Корректор коэффициента мощности своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 18.09.2024

Этот вопрос уже давно поднимается на различных форумах, посвящённых силовой электронике.
Реальная выгода от Корректора Коэффициента Мощности (ККМ) очевидна:
1) Ток, потребляемый сети, например, в сварочном аппарате, уменьшится раза в полтора. Без ККМ прцентов тридцать - доля реактивной составляющей тока. Приходилось наблюдать, как немецкий аппарат с корректором работал на удлинителе 20 м, когда ни один из простых аппаратов не работал. Это свойство хорошо в деревне при плохой сети.
2) Расчёт силового трансформатора, выбор транзисторов и охлаждения в источнике питания
без ККМ производится, исходя из 250 В постоянного напряжения после выпрямления сетевого, а с корректором - исходя из 380 В.
Схемотехника и элементная база в этой области хорошо отработана, просто у нас ещё не востребована в должной мере, но законы уже подготовлены и скоро будут приняты. И будет как в Европе, где источники питания без ККМ запрещены.
Надо просто брать и делать.
А если кто - нибудь пробовал это делать, просьба поделиться опытом

.Здесь находится статья, в которой, по мнению авторов, ККМ обладает всеми нужными и положительными свойствами. Вот только как работает, не совсем понятно. Может подскажете, работоспособная ли там заложена схема для сварочных аппаратов, или все слишком сложно в реализации?

2Виктор-2
Кстати и у Володина на сайте есть ссылки на IR , где есть расчеты всякого рода силовых штучек. зашел, зарегистрировался полазил, посмотрел, оч интересно.
И у него лежит там пример расчета PFC на 4 квт. По мощи как раз для сварочника.
Надо будет посерьезнее проштудировать

2Multik
У меня после пробных испытаний сварочника-косаря сложилось впечатление, что у него реальный кпд, с учетов косинуса, ну процентов 60 -70, не более. Прикидывал по счетчику.
Но так ли все это выйдет красиво с ККМ? Законы диалектики подсказывают что не бывает такого. Выползут проблемы в других местах.
Вот мне видится что токовые нагрузки-проблемы ключей, трансформируясь переползут в трансформатор. А именно, было 310 вольт, станет 400. Посему индукция выростет на 30 процентов, больше витков надо, или поднимать частоту.
Мах напруга на концах первичке тоже выростет, изоляция нужна прочнее.

2Multik
Так может показометр глючит? Он ведь наверное расчитан на сдвиг фаз от индуктивности (емкости). А вот с мостом все что через него пройдет назад не вернется. Конечно на подводящих проводах действующий ток больше. Но это не из-за реактивности, а потому что P=I^2*R. Имеетмя ввиду мощность потерь в подводящих проводах. Вот поэтому не следует увлекаться наращиванием емкости после моста.

2wiha
Показометр нипричем, если на длинной сети c КММ аппаратик варит, а без него - Х.
У меня то дома сеть неплохая, приходилось делать удлиннитель на 30 метров. Даже боди билдинг варил. Там кпд подозреваю вообще процентов 30 -40

2Виктор-2
по поводу статьи.

на входе выпрямитель с удвоением напряжения(какой же тут ККМ они ж индуктивность перенесли за выпрямитель?).
далее обычный полумост.
в выпрямителе кондерчик (который на верно и реализует их "фишку")

На удвоителе будет вольт 700 (какие транзисторы надо в полумост?)
Возврат энергии индуктивности рассения - без комментариев.
Мягкое переключение ключей при работе на емкосную нагрузку.
и последнее: через кондерчик рис.4 будет течь ток нагрузки (для сварки это ампер 100-150).

К стати, ток который течет через ключ в режиме выпрямителя имеет инверсное направление, по этому в схеме можно применять только полевики.
Да и синхронное выпрямление (когда диоды параллелятся ключами или заменяются ими) имеет смысл только при малых выходных напряжениях

2k_p
Присоединяюсь, синхронное выпрямление это для бустеров , что для всяких мелких аккумов. Нам это ни к чему.
А что ты думаеш насчет того PFC что 4 квт на IR1150 ? реально такое или п.. шь ?
По идее эти дядьки с IR не должны врать.
Вот где б найти парочку этих 1150 и попробовать.

Еще по поводу корректора. Мостик нужен из шустрых диодиков ампер на 50. И частоту не меньше 100кГц, иначе дроссель будет как транс.

2wiha
А это почему мостик из шустрых диодов ?
Вот насчет частоты согласен, и разрядный диодик непростой нужен.
И еще неясно как это все поведет в условиях быстропеременной нагрузки
Вот если найду1150 непременно попробую

Виктор-2 написал :
.Здесь находится статья, в которой, по мнению авторов, ККМ обладает всеми нужными и положительными свойствами. Вот только как работает, не совсем понятно. Может подскажете, работоспособная ли там заложена схема для сварочных аппаратов, или все слишком сложно в реализации?

Эта фишка уже года два, как там висит. За всё это время я не нашёл в интернете ничего похожего.
Многое при внимательном рассмотрении кажется сомнительным. Ну а уж для сварника эта штука точно не пройдёт. Через конденсаторы на выходе 160 А гнать не реально.

Я один раз косого сделал по Barmaley'ю. У меня тоже сложилось впечатление, что КПД не более 70%.
Но дубовость схемы всё же подкупает. Поэтому я и открыл у Валентина тему "Повышение эффективности косого моста":

Однозначно в первичке должно быть больше витков, но более тонким жгутом.
На практике проблемы с изоляцией возникают нри напруге более 600 В.

Есть такие приборы, которые измеряют коэффициент мощности нагрузки. Вот они и показывают, что КМ сварника без корректора на уровне 70 %. Просто показывают, и ничего не объясняют. Мне кажется Sam_soft грамотно объяснил при помощи Фурье.

А что ты думаеш насчет того PFC что 4 квт на IR1150 ? реально такое или .
По идее эти дядьки с IR не должны врать.
Вот где б найти парочку этих 1150 и попробовать.

Во-первых, где найти парочку 1150 ты знаешь. Правда, я у них приобрёл десяток UC3854. Потому, что в инете по ней больше всего наработок. Просто бери и делай. Но я хочу сделать с мягким переключением, типа одной из схем, приведённых в статье:

все схемы из статьи есть на сайте Дельты здесь:

и здесь:

К сожалению, рекомендации по использованию SiC -диодов не по карману.

Мне кажется что с выключением ключа все нормально - снабер получется не хилый, а проблемы восстановления бустерного диода можно решить малюсеньким насыщающимся дроселем последовательно с диодом.

Судя по токам в ККМ, крутиться в голове мысля: раз уж ключики получаются на приличный ток, то может объединить ключи ККМ и инвертора, получим солидный ключик. Уменьшаем коэфф. трансформации инвертора и питаем его постоянкой с большими пульсациями скажем от 100 до 320.
За счет этого диоды входного фильтра будут работать большую часть периода и коэфф. мощности возрастет.

2sam_soft
Я думаю, что работать будет, но некоторые цифры приводят меня в уныние. типа мах тока в 110А или датчика на 0.009 Ом. Понятно, что они перезаложились но видать подводные камни выталкивают на такие жуткие цифири(я про ток конечно).

k_p написал :
2sam_soft
Я думаю, что работать будет, но некоторые цифры приводят меня в уныние. типа мах тока в 110А или датчика на 0.009 Ом. Понятно, что они перезаложились но видать подводные камни выталкивают на такие жуткие цифири(я про ток конечно).

Придётся, видимо, разделить этот ток на два транзистора. 55А не так уж и страшно.

k_p написал :
Судя по токам в ККМ, крутиться в голове мысля: раз уж ключики получаются на приличный ток, то может объединить ключи ККМ и инвертора, получим солидный ключик. Уменьшаем коэфф. трансформации инвертора и питаем его постоянкой с большими пульсациями скажем от 100 до 320.
За счет этого диоды входного фильтра будут работать большую часть периода и коэфф. мощности возрастет.

По моему там на одной из схемок что Muiltik указал есть топология похожего девайса, PFC с интегрированным ZVS прямоходом.
А может я ошибся.

А вообще то, Multik наверно прав, время дубовых простых инверторов проходит. Где-то читал , что у загнивающих даже законодательно заставляют ставить PFC на питатели мощнее толи 200 то ли 300 ват.
Неохото конечно связываться со сложными системами, простому челу это не просто поднять все. Подогревает только то что элементная база развивается и помогает

2wiha
///Так может показометр глючит?

Причина низкого (0,6..0,7) КМ ИБП без ККМ проста.
Прежде всего надо иметь в виду, что отбор мощности из сети возможен ТОЛЬКО током, чья частота совпадает с частотой сети (И фаза, но это сейчас неважно - фаза первой гармоники входного тока ИБП без ККМ ПОЧТИ совпадает с таковой для напряжения сети). Любая гармоника - есть реактивная мощность, представь себе баланс энергий, увидишь, что по сути гармоники тока просто колеблют энергию туды-сюды.
Импульсы токоотбора из сети - это первая гармоника + высшие. Высшие, мы знаем, энергию НЕ передают, они её колеблют. А на действующий ток проводов сети - влияют исправно. В итоге отношение действующего тока сети к действ. значению первой его гармоники - велико. Т.е. провод этот греется раза в 2 (при даже высоком КМ=0,7071) больше, чем при наличии идеального (без потерь) ККМ. И слабая сеть тоже проседает больше - энергия нагрева проводов ведь должна откуда-то браться. и от чего-то отниматься?

Я раньше тоже интересовался ККМ применительно к сварочнику. Достаточно быстро понял, что единственная нормальная топология - это обычный boost-PFC. Все остальное - полная лажа. Однокаскадные топологии вообще не годятся вследствие токовых перегрузок транзисторов и сложностей с управлением.
Микросхемы - IR1150 или UC3854.
По прикидкам получалось, что для сварочника с выходным током 150А максимальный ток в транзисторе PFC составляет примерно 50А.

Multik написал :
Придётся, видимо, разделить этот ток на два транзистора. 55А не так уж и страшно.

и еще с десяток на неидентичность ключей и вот их уже трое .

Дроссель здоровенный надо, Е65 не хватает. Че думаете насчет железного?

_SERGEY_ написал :
Дроссель здоровенный надо, Е65 не хватает. Че думаете насчет железного?

не покатит. Режим работы граничный.

2ALL
Досмотрелся, там в примере 110А получается потому, что диапазон входных напряжений от 85В.
Если взять нормальный для наших сетей 180-250, то максимальный ток около 40А. Так, что ручонки зачесались, на выходных буду рыскать на базаре мож что подвернется из контроллеров.

2k_p
Я когда пересчитывал после регистрации, у меня тоже около 40а выходило. это вполне терпимо. Никак не мог понять почему у вас с Multikom 110 а . И резистор 0.025 вышел. Ну а дроссель и диод это пока как то под вопросом.
Ставить еще один Е70 - громоздко сильно. А менее вряд ли что поможет. Да у частоты тут немелкие нужен хороший феррит. строчники на 100 кгц не потянут. А N87 как раз для этого

Положим что ентот ККМ заработал как надо и все чики - брики, ничего не горит и не взрывется. Сколько микрофад емкости можно выбросить, если можно конечно? Или сколько микрофарад для косого моста и джентельменского выходного тока в 150 ампер минимально потребуется?
Может экономия на электролитах будет по габаритам и массе сопоставима с дросселем ККМ. Кое какую скидку на ККМ и по моней это наверно даст. Лично я ставил электролиты не самые дешевые, на 105 градусов.

_SERGEY_ написал :
Дроссель здоровенный надо, Е65 не хватает. Че думаете насчет железного?

Почему здоровенный? Нужно к выпрямленному напряжению сети сделать добавку до 400 В. Пусть у тебя минимальное выпрямленное будет 200 В (141 переменного), тогда корректор должен добавить к сети половину общей выходной мощности.

Я посмотрел, ребята из Дельты всё уже до нас хорошо продумали, и вычислили, что самая хорошая из придуманных ими схема вот такая:

Аж три раза опубликована.
Попробовал прикинуть, как это будет выглядеть в натуре, получилось примерно так (пришлось повернуть боком, а то не лезет):

По моим понятиям, не сильно и страшно. Нарисовал по максимуму - на двух транзисторах впараллель. Выбросить будет легче, чем добавлять. И лично я склонен размазать тепло в пространстве, а не концентрировать в одном месте.
Управление - под UC3854A - у неё внутри стоят стабилитроны на 22 В и на 7,5 В, поэтому из обвески выброшены.

Multik написал :
Я один раз косого сделал по Barmaley'ю. У меня тоже сложилось впечатление, что КПД не более 70%. Но дубовость схемы всё же подкупает. Поэтому я и открыл у Валентина тему "Повышение эффективности косого моста

А у меня что-то меньше 90 процентов намерять не получилось, ну положим 90 наврядли, но 80-85 % - то должны быть, чтобы там было 60-70 процентов нет никаких причин. Ну не вижу я в упор прямо такого уж ломового нагрева даже старющих IRG4PC50U в косом, может потому что частота 30кгц а не ваши 40-50 или выше . Без обид, но вы с самсофтом че, издеваетесь? По вашему если там кпд на 4-х кВтах 70%, что 1200вт должны в тепло уходить? Не смешите мои тапочки, ну ладно самсофту простительно, но от тебя слышать такие заявления странно . А повышать эфективность, конечно надо, согласен, читаю с интересом.

2barmaley
Нет, не издеваемся. Я напротив сильно уважаю схемку , которую ты выложил и что ты выложил осцилки , не поленился, помог многим продвинуться в этом трудном деле. Есть конечно и там спорные моменты насчет транса на двух шашках но это все мелочи. Тут дело не в этом. Тепла рассеивает ватт 300 ну может трохе более вся эта кухня. Дело в реальном кпд, который учитывает и косинус и реактивы всякие. Вот тут точно реактива около киловата бегает туда сюда.
И эта фигня будет бегать не только в косом, но даже в самом навороченном мосте.
Я это давно понял, когда увидел что предохранители на 25а горят как красавцы, как только тока наворачиваеш под 150 а.

barmaley написал :
А у меня что-то меньше 90 процентов намерять не получилось, ну положим 90 наврядли, но 80-85 % - то должны быть, чтобы там было 60-70 процентов нет никаких причин. Ну не вижу я в упор прямо такого уж ломового нагрева даже старющих IRG4PC50U в косом, может потому что частота 30кгц а не ваши 40-50 или выше . Без обид, но вы с самсофтом че, издеваетесь? По вашему если там кпд на 4-х кВтах 70%, что 1200вт должны в тепло уходить? Не смешите мои тапочки, ну ладно самсофту простительно, но от тебя слышать такие заявления странно . А повышать эфективность, конечно надо, согласен, читаю с интересом.

Это как измерять. Если входную мощность измерять по постоянке, согласен, может 85% и получится.
Поверь на слово, много разных источников я видел, но чтобы при вытяжной вентиляции за три часа работы корпус нагревался до 60 градусов, первый раз увидел. Так что, может не 1200, а 600 Вт точно есть. (Именно поэтому я зауважал косого моста, другой бы при таких условиях отвалился).
Как я понял, Самсофт, имел ввиду КПД при измерении кажущейся входной мощности по переменному току, то есть, измерили отдельно ток, отдельно напряжение, и перемножили и подумали, что это правда. Я тоже имел это ввиду, речь же шла о ККМ.
Думаю, ты согласишься, что нагрузку на сеть косой делает такую, как будто имеет КПД 70 % ? Или у тебя и здесь всё здорово?
ЗЫ. Я рад, что ты читаешь с интересом, и согласен, что повышать эффективность надо. А то тут проскакивали мнения, что с эффективностью и так всё в порядке.
Пока отвечал, Sam_soft успел ответить раньше.

Как известно, коэффициент мощности l определяется соотношением активной мощности, потребляемой источником питания, и полной мощности:

где U и I — действующие значения соответственно напряжения и тока на входе источника питания, а в числителе формулы произведение действующих значений напряжения и тока первой гармоники и косинуса угла сдвига между ними [1]. Таким образом, λ потребителя электрической энергии определяется не только значением cos j₁, но и коэффициентом нелинейных искажений тока относительно его первой гармоники. Это значит, что при λ 13.07.2020 | Источники питания
Оставить комментарий

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах, сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Один из эффективных способов решения этой задачи - применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Коэффициент мощности

В общем случае коэффициент мощности - это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:

где I 2 _nэфф - постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I 2 _1эфф - основная гармоника, а под знаком суммы - младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I 2 _эфф=I 2 ₀+(I 2 _1эфф(P) +I 2 _1эфф(Q))+SI 2 _nэфф. Активная мощность - это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке.

Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=U_эфф Ч I_1эфф(P). Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении. Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=U_эфф Ч I_1эфф(Q). Физический смысл - это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза - от нагрузки к генератору. Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U _эфф Ч I_{эфф(общ)}. На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I 2 =I_{1эфф(общ)} cos j, где j - угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

Стоит заметить, что отношение (I_1эфф)/(I_{эфф(общ)} ) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).

Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение - единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 - хорошее значение; 0,9 - удовлетворительное; 0,8 - неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой).

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений . Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо). Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно - время наработки на отказ больше, и во вторых, при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Принцип работы

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных - дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97. 0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04. 0,08.

Рассмотрены вопросы создания пассивных корректоров коэффициента мощности для модулей питания, работающих от однофазных и трехфазных сетей. Пассивные корректоры мощности, использующие только дроссели и конденсаторы просты, надежны и не генерируют радиопомех. Для таких корректоров мощности приведены технические решения и основные соотношения для проектирования.

Сетевые источники вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом (БТВ), благодаря высоким энергетическим и массо-габаритным
характеристикам, за последние 20 лет практически вытеснили традиционные. В то же
время возникли две серьезные проблемы, связанные с применением таких ИВЭП. Первая
связана с тем, что теперь в состав радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) входит новый
мощный генератор радиопомех, который заметно ухудшил электромагнитную обстановку. Чтобы уменьшить помехи в блоках питания на основе ИВЭП с БТВ, используются
фильтры радиопомех (ФРП), как во входных,
так и в выходных цепях, которые занимают
до 10% объема блока [1].

Еще одна проблема таких ИВЭП связана
с импульсным потреблением тока. В ИВЭП
с БТВ входной выпрямитель с емкостным
фильтром потребляет от сети импульсный
ток длительностью всего 0,25–0,3 полупериода при соответствующем увеличении его
амплитуды. Несинусоидальный характер потребляемого тока вызывает искажения формы кривой напряжения питающей сети, причем наиболее остро это проявляется в сетях
ограниченной мощности, к которым относятся системы электроснабжения (СЭС) автономных объектов. Известно, что такие СЭС
строятся на основе встроенных электроагрегатов, прицепных электростанций, электроустановок с отбором мощности, значение которой выбирается соизмеримым с мощностью, потребляемой РЭА.

С искажениями формы кривой напряжения
первичных источников ограниченной мощности разработчики РЭА сталкивались и раньше,
при применении трансформаторных выпрямительных устройств. Обычным требованием
было использование выпрямительных нагрузок, которые составляли не более 20–30% от
мощности первичных источников. Внедрение
ИВЭП с БТВ резко обострило эту проблему.

Искажения формы кривой напряжения
питающей сети не только нарушают функционирование других потребителей, подключаемых параллельно с ИВЭП с БТВ к ЭА,
но и нарушают работу самого источника.
Форма напряжения на выходе ЭА при работе на ИВЭП с БТВ соизмеримой мощности
становится трапецеидальной. Регулятор ЭА
старается поддержать среднее значение этого напряжения на уровне среднего значения
напряжения синусоидальной формы. В результате значительно возрастают токи намагничивания сетевых трансформаторов в сервисных источниках ИВЭП с БТВ, которые перегреваются и выходят из строя.

При импульсном потреблении тока также резко возрастает мощность искажений.
Коэффициент мощности ИВЭП с БТВ не превышает значения 0,7. На стационарных объектах, где применяются десятки ПК с такими
ИВЭП, из-за дополнительной мощности
искажений приходится увеличивать мощность силового ввода. Например, для питания десяти автоматизированных рабочих
мест с персональными компьютерами требуется мощность порядка 3 кВт. При этом от
сети будет одновременно потребляться активная мощность 3 кВт и мощность искажения 1,5 кВА, которая по последствиям равна
реактивной мощности. При этом должен
быть установлен силовой ввод, рассчитанный на мощность 3,35 кВА. В США именно
эта мощность учитывается при оплате электроэнергии автономного объекта.

Имеется еще одна причина, из-за которой
потребляемый ток в стационарных объектах
должен быть синусоидальным. В большинстве зданий проложен нейтральный провод
меньшего сечения, чем фазный. При нагрузках с низким коэффициентом мощности нейтральный провод, в котором высшие гармоники суммируются, перегружается и сгорает.

По перечисленным причинам Международная электротехническая комиссия (МЭК)
с 1992 года ввела стандарт 552-2, требующий
обязательной коррекции коэффициента
мощности (æ) для потребителей мощностью
более 200 Вт.

Чтобы обеспечить синусоидальную форму потребляемого тока, на входе ИВЭП с БТВ
устанавливают активные или пассивные корректоры коэффициента æ. Активные корректоры, построенные на основе транзисторных
высокочастотных преобразователей, позволяют получить высокий коэффициент мощности (более 0,98) и имеют КПД от 96 до 98%.
Но сложность активных корректоров снижает надежность и увеличивает стоимость
ИВЭП в целом. Возрастают и радиопомехи.
Поэтому необходимо исследовать пассивные
корректоры, которые просты и надежны, так
как состоят из одного дросселя и нескольких
конденсаторов, а также привлекательны благодаря их низкой цене.

На рис. 1 показан корректор [2], в котором
элементы были оптимизированы на математической модели с целью получения максимального коэффициента мощности.

Рис. 1. Принципиальная схема корректора коэффициента мощности

По результатам оптимизации для расчета
L и C могут быть рекомендованы следующие
выражения:

Расчеты элементов корректора по соотношениям (1, 2) позволяют получить максимальный коэффициент æ, равный 0,98.

Контур LC настроен на третью гармонику
150 Гц с небольшой расстройкой (≈10%) с целью лучшей фильтрации высших гармоник.

Расчетный параметр L×I 2 использован для
определения объема стали Э330 сердечника
V дросселя L. Данные расчета LC-корректоров на мощность 400, 800, 1200 Вт сведены
в таблицу 1.

Таблица 1. Данные расчета LC-корректоров
на мощность 400, 800, 1200 Вт

В результате математического моделирования получены значения выходного напряжения моста U₀ для номинальной мощности
Р_ном и для 0,1×Р_ном и определена форма входного тока (рис. 2). Все корректоры обеспечивают коэффициент мощности >0,98.

Для дросселя L необходимо применять ленточные сердечники с зазором, так как ток основной гармоники является подмагничивающим для дросселя, фильтрующего третью
гармонику, или торы с порошкообразными
сердечниками. При создании опытного образца для дросселя использованы замкнутые
магнитопроводы из многослойного железа
фирмы EPCOS, у которых магнитная проницаемость постоянна в широком диапазоне изменений напряженности магнитного поля,
а также перспективные конденсаторы MRP.

Правильное построение корректора предполагает компромисс между массой, которая
определяется дросселем, и стоимостью, определяемой величиной С. Уменьшение величины L в контуре на третью гармонику вызывает ухудшение коэффициента æ и рост
стоимости корректора, хотя вес корректора
снижается. В качестве примера в таблице 2
приведены расчетные значения коэффициента мощности для различных значений индуктивности дросселя при выходной мощности корректора 1200 Вт.

Таблица 2. Расчетные значения коэффициента
мощности

Судя по рис. 2в, при мощности 0,1×Р_ном напряжение на выходе корректора достигает
значения 530 В. Чтобы исключить это перенапряжение, предлагается при малых мощностях отключать конденсаторы С1 и С2 от
контура. Устройство [3], реализующее этот
принцип, содержит дроссель фильтра третьей гармоники L1, диодный мост М1, конденсаторы фильтра С1, С2, оптосиммистор V1,
сервисный источник питания (СИП), первый
операционный усилитель ОУ1, источник
опорного напряжения, включающий в себя
сопротивление R1, стабилитрон V2, гистерезисное сопротивление R2, второй операционный усилитель ОУ2, сопротивления делителя R3, R4 (рис. 3).

Рис. 3. Корректор с защитой от перенапряжения

Устройство работает следующим образом.
При номинальной мощности и при ее уменьшении до 30% напряжение на нагрузке не
превышает расчетных значений. На входе источника подключен фильтр третьей гармоники, состоящий из дросселя L1, конденсаторов С1 и С2, которые соединены с нейтралью через включенный оптосиммистор V1.

При уменьшении мощности нагрузки ниже 30% от номинального значения напряжение на выходе моста М становится выше расчетного значения, а напряжение, поступающее со средней точки делителя R3, R4 на
инверсный вход операционного усилителя
ОУ2, выше, чем опорное напряжение на неинверсном входе операционного усилителя
ОУ1, становится выше опорного напряжения
на неинверсном входе, а его выходное напряжение близко к нулю. Ток через светодиод
прекращается, выключается оптосиммистор
V1 и отключает от дросселя конденсаторы С1
и С2.

Напряжение на выходе моста снижается,
однако наличие гистерезисного сопротивления R2 в операционном усилителе ОУ2 препятствует его новому переключению. Отключение конденсаторов оправдано, так как при
малых нагрузках требования к синусоидальности входного тока сетевых источников питания снижаются, и часто достаточно одного дросселя в фазном проводе, чтобы получить приемлемую форму входного тока.

При увеличении тока нагрузки растет падение напряжения на дросселе L1, напряжение на выходе моста еще более снижается.
В результате вновь переключаются операционные усилители ОУ1, ОУ2, включается оптосиммистор V1, резонансные конденсаторы
С1, С2 подсоединяются к дросселю L1, и входной ток становится близким к синусоидальному за счет фильтрации третьей гармоники.

Рис. 4. а) Блок питания DG800; б) блок питания VZ1200; в) источник бесперебойного питания ИБП600

В таблице 3 приведены параметры блоков
питания с корректорами.

Пассивные корректоры практически не уступают по габаритам и КПД активным, хотя
в несколько раз тяжелее. Но следует учесть,
что пассивные корректоры, в отличие от активных, не увеличивают уровни радиопомех,
а, наоборот, подавляют их за счет корректирующего дросселя L1. Это позволяет использовать ИВЭП с БТВ и пассивными корректорами в медицине, технике, связи, измерительной и другой аппаратуре, где требуются
низкие уровни помех.

Похожую проблему приходится решать
и при создании трехфазных ИВЭП с БТВ; хотя получить фазный ток, по форме близкий
к синусоиде, в таких ИВЭП значительно проще. Известно, что в трехфазных ИВЭП в спектре входного тока отсутствуют гармоники,
кратные трем, при этом коэффициент æ традиционного выпрямителя на основе трансформатора и трехфазного моста с LC-фильтром достигает 0,96. Но если на выходе моста оставить только емкость С1 (рис. 5), а такой
конденсатор небольшой емкости необходим
для работы большинства высокочастотных
преобразователей, то коэффициент æ снижается до значения 0,7 [5], а форма фазного тока сильно искажается.

Рис. 5. Трехфазный мост с фильтром С и LC

Но стоит поставить между трехфазным
мостом и конденсатором С1 небольшую индуктивность L1, как коэффициент æ значительно повышается, что объясняется высокой
эффективностью подавления 5 из 7 гармоник
индуктивностью L1, реактивное сопротивление которой хL₁ = ω×L1 растет с увеличением частоты. На рис. 6 представлена зависимость коэффициента мощности фазного тока от значения х*, где х* — нормированная
величина реактивного сопротивления индуктивности L1:

где U₀, I₀ — напряжение и ток на выходе моста.

Рис. 6. Зависимость коэффициента мощности фазного
тока от значения x*

Судя по рис. 6, если значение х* близко к 0,
то коэффициент мощности не превышает 0,7,
а форма фазного тока сильно искажена
(рис. 7а).

Рис. 7. Форма кривой фазной тока для трехфазного
моста, работающего на емкость, с индуктивностью L1:
а) при х* = 0,025%, б) при х* = 2,25%, æ = 0,945,
в) при х* = 2,25% для трехфазного традиционного
ИВЭП с LС)фильтром, æ = 0,945

Анализ показывает, что достаточно увеличить величину х* до 2,25%, как коэффициент æ повышается до значения 0,95. На рис. 7б
показана форма фазного тока ИВЭП с БТВ,
значение корректирующей индуктивности
L1 которого посчитано по формуле:

Даже при такой незначительной индуктивности кривые фазного тока и коэффициентов æ ИВЭП с БТВ и традиционного трансформаторного ИВЭП с громоздким LC-фильтром (рис. 7в) практически не отличаются.
Конструктивные расчеты показывают, что
объем дросселя, индуктивность которого рассчитана по формуле (3), не превышает 3–5%
от объема трехфазного ИВЭП с БТВ. Пассивные корректоры устанавлены в большинстве
зарубежных трехфазных ИВЭП с БТВ, мощностью сотни Вт – единицы кВт. На рис. 8 показан такой дроссель, который применила
в трехфазном ИВЭП с БТВ мощностью 900 Вт
фирма Mean Well.

Рис. 8. Внутреннее устройство в ИВЭП
с БТВ мощностью 1 кВт
(стрелкой показан корректирующий дроссель L1)

Читайте также: