Comment (et pourquoi) déterminer le facteur de puissance des dispositifs médicaux

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 Thomas Edison pour

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.

Ceci est vrai pour tout angle de phase choisi : le courant dans les trois phases s'équilibrera.

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.

L'image principale de cet article a été générée parle générateur d'images AI de HackerNoon via l'invite "thomas edison regardant l'ampoule"