Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ОПТИМИЗАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Магазинник Л.Т. Магазинник Л.М.
Однофазные вторичные источники питания (ВИП) получили широкое распространение в различных электротехнических и электротехнологических установках мощностью от десятков ватт до нескольких кВт (стабилизаторы напряжения, электросварочные аппараты инверторного типа, источники питания небольших плазмотронов и т. п.)

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.

  1. Для обеспечения требований МЭК по качеству электроэнергии все ВИП мощностью выше 300 Вт должны снабжаться устройствами коррекции коэффициента мощности.
  2. 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

  1. В.А.Прянишников - Электроника, С.-Петербург, 1998, 398 с.

Библиографическая ссылка

Магазинник Л.Т., Магазинник Л.М. ОПТИМИЗАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 4. – С. 42-44;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=22631 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074