by se dalo říci: interně vykompenzují. Filtr je většinou složený ze sériové indukčnosti a paralelní kapacity, které, pokud nejsou v rovnováze, mohou způsobit měřitelný fázový posun. Kvůli hmotnosti a ceně zařízení jsou však filtry většinou pouze vysokofrekvenční (feritové tlumivky) a proto zůstává i s filtrem zachováno, že proud je odebírán ve fázi s napětím (ale pouze ve vrcholu).
- Dokud převažovalo všeobecné používání asynchroních motorů, nebyl žádný vážný problém, protože motory odebíraly energii ze sítě i v jiných částech sinusovky, a ve vrcholu, pokud byl zploštělý, ji, díky reciprocitě motor/generátor, naopak byly schopny i dodávat a celková spotřeba z elektrárny byla proto únosně vyrovnaná. Ale už i velké motory mají dnes frekvenční měniče, které napětí také nejprve usměrní, aby je pak přetvořily na vlastní frekvenci, kterou požaduje situace (mění se otáčky připojeného asynchronního motoru). A ve většině elektronických zařízení už jsou dnes také spínané zdroje.
- A vznikl opět problém. Přes usměrňovače teče proud pouze ve vrcholu a po zbytek sinusovky žádný neteče. Lidově tak lze říct, že při vrcholu napětí se může přenosová soustava zbláznit, aby byla schopna přenést požadovaný příkon a po zbytek času se fláká. A to se distributorům pochopitelně opět nelíbí, protože zbytečně rostou ztráty a vedení není přitom využito efektivně.
- Když se tak podíváte na tvar napětí ještě i v současné síti osciloskopem, většinou zjistíte, že má sinusovka lehce nebo někdy i těžce připloštělý vrcholek.
Co s tím ? Nejúčinějším řešením je, přinutit spotřebitele, aby odebírali energii rovnoměrně po celý čas, tj. po celou periodu sinusovky.
A to je jediný a opravdový účel "PFC" !
Způsobů, jak tohoto cíle dosáhnout při zachování výhod spínaného zdroje je více, ale principiálně jsou 3:
1. "pasivní PFC" = nejjednodušeji se předřadí pořádná sériová indukčnost (veliká a těžká tlumivka), která lehce vyhladí proudové špičky, ale hlavně posune fázi proudu a napětí, a tím dostane maximum odběru proudu mimo vrchol napětí. Jestli jste četli na počátku uvedený historický vývoj pozorně, mělo by vás napadnout: to vytloukáme klín klínem, protože ještě nedávno jsme se přeci snažili účiník soustavy kompenzovat a ne si schválně vytvářet fázový posun. Ale věřme, že v dnešní době už je fázový posun menší zlo, než deformovaná sinusovka, protože ten už umíme kompenzovat. A protože míra posunutí fáze takového zapojení závisí jednak na návrhu konstrukce, ale i na aktuální spotřebě zařízení, bude pro různá zařízení různá a při troše statistického štěstí to vyjde rozvnoměrně.
2. "aktivní předřazené PFC" = vpodstatě další předřazený spínaný zdroj s rekuperační tlumivkou, který "rozseká" vstupní sinusovku tak, aby pokud možno po celou periodu vstupní sinusovky byly usměrňovací diody otevírány a tím odebírán nějaký proud. Toto zapojení lze přirovnat k Step-Up měniči, který dělá ze sinusovky obdélník.
3. "opravdové (principiální) aktivní PFC" = musí se změnit celá konstrukce spínaného zdroje tak, aby bylo možné výrazně zmenšit (v ideálním případě zcela vypustit) veliké filtrační kondenzátory za usměrňovačem, čímž dosáhneme toho, že přes diody může téct proud prakticky pořád. Bohužel však získáme silně pulzující napětí (sleduje vstupní sinusovku). Řídicí elektronika proto musí být schopna vyrovnávat nejenom proměnlivost zátěže (0-100%), ale také kompenzovat značné kolísání vstupního napětí. To jistě není jednoduchá úloha a ve většině případů se při zachování malého zvlnění na výstupu zdroje nedá uřídit ze sekundární strany. Proto se stěhuje řízení zdroje na stranu primární tak, aby byla k dispozici i aktuální informace o primárním napětí a možnost velmi přesného časování výkonových prvků.
Tak a teď doufám, že už všichni pochopí, že PFC vůbec přímo nesouvisí s účinností, rušením, nebezpečností, spolehlivostí, celkovou kvalitou nebo dokonce účiníkem apod. Že jednotlivá řešení PFC sice mají už ze své podstaty vliv na uvedené parametry je sice pravda, ale podstatné je, že o to u PFC nejde !
Dalo by se tedy prostě konstatovat, že:
- řešení PFC si vymysleli především energetici a my se jejich přání podřizujeme
- jakékoliv PFC sníží celkovou účinnost zdroje (kromě špičkových řešení 3. kategorie)
- rušení bude 1. kategorie PFC snižovat, zatímco ostatní dvě zvyšovat
- jakákoliv součástka navíc spolehlivost nezvýší, spíše naopak
- a zobecňovat vliv ostatních parametrů je šarlatánství
Pokud někdo jde pouze po účinnosti, pak by měl ze svého zdroje vyházet všechny filtry, proudová omezení a ochrany, které vždy mají vlastní spotřebu, ale pak to nemůže zapnout, protože to bude nebezpečná rušička navíc bez důležitých ochran a tedy v praxi nepoužitelné.
Zajímavým paradoxem je, že se může stát, že začneme-li brát do úvahy i ztráty na našem vedení k elektroměru, které pochopitelně také platíme, může být celková spotřeba a tedy i účinnost a faktura za elektřinu s tím "méně účinným zdrojem s PFC" nižší než u "účinějšího zdroje bez PFC" ! Přesunuli jsme se totiž do pozice energetiků, kteří zohledňují, platí, a proto jim také vadí, ztráty na vedení způsobené silně pulzním proudem.
Praktičtějším prospěchem PFC pro nás však může být, pokud použijeme záložní zdroj UPS. Můžeme tak být přijemně překvapeni, že zdroj s PFC může výrazně prodloužit maximální dobu zálohování a posléze pak i celkovou životnost baterií !
Můžete si také zkusit, pokud vaše UPS již není schopna utáhnout počítač po jeho upgrade nebo rozšíření, vyměnit zdroj za nějaký s aktivním PFC a rázem může být UPS použitelná i po upgradu a třeba i s dostatečnou výkonovou rezervou. Stejně tak zdroje různých konstrukcí, přestože všechny s řešeným PFC, mohou určitým UPS vyhovovat více a jiné méně.
Proč, by teď již mělo být každému jasné.
Omlouvám se vysoce erudované veřejnosti za použitá zjednodušení a přirovnání a naopak laikům za některé těžko stravitelné detaily, ale kdyby se měly všechny pojmy a principy vysvětlit, byl by tento text několikanásobně delší ...
Kdo si není v základních pojmech úplně jistý, doporučuji prostudovat si i toto Vysvětlení pojmů: příkon, výkon, účinnost, účinník, elektroměr, harmonická, ať je opravdu jasno, co je co.
Než se dostanu k pojmu "PFC", dovolím si začít laicky stravitelně od začátku - proč a jak to vlastně celé vzniklo:
- Po vynálezu žárovky a jejím rozšíření bylo vše v pořádku, protože žárovka je v podstatě 100% činná zátěž, takže proud tekl všemi dráty ve fázi s napětím.
- S rozšířením asynchronních motorů, které jsou vlastně obrovská cívka drátu a tedy indukčnost a ze svého principu pracují se skluzem, došlo k tomu, že proud již neprocházel přívodními vodiči přesně ve fázi s napětím a vedením tak začal téct značný jalový výkon. Ale protože ztráty ve vedení jsou dány pouze procházejícím proudem a odporem vedení (napětí mezi vodiči žádnou ztrátu negeneruje) a distributoři elekřiny zjistili, že mají nezanedbatelně vysoké ztráty na vedení, začali se snažit ztráty minimalizovat. Proto se vybudovaly transformátorové stanice (= bohužel další indukčnost), aby se na vyšším napětí přenášel vyšší výkon při zachování stávajícího proudu a tedy ztrát (P=U*I). A v dalším kroku bylo potřeba minimalizovat jalovou složku přenášeného výkonu. Bohužel většina spotřebičů měla indukční charakter (motory, zářivková tělesa obsahující tlumivku, transformátory), a proto k samovolné kompenzaci spotřebiči s kapacitním charakterem nedocházelo. Začal se tak sledovat účiník vyráběných zařízení, do zářivkových těles doplňovat kompenzační kondenzátory a budovat celé kompenzační stanice, které měly za úkol vyřešit jalové toky místně a na dlouhé trasy už nechat přenášet pouze činnou složku.
- S nástupem elektroniky se však rozšiřuje použití eletronických spínačů a regulátorů a především usměrňovačů. A to už ani ne za transformátorem (na sekundární straně), ale čím dál častěji ve spínaných zdrojích hned na vstupu, tj. na primární straně. A zde je nutné si uvědomit, že usměrňovač následovaný většinou vysokokapacitním filtračním kondenzátorem odebírá proud ze sítě pouze těsně před a na vrcholu sinusovky a po zbytek času je uzavřený (dioda v usměrňovači se otevírá, pokud je na vstupu vyšší napětí než na kondenzátoru, tím se kondenzátor nabíjí, až tento po čase dosáhne tzv. vrcholové napětí a kdyby z něj nebyla odebírána energie, dioda už se příště neotevře). Maximální proud diodou proto teče skoro při maximálním napětí a fázový posuv se blíží 0, takže i v tomto smyslu definovaný účinník = cos(fí) = cca 1. Proud diodou však nemá ani zdaleka sinusový průběh, a proto můžeme na tuto definici účiníku zapomenout !!! V praxi však jakákoliv nelinearita a nespojitost (dioda se otevírá a zavírá) generuje vyšší harmonické složky, které pronikají po vedení do ostatních zařízení, ale jsou také vedením vyzařovány a mohly by rušit (rádio, TV, řídicí a měřicí systémy apod.). Aby k tomu nedocházelo, musejí taková zařízení obsahovat filtry, které vyšší harmonické složky (vždy jalové, protože elektrárna vyrábí pouze 50 Hz !) odfiltrují, nebo by se dalo říci: interně vykompenzují. Filtr je většinou složený ze sériové indukčnosti a paralelní kapacity, které, pokud nejsou v rovnováze, mohou způsobit měřitelný fázový posun. Kvůli hmotnosti a ceně zařízení jsou však filtry většinou pouze vysokofrekvenční (feritové tlumivky) a proto zůstává i s filtrem zachováno, že proud je odebírán ve fázi s napětím (ale pouze ve vrcholu).
- Dokud převažovalo všeobecné používání asynchroních motorů, nebyl žádný vážný problém, protože motory odebíraly energii ze sítě i v jiných částech sinusovky, a ve vrcholu, pokud byl zploštělý, ji, díky reciprocitě motor/generátor, naopak byly schopny i dodávat a celková spotřeba z elektrárny byla proto únosně vyrovnaná. Ale už i velké motory mají dnes frekvenční měniče, které napětí také nejprve usměrní, aby je pak přetvořily na vlastní frekvenci, kterou požaduje situace (mění se otáčky připojeného asynchronního motoru). A ve většině elektronických zařízení už jsou dnes také spínané zdroje.
- A vznikl opět problém. Přes usměrňovače teče proud pouze ve vrcholu a po zbytek sinusovky žádný neteče. Lidově tak lze říct, že při vrcholu napětí se může přenosová soustava zbláznit, aby byla schopna přenést požadovaný příkon a po zbytek času se fláká. A to se distributorům pochopitelně opět nelíbí, protože zbytečně rostou ztráty a vedení není přitom využito efektivně.
- Když se tak podíváte na tvar napětí ještě i v současné síti osciloskopem, většinou zjistíte, že má sinusovka lehce nebo někdy i těžce připloštělý vrcholek.
Co s tím ? Nejúčinějším řešením je, přinutit spotřebitele, aby odebírali energii rovnoměrně po celý čas, tj. po celou periodu sinusovky.
A to je jediný a opravdový účel "PFC" !
Způsobů, jak tohoto cíle dosáhnout při zachování výhod spínaného zdroje je více, ale principiálně jsou 3:
1. "pasivní PFC" = nejjednodušeji se předřadí pořádná sériová indukčnost (veliká a těžká tlumivka), která lehce vyhladí proudové špičky, ale hlavně posune fázi proudu a napětí, a tím dostane maximum odběru proudu mimo vrchol napětí. Jestli jste četli na počátku uvedený historický vývoj pozorně, mělo by vás napadnout: to vytloukáme klín klínem, protože ještě nedávno jsme se přeci snažili účiník soustavy kompenzovat a ne si schválně vytvářet fázový posun. Ale věřme, že v dnešní době už je fázový posun menší zlo, než deformovaná sinusovka, protože ten už umíme kompenzovat. A protože míra posunutí fáze takového zapojení závisí jednak na návrhu konstrukce, ale i na aktuální spotřebě zařízení, bude pro různá zařízení různá a při troše statistického štěstí to vyjde rozvnoměrně.
2. "aktivní předřazené PFC" = vpodstatě další předřazený spínaný zdroj s rekuperační tlumivkou, který "rozseká" vstupní sinusovku tak, aby pokud možno po celou periodu vstupní sinusovky byly usměrňovací diody otevírány a tím odebírán nějaký proud. Toto zapojení lze přirovnat k Step-Up měniči, který dělá ze sinusovky obdélník.
3. "opravdové (principiální) aktivní PFC" = musí se změnit celá konstrukce spínaného zdroje tak, aby bylo možné výrazně zmenšit (v ideálním případě zcela vypustit) veliké filtrační kondenzátory za usměrňovačem, čímž dosáhneme toho, že přes diody může téct proud prakticky pořád. Bohužel však získáme silně pulzující napětí (sleduje vstupní sinusovku). Řídicí elektronika proto musí být schopna vyrovnávat nejenom proměnlivost zátěže (0-100%), ale také kompenzovat značné kolísání vstupního napětí. To jistě není jednoduchá úloha a ve většině případů se při zachování malého zvlnění na výstupu zdroje nedá uřídit ze sekundární strany. Proto se stěhuje řízení zdroje na stranu primární tak, aby byla k dispozici i aktuální informace o primárním napětí a možnost velmi přesného časování výkonových prvků.
Tak a teď doufám, že už všichni pochopí, že PFC vůbec přímo nesouvisí s účinností, rušením, nebezpečností, spolehlivostí, celkovou kvalitou nebo dokonce účiníkem apod. Že jednotlivá řešení PFC sice mají už ze své podstaty vliv na uvedené parametry je sice pravda, ale podstatné je, že o to u PFC nejde !
Dalo by se tedy prostě konstatovat, že:
- řešení PFC si vymysleli především energetici a my se jejich přání podřizujeme
- jakékoliv PFC sníží celkovou účinnost zdroje (kromě špičkových řešení 3. kategorie)
- rušení bude 1. kategorie PFC snižovat, zatímco ostatní dvě zvyšovat
- jakákoliv součástka navíc spolehlivost nezvýší, spíše naopak
- a zobecňovat vliv ostatních parametrů je šarlatánství
Pokud někdo jde pouze po účinnosti, pak by měl ze svého zdroje vyházet všechny filtry, proudová omezení a ochrany, které vždy mají vlastní spotřebu, ale pak to nemůže zapnout, protože to bude nebezpečná rušička navíc bez důležitých ochran a tedy v praxi nepoužitelné.
Zajímavým paradoxem je, že se může stát, že začneme-li brát do úvahy i ztráty na našem vedení k elektroměru, které pochopitelně také platíme, může být celková spotřeba a tedy i účinnost a faktura za elektřinu s tím "méně účinným zdrojem s PFC" nižší než u "účinějšího zdroje bez PFC" ! Přesunuli jsme se totiž do pozice energetiků, kteří zohledňují, platí, a proto jim také vadí, ztráty na vedení způsobené silně pulzním proudem.
Praktičtějším prospěchem PFC pro nás však může být, pokud použijeme záložní zdroj UPS. Můžeme tak být přijemně překvapeni, že zdroj s PFC může výrazně prodloužit maximální dobu zálohování a posléze pak i celkovou životnost baterií !
Můžete si také zkusit, pokud vaše UPS již není schopna utáhnout počítač po jeho upgrade nebo rozšíření, vyměnit zdroj za nějaký s aktivním PFC a rázem může být UPS použitelná i po upgradu a třeba i s dostatečnou výkonovou rezervou. Stejně tak zdroje různých konstrukcí, přestože všechny s řešeným PFC, mohou určitým UPS vyhovovat více a jiné méně.
Proč, by teď již mělo být každému jasné.
Omlouvám se vysoce erudované veřejnosti za použitá zjednodušení a přirovnání a naopak laikům za některé těžko stravitelné detaily, ale kdyby se měly všechny pojmy a principy vysvětlit, byl by tento text několikanásobně delší ...
od teorie zpět k praxi: ve vašem příkladu s PFC a UPS to nebývá pravda, některé UPS a některé zdroje s aktivním PFC se spolu doslova nesnášejí a pokud má UPS přejít do režimu napájení z baterií dojde k havárii.
píšete to, jako kdyby byla moje chyba, že výrobci vyrábějí zařízení, která nesplňují požadavky na vzájemnou komaptibilitu s běžně používanými standardy.
Uveďte nám zde, prosím, příklad, o jaké typy UPS a zdrojů se jedná (spíše principiálně než konkrétními modely), a proč tato kombinace nefunguje, a budeme všichni rádi, že budeme vědět, na co si dát pozor.
Uveďte nám zde, prosím, příklad, o jaké typy UPS a zdrojů se jedná (spíše principiálně než konkrétními modely), a proč tato kombinace nefunguje, a budeme všichni rádi, že budeme vědět, na co si dát pozor.
Ale kdepak, nikdo vám nic nevyčítá, jen jsem chtěl uvést věci na pravou míru. Problémem jsem se nijak nezabýval, pouze vím, že existuje a týká se to evidentně jen UPS, které které netvoří na výstupu sinus ale něco co se tomu více či méně podobá, čili většina. O jaké konkrétní výrobky šlo zkusím dohledat, ale rozhodně to nebyl problém jednotlivce.
Jestli to máte někde rozpracované nebo otestovatelné, asi by stálo za to, zabývat se touto problematikou podrobněji, protože UPS i zdroj s PFC má dnes už skoro každý ...
Já jsem se s tímto problémem ještě nesetkal, a ani mne teď nenapadá, v čem by mohl principiálně být, ale určitě se rád něco nového dozvím ...
Já jsem se s tímto problémem ještě nesetkal, a ani mne teď nenapadá, v čem by mohl principiálně být, ale určitě se rád něco nového dozvím ...
