Главный энергетический недостаток большинства известных ВИП - низкий коэффициент мощности (Км) из-за наличия звена постоянного тока в виде диодного моста с фильтровым конденсатором (Сф) на выходе.
Сетевой ток, потребляемый такими ВИП, при отсутствии специальных устройств коррекции носит импульсный характер с тем большей относительной амплитудой тока 
, (Im - амплитуда тока, потребляемого ВИП из сети; Im.sin - амплитуда синусоидального тока при той же мощности), чем меньше допустимые пульсации выпрямленного напряжения.
Несложные расчеты показывают, что, например, при пульсациях напряжения на нагрузке ≈ 13 % I*m ≈ 4. Это приводит к существенному увеличению потерь в ВИП и недопустимым помехам в питающей сети.
Согласно требованиям МЭК для любого электрооборудования мощностью более 300 Вт обязательно обеспечение значения Км, требуемого стандартами МЭК 1ЕС - 1000-3-2. Придерживаться этих стандартов должны все производители изделий, выходящие на международный рынок.
Для увеличения Км применяют схемы пассивной коррекции, пригодные для постоянных активно-индуктивных нагрузок и схемы активной коррекции, пригодные и для любых переменных нагрузок.
Системы управления схемами активной коррекции разработаны и выпускаются рядом известных фирм (Мicro Linear, Siemens, Motorolla). Эти системы реализуют алгоритм работы транзисторного ключа, при котором ток, потребляемый из сети носит пилообразный квазисинусоидальный характер. В [1] отмечается, что при таком алгоритме работы ключа коэффициент сдвига cosφ1 ≈ 1 и коэффициент мощности Км также близок к единице.
«Средний ток» iср действительно синусоидален и коэффициент сдвига первой гармоники тока близок к единице. Однако, в спектре тока есть высшие гармоники, поэтому «средний ток» не дает информацию о коэффициенте мощности Км.
Учитывая, что частота модуляции fм >> fc, где fс = 50 Гц, можно принять, что синусоида «среднего тока» является средней линией каждого «треугольника» тока на периоде сетевой частоты.
Тогда получим (с небольшим завышением):
,
где К = fм/50; Im.ср = амплитуда «среднего тока»; Im.k - Кя амплитуда тока сети; Кi - коэффициент искажения тока.
Таким образом, при синусоидальном напряжении питающей сети и cosφ1 = 1 известный алгоритм повышает коэффициент мощности лишь до Км.макс ≈ Кiммак = Im.ср/Iм 0,86.
Для дальнейшего увеличения Км ток в индуктивности необходимо сделать непрерывным с соответствующим уменьшением амплитуды «зубцов пилы». Для этого необходимо ввести в схему дополнительный релейный элемент, ограничивающий «пилу тока» iL через индуктивность полуволнами напряжений. Причем размах пульсаций iL определяется разностью значений этих напряжений, то есть коэффициентом деления КD делителя D и теоретически при КD → 1 неограниченно приближается к нулю. Соответственно, ток iL стремится к синусоидальному. Практически коэффициент деления ограничен чувствительностью элементов и частотными возможностями схемы, то есть допустимой частотой модуляции.
Несложные расчеты показывают, что уже при КD = 0,5 коэффициент искажения тока Кi ≈ Kм ≥ 0,95, что с запасом удовлетворяет самым жестким требованиям стандарта МЭК IЕС-1000-3-2.
Следует отметить, что наряду с увеличением Км, активная коррекция по схеме с дополнительным релейным элементом, позволяет существенно уменьшить величину емкости Сф по сравнению со схемами без коррекции.
Действительно, при квазисинусоидальном сетевом токе относительная мощность Р*(t) = 1 - cos2ωt имеет частоту, вдвое большую, чем частота сети. Поэтому интервал разряда конденсатора Сф в нагрузку уменьшается с величины
τ = π/2 + arcsin(Umin/Umax),
где Umin - минимальное, а Umax - максимальное напряжение на Сф, до интервала, равного π/2. Это означает, что при неизменном токе нагрузки на рассматриваемом интервале и сохранении той же глубины пульсаций напряжения, что и в схемах ВИП без коррекции Км величина емкости C*ф может быть уменьшена на ∆t = (τ - π/2)/τ, что, например, при Umin/Umax ≈ 0,13 дает τ = 5π/6 и, соответственно, уменьшение емкости Сф на 40 %. Кроме того, часть энергии на интервале разряда Сф поступает в нагрузку и из сети. Обозначая сетевую составляющую энергии W*, а конденсаторную - W*d и, полагая, мощность нагрузки на рассматриваемом интервале (Рd = сonst), получим.
,
откуда доля сетевой составляющей
.
Следовательно, общая относительная величина емкости Сф в схеме с коррекцией Км составит:
Сф = 0,6 - 0,6 ∙ 0,36 = 0,39,
то есть менее 40 % емкости в традиционных схемах ВИП.
Из приведенных соотношений очевидно, что с уменьшением пульсаций напряжения на нагрузке выигрыш в емкости еще более увеличивается.
Выводы.
- Для обеспечения требований МЭК по качеству электроэнергии все ВИП мощностью выше 300 Вт должны снабжаться устройствами коррекции коэффициента мощности.
- Предложенная схема активной коррекции коэффициента мощности с дополнительным релейным элементом с запасом обеспечивает требования МЭК.
При этом, наряду с увеличением коэффициента мощности Км > 0,95, емкость фильтрового конденсатора уменьшается более, чем на 60 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- В.А.Прянишников - Электроника, С.-Петербург, 1998, 398 с.