의료 기기의 역률을 결정하는 방법(및 이유)

교류(AC) 전원을 사용하는 이유는 무엇입니까? 왜 전력회사는 배급만 하면 안되나요?

직류(DC) 전원은 현대 가전제품을 다룰 때 일반적으로 가장 먼저 하는 일이

AC를 DC로 변환 하시겠습니까? 이러한 질문에 대한 답은 토마스 에디슨 의 노력에서 비롯됩니다.

그의 백열등을 홍보하고 뉴욕을 전기로 바꾸세요.

Edison의 발전기는 DC 전원을 생산했는데, 이는 지역 배전용으로 잘 작동했지만 필요했습니다.

몇 블록 이상 떨어진 곳에 부하를 공급하는 매우 큰 케이블 또는 발전소

몇 블록. 이는 최종 사용에 실용적인 전압에서는 큰 전류가 필요하기 때문입니다.

작은 면적 그 이상을 전기화하십시오. George Westinghouse가 후원하는 Nikola Tesla를 입력하세요.

몇 블록마다 저전압 변전소를 갖춘 고전압 AC 송전선을 장려합니다.

현지 유통. 중요한 차이점은 변전소에는 변압기만 필요하다는 것이었습니다.

DC 솔루션에는 완전한 증기 동력 발전소가 필요했습니다.

결국 웨스팅하우스는 수력 발전소를 건설하면서 벌어진 전쟁을 해결했습니다.

수백 마일 떨어진 곳에서도 화물을 공급할 수 있었던 나이아가라 폭포. 그러나 소수에서는

매우 긴 지점 간 전송 라인, 균형이 매우 높은 전압 쪽으로 기울어짐

DC 송전선(예: 워싱턴 주의 Grand Coulee Dam에서 Los까지의 전력선)

앙헬레스).

교류전력은 유도전동기, 전동기, 전동기 등 산업화의 핵심이 되는 수많은 발명을 가능하게 했습니다.

가스 방전 램프 안정기, 조명 조광기 및 전기 면도기. 하지만 AC의 어두운 면 중 일부는

전력은 역률의 개념입니다. DC 전원의 전압은 일정하므로 위상이 없습니다.

그것과 관련된; AC 전원은 (이상적으로) 정현파이며 전압과 전류가 0V를 교차합니다.

초당 120회(60Hz 주기당 2회). 부하(또는 전력선)가 약간 약한 경우

유도성이든 용량성이든 전류는 전압보다 늦거나 앞서게 됩니다.

그림 1은 인덕터를 구동하는 120VAC, 60Hz, AC 전압 소스의 LTspice 모델을 보여줍니다.

저항과 커패시터가 병렬로 연결되어 있습니다. 그림 2는 이 시뮬레이션의 출력을 보여줍니다.

소스 전압 V(n001), 인덕터 전류 I(L1), 저항 전류 I(R1),

커패시터 전류 I(C1). 저항 전류만이 전압과 위상이 일치한다는 점에 유의하십시오.

인덕터 전류는 전압보다 90도 "지연"되는 반면 커패시터 전류는 "리드"됩니다.

전압을 90도.

역률을 결정하는 방법(및 이유)

역률은 전통적으로 평균 제곱근 사이의 각도의 코사인으로 정의됩니다.

(RMS) AC 전압 - 동일한 가열 효과를 생성하는 AC 전력량으로 정의됩니다.

DC 전력 및 RMS AC 전류로 사용됩니다.

DC 부하가 소비하는 전력을 계산하려면 간단히

부하의 전압에 부하를 통과하는 전류를 곱합니다.

AC 부하에 의해 소비되는 전력을 계산하려면 ,

RMS 전압과 전류의 곱에 역률을 곱해야 합니다.

전압과 전류가 같은 위상(0도 위상 오류)인 경우 0의 코사인은 1이므로

DC와 동일한 계산. 이는 부하가 저항적으로 보일 때 발생합니다. 단계인 경우

오류는 60도이고 코사인 60은 0.5입니다. 전압과 전류의 곱의 절반만이

로드에 전달됩니다. 그럼 나머지 절반은 어디로 가는 걸까요? 그 전류는 여전히 전류를 통해 순환합니다.

전력선; 단지 부하에 유용한 전력을 공급하지 못할 뿐입니다.

"피상 전력" 파형(볼트 암페어 또는 VA라고 함)을 동위상 및 역위상 부분(때때로 "실수" 및 "허수" 부분이라고도 함)으로 분해할 때,

각각 - 동위상 부분(코사인 계수)을 전력(와트 단위로 측정)이라고 합니다.

위상차 부분(사인 계수)을 무효 전력(측정된 볼트-암페어 반응성 또는 VAR)이라고 합니다. 따라서 역률은 실제 전력을 VA로 나눈 값(PF = W/VA)으로 정의할 수도 있습니다. 전원 패널의 와트 미터는 실제 전력만 측정하므로 고객에게는 실제 전력에 대해서만 요금이 청구되지만 유틸리티 회사는 여전히 총 전류를 처리할 수 있도록 장비 크기를 조정해야 합니다.

따라서 현재의 모든 "청구 가능" 전류를 만들기 위해 노력합니다.

이것이 의료기기에 적용되는 방식

하지만 비용이 청구되지 않는 경우, 이것이 왜 문제가 됩니까? 첫째, 유틸리티

궁극적으로 고객에게 모든 비용을 청구하므로 역률 교정 비용이 전가됩니다.

소비자에게. 둘째, EN60601, EN61000, IEC555 등 점점 더 많은 기관 사양에서 의료 기기에 대한 역률 보정을 요구합니다(때때로

전력선 고조파 제어). 의료기기 제조업체는 다양한 제품을 제공해야 합니다.

전력 출력에 따라 제품의 역률 보정 정도

애플리케이션. '내 제품에는 큰 짐이 들어있지도 않고, 하물며

유도성 또는 용량성 유형”에는 추악한 머리를 드러내는 미묘함이 있습니다. 바로 그 작은 스위칭입니다.

효율성/폭을 충족하기 위해 제품에 전원 공급 장치를 삽입

입력/크기/무게/포장 요구 사항에 따라 고유한 역률 변형이 발생합니다.

부패.

부하가 저항성으로 나타날 때 1의 역률이 발생한다는 점을 기억하십시오. 스위치 모드

전원 공급 장치(SMPS)는 일반적으로 전력선을 정류한 다음 대형 커패시터를 충전하여

전압 사인파가 0V로 떨어지는 동안 회복될 때까지 에너지를 저장합니다. 이 콘덴서라면

충분히 크면 전력선이 끊어지거나 "파손"될 수 있을 만큼 충분한 에너지를 저장합니다.

큰 부하가 라인에 연결될 때 발생하는 것과 같은 여러 사이클(예: 에어컨 압축기 시동 또는 레이저 프린터 히터 사이클링). 전원 공급 장치 설계자의 관점에서 보면

보기에는 입력 커패시터가 클수록 좋습니다. 커패시터가 충분히 크면 매우 방전됩니다.

전력선 사이클 중에는 전력선 전압이 거의 없으며 정상 상태에서는 전력선 전압이

파형의 양수 및 음수 피크에서 커패시터 전압보다 큽니다.

따라서 전류는 전력선 전압 파형의 피크 동안에만 흐릅니다.

완벽하게 동상이므로 역률이 1이 되어야겠죠? 음, 부하가 있다는 것을 기억하세요

저항하는 것처럼 보여야 합니다. 그림 3 그림 4는 저항성 부하의 AC 전류 파형을 보여줍니다.

동등한 전력 수준의 스위칭 전원 공급 장치. 저항이 생성한다는 점에 유의하십시오.

예상되는 동위상 정현파, 스위처 프런트 엔드는 임펄스를 생성합니다.

사이클당 전류가 두 번 발생합니다. 펄스는 여러 사인파의 중첩입니다.

일정한 간격으로 발생하므로 펄스를 구성하는 사인파는 모두 조화롭게 이루어져야 합니다.

관련된. 이 경우 60Hz가 기본이고 다른 정현파는 60Hz의 고조파입니다.

간단한 오프라인 스위칭 전원 공급 장치의 프런트 엔드 토폴로지는 다음 그림에 나와 있습니다.

그림 3의 오른쪽. AC 전압 소스(Vswitcher)는 4개의 다이오드에 의해 정류되고

커패시터(C1)를 충전합니다. 일반적으로 스위칭 전원 공급 장치는 에너지로 작동합니다.

커패시터에 저장됩니다(R1에 의해 소비되는 전력은 공급 장치의 부하를 시뮬레이션합니다). 을 위한

비교해 보면 그림 3의 왼쪽 절반은 저항성 부하(R2)만 있는 파형을 보여줍니다. 그림 4

이 회로의 파형을 보여줍니다. 예상대로 전압과 전류는 동위상입니다.

상단 창에 표시된 저항 부하의 경우. 0에 가까운 작은 불연속성이 있을 것입니다.

다이오드 순방향 전압으로 인해 교차하지만 규모 때문에 여기에서는 표시되지 않습니다.

인가된 전압은 스위처 프런트엔드와 동일하지만 결과적인 전류는 다음과 같습니다.

중간 창. 전류의 규모(상단 창의 오른쪽에 표시됨)는 다음과 같습니다.

중간 창에서는 약 20배 더 큽니다(800mA 피크 대 40mA 피크). 하단 창

저항 양단의 전압으로 측정하여 두 회로 모두 동일한 전력을 소비한다는 것을 보여줍니다.

그것을 통과하는 전류를 곱합니다. R1이 R1에서 작동하기 때문에 R1은 R2보다 큽니다.

약 169VAC이고 R2는 120V RMS에서 작동하지만 각각에서 소비되는 전력은 다음과 같습니다.

똑같다. 이 그림은 최악의 경우이지만 피크가 얼마나 높은지 보여줍니다.

전류는 동일한 전력에서 작동하는 저항성 부하보다 스위치 모드 입력에 대한 것일 수 있습니다.

수준.

고조파 발전 및 3상 발전

전력선의 스위처 입력 전류 파형으로 인해 두 가지 결과가 발생합니다.

다수의 스위칭 공급 장치가 설치됩니다. 첫째, 라인의 피크에서 큰 전류 펄스가 필요하기 때문에 이를 전체 사이클에 걸쳐 확산시키는 대신 전압이 저하됩니다.

도체의 저항 강하 및 변압기의 포화 또는 무정전 전원으로 인해

용품. 이로 인해 전압 파형이 왜곡되고 추가 전력선 고조파가 생성됩니다. 심지어

전류 펄스는 전압 파형의 피크와 시간이 맞춰져 있지만 기본 펄스만

주파수는 실제로 전압과 위상이 같습니다. 고조파 전류가 들어오고 나갑니다.

다이오드가 "켜져 있는" 동안 커패시터를 사용하되 상당한 전하를 저장하지 마십시오. RMS 전류계

모든 고조파 전류를 측정하지만 실제 전력은 커패시터에 저장된 에너지일 뿐입니다.

각 사이클. 따라서 RMS 전류와 전압의 곱은 다음과 같이 표시됩니다.

실제 전력보다 더 큰 피상 전력.

IEC 60601 전반에 걸쳐 다음과 같은 의료기기를 재분류하는 단락이 배포되어 있습니다.

그렇지 않은 경우 국제 무선 간섭 특별위원회(CISPR) 요구 사항을 통과해야 합니다.

전력선의 3차 고조파 왜곡을 제외하고. 이는 특히 다음에 적용됩니다.

위상당 부하가 75W보다 크고 16A 미만인 장치. 3차 고조파 왜곡

부하의 비선형성에 의해 생성될 수 있지만 가장 일반적으로 스위치드에서 파생됩니다.

모드 전원 공급 장치(SMPS) 프런트 엔드.

그림 5는 그림 4의 중간 창에 있는 전류에 대한 스펙트럼 분석(FFT로 수행)입니다.

(SMPS에 대한 시뮬레이션된 입력 전류) 진폭은 y축에 표시되고 주파수는

x축에 표시됩니다(두 축 모두 로그 눈금으로 표시됩니다). 순수 정현파 입력

전류는 60Hz에서 단일 피크를 갖지만 그림 4의 왜곡된 파형은

60Hz에서 기본파, 180Hz에서 거의 동일하게 큰 스파이크(60의 3차 고조파),

높은 고조파를 동반합니다.

60601이 목표로 하는 세 번째 고조파의 효과를 확인하기 위해 그림 6은 다음을 보여줍니다.

60Hz 전류의 중첩[I(60Hz)로 표시된 녹색 트레이스와 세 번째

고조파 I(180Hz]. 결과 파형 I(부하)는 다음과 유사한 모습을 보여줍니다.

SMPS의 입력 전류. 전류는 둘 중 하나에서 불균형적으로 낮습니다.

제로 크로싱 측면에서 전압이 정점에 도달합니다. 특징

SMPS 입력 전류의 파형은 특히 60601로 해결됩니다.

이 고조파 생성 외에도 두 번째 결과(스위처 입력 전류

다수의 스위칭 공급 장치가 설치된 전력선의 파형)

3상 발전 현상이다. 이게 가장 이해하기 쉽네요

120도 간격으로 3상이 모두 공유되는 "WYE"(Y) 구성

그림 7과 같이 공통 중성선입니다.

각 위상(A, B, C)에서 중성선에 연결된 저항성 부하를 상상해 보십시오.

계산에 들어가지 않고 A단계가 양의 정점에 있다고 상상해 보세요.

편위, 단계 B는 120도 지연되고 단계 C는 240도 지연됩니다.

도(리딩 위상 A와 120도 동일함). 흐르는 전류

저항 R1에 들어가는 전류는 R2와 R3에서 흐르는 전류의 합과 정확히 같습니다.

그림 7의 아래쪽 창에는 세 가지 전류 각각에 흐르는 세 가지 전류가 표시됩니다.

위상 저항기. 부하가 완벽하게 균형을 이루는 한 중성선의 전류는 0입니다. 중성 전류 I(Neutral)은 아래쪽에서 두 번째 창에 약 0으로 표시됩니다.

이는 선택한 모든 위상 각도에 적용됩니다. 세 위상 모두의 전류가 균형을 이룹니다.

실제로 중성선은 두 선 사이의 사소한 불균형을 처리하기 위해서만 존재합니다.

일반적으로 각 위상 와이어와 동일한 게이지 와이어입니다. 이제 교체하세요

스위칭과 유사한 삼각 펄스를 사용하는 3상 정현파 구동

위에서 살펴본 전원 공급 장치. 세 개의 삼각 위상 파형의 오버레이

그림 8의 상단에서 두 번째 창에 표시됩니다. 이제 위상 A가

포지티브 편위의 피크와 큰 전류 스파이크를 생성합니다. 다른 두 개는

위상에는 전류가 흐르지 않으며 중성선은 모든 복귀 전류를 전달해야 합니다.

현재의. 중성선은 위상 전선과 크기가 같으므로 문제는 무엇입니까?

음, 위상을 120도 회전하면 위상 B가 최고점에 도달하여 동일한 것을 공급합니다.

중성선이 운반해야 하는 전류를 공급한 다음 위상 C가 도달할 때까지 위상을 회전시킵니다.

그것의 최고점. 전력선의 한 사이클에서 중성선은 3배의 전력을 전달해야 했습니다.

각 상 전선의 전류. 상단에 I(Neutrl)로 표시된 전류입니다.

창유리. 최상의 결과 시나리오에서도 중성선은 매우 뜨거워지고

전압이 예상보다 훨씬 많이 저하됩니다.

장치의 역률 제어

좋습니다. 역률을 제어하는 것은 걱정할 만한 일입니다. 무엇을 할 수 있는가?

그걸 고치면 돼? 좋은 소식은 반도체 회사들이 열심히 일하고 있다는 것입니다.

당신에게 솔루션을 판매합니다. 귀하의 디자인이 귀하의 요구 사항을 충족하는 데 거의 근접한 경우

역률 보정을 수행하려면 해당 설계를 다시 검토하고 입력 전압 범위를 살펴보십시오.

스위칭 IC는 입력 제한이 더 낮은 수준까지 작동하거나 새 IC를 선택합니다.

입력 전도각을 늘리려면 입력 커패시터의 크기를 줄이고

시간이 지남에 따라 전류 스파이크를 확산시킵니다(저항과 비슷함). 물론 이렇게 하면

귀하의 공급이 중단되거나 갈색으로 변할 가능성이 더 높아지도록 만드십시오. 크기 증가

출력 커패시터 중 일부는 도움이 되지만 꽤 많은 공간을 차지하기 시작합니다.

다른 문제가 발생할 수 있습니다. 전력선용 패시브 60Hz 대역통과 필터

도 사용 가능하지만 상당한 공간이 필요한 경향이 있습니다.

또는 설계에 역률 보정기(PFC)를 추가할 수 있습니다. 일부

스위칭 컨트롤러에는 역률 보정이 포함되어 있지만 전면은 독립적입니다.

끝이 가장 일반적입니다. 이해하기 가장 간단한 독립 프런트 엔드는

"Constant On-Time"(COT) 부스트 컨버터. 전원선과 전선 사이에 삽입됩니다.

위의 모든 문제를 일으킨 입력 커패시터입니다. 이 PFC는 실제로

입력 커패시턴스가 없습니다(필터의 X 및 Y 커패시터 제외).

이름에서 알 수 있듯이 일정한 온타임 부스트 토폴로지를 사용하여 입력 에너지 저장 커패시터를 장치가 볼 수 있도록 설계된 전력선의 최고 피크보다 큰 전압으로 충전합니다.

예를 들어 높은 라인이 120VAC + 10%(120 X √2 X 1.10 = 187V)인 경우,

부스트 전압으로 200V를 선택할 수 있습니다. 부스트 컨트롤러는

인덕터가 포화되는 것을 방지할 수 있을 만큼 짧은 시간 동안 인덕터를 부스트합니다.

라인의 정점. "빠른" 제어 루프가 인덕터 스위칭을 구동하므로 각

스위치 사이클은 같은 기간 동안 "켜짐"입니다. 인덕터 전류는 LVt(L =

인덕턴스, V = 전압, t = 시간) — L과 t는 고정된 상태에서 — 인덕터(I)

전류이므로 전력선 전류는 V에 비례합니다. 왜냐하면 I는

V에 비례하면 입력이 저항성으로 보입니다.

이는 고정된 전력 수준에서는 허용 가능한 수준으로 작동할 수 있지만 부하가 변동하는 경우

출력 전압은 크게 달라집니다. 이 문제를 해결하기 위해 부스트 컨트롤러에는 실제로 두 가지가 있습니다.

루프: 위에서 설명한 빠른 루프와 "켜짐" 시간을 조정하는 느린 루프

커패시터 전압을 제어하기 위해 여러 전력선 사이클에 걸쳐 천천히 제어합니다.

그 저항적인 모습을 유지하기 위해. 커패시터 전압은 느슨하게 조절되며,

이는 커패시터가 다음을 수용할 수 있도록 크기와 정격을 지정해야 함을 의미합니다.

변화. 그러나 부스트 회로는 커패시터에 대한 입력을 나타나게 하기 때문에

저항성이 있으므로 커패시터는 이제 상대적으로 커질 수 있습니다. 이 토폴로지는 부스트이기 때문에

변환기, 출력(에너지 저장 커패시터) 전압이 입력 전압보다 작은 경우

전압에 따라 전류가 입력에서 출력으로 흘러 커패시터를 충전합니다. 이 경우,

전원 공급 장치는 계속해서 정상적으로 작동하지만 역률은

수정이 실패할 것입니다.

고정 온타임 부스트 컨버터의 과장된 전류 파형이 표시됩니다.

그림 9에서. AC 공급 전압은 필터링되지 않은 공급 전류인 V(vac)로 표시됩니다.

는 I(Ac)로 표시되고 출력 커패시터의 전압은 Vout으로 표시됩니다. 알아채다

부스트 컨버터로 유입되는 전류 파형의 평균은 다음과 같습니다.

정현파이고 전압과 위상이 같습니다. 여기에 표시된 스위칭 속도는 매우

개별 펄스를 더 잘 보이게 하려면 속도를 늦춥니다. 전환 속도를 높이면

스위치 잡음을 더 간단하게 필터링하고 연속 전도로 작동하도록 만듭니다.

모드에서는 개별 스위치 사이클의 진폭이 더욱 감소합니다.

부스트 토폴로지의 또 다른 장점은 실제 스위칭 전원이

역률 보정 프런트 엔드 뒤에 - 이제 상대적으로 고정된 전압에서 작동합니다.

전압. 부스트 스테이지가 넓은 입력 범위를 수용할 수 있는 경우,

이 입력을 충족하기 위한 나머지 공급은 완화됩니다.

다른 토폴로지도 존재하며 각각 고유한 장점과 단점이 있습니다.

현재 일부 전원 공급 장치 모듈에 역률 보정 기능을 사용할 수 있습니다.

내장; 입력 커패시터, 부스트 커패시터 및 출력만 있으면 됩니다.

콘덴서. 어떤 솔루션을 선택하든 설계 시뮬레이션이 매우 중요합니다.

권장됩니다. 회로가 어떻게 반응하는지에 대한 더 큰 통찰력을 제공하기 때문입니다.

코너 케이스에. TI의 Tina, Intersil의 온라인 시뮬레이터 및 Linear Technologies의

LTspice는 시뮬레이션에 사용할 수 있는 선택 항목 중 하나입니다. 다양한 솔루션으로

가능하므로 역률 보정은 예전만큼 어려운 작업이 아닙니다.

이 기사의 리드 이미지는 HackerNoon의AI 이미지 생성기 에서 "전구를 보고 있는 토마스 에디슨" 프롬프트를 통해 생성되었습니다.