English version

Экспериментальное подтверждение положительного влияния корректора коэффициента мощности на потребительские свойства импульсных блоков питания.

И.П. Сидоров Ю.А.

Импульсные блоки питания можно разделить на два типа:
1) оснащенные корректором коэффициента мощности;
2) неоснащенные корректором коэффициента мощности.

С точки зрения потребляемой электроэнергии эти два типа блоков питания различаются характером потребляемого тока, для первого типа ток потребления имеет синусоидальный характер для второго типа несинусоидальный периодический характер.

Коэффициент мощности в случае синусоидального напряжения, но несинусоидального тока, и если нагрузка не имеет реактивной составляющей, это безразмерная физическая величина, равная доле мощности первой гармоники тока в полной мощности, потребляемой нагрузкой. Полезную работу совершает мощность только первой гармоники тока.

На практике это означает, что от электростанции, в том числе и автономной (источники бесперебойного питания, солнечные панели и прочее) требуется больше электроэнергии. Избыток требуемой энергии выделяется в виде тепла в подводящих проводах и может быть довольно значительным до 30 и более процентов.

Для подтверждения такого негативного влияния импульсных источников питания неоснащенных корректором коэффициента мощности были проведен ряд экспериментов. Для проведения экспериментов была собрана экспериментальная установка, схематически она показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки
рис. 1. Схема экспериментальной установки

На рис. 1 условно обозначены:
L1, L2 бытовые удлинители изготовленные из провода длинной 5 метров с токонесущими жилами площадью 0.75 мм2. Более подробные характеристики удлинителя показаны на рис. 2. В эксперименте эти удлинители имитируют роль подводящих проводов. Потери электроэнергии определяются по выделяемому в проводах теплу. Количество выделяемого в них тепла прямо-пропорционально потерям электрической энергии.

рис 2. Характеристики удлинителей.
рис 2. Характеристики удлинителей.

W1, W2 - ваттметры. Используются для замеров потребляемых истинных среднеквадратичных токов (TrueRMS), мощности совершаемой полезную работу и вычислению коэффициента мощности. Ваттметры для замера силы тока используют токовый трансформатор а также питаются от отдельного источника тока, поэтому вносимые ими искажения минимальны.
R1, R2 - резисторы сопротивлением 1Ом, используются для снятия токовых осциллограмм.
DC1 - импульсный источник питания БП300-24A 300 Вт 24 Вольт оснащенный активным корректором коэффициента мощности.
DC2 - импульсный источник питания без корректора коэффициента мощности.
Краткие характеристики источника питания DC2:

  • Выходное напряжение 12 Вольт, регулируемое;
  • Выходной ток до 25А;
  • Коэффициент мощности менее 0.7.

Фотография данного источника питания показана на рис. 3.

рис 3. Блок питания без корректора коэффициента мощности.
рис 3. Блок питания без корректора коэффициента мощности.

Rn1, Rn2 резистивная нагрузка 300Вт подключенная к выходам импульсных блоков питания.

A1, A2, V1, V2 амперметры и вольтметры используемые для вычисления отдаваемой в нагрузку мощности.

С целью уменьшения рассеиваемого удлинителями тепла их провода смотаны, а также с целью уменьшения разности влияния на них теплового излучения смотанные провода удлинителей расположены недалеко друг от друга. Расположение проводов удлинителей показано на рис. 4.

рис. 4. верхний удлинитель L1, нижний L2.
рис. 4. верхний удлинитель L1, нижний L2.

Измерение уровня выделяемого тепла на проводах удлинителя осуществляется визуально с помощью тепловизора. Тепловые изображения удлинителей перед включением показаны рис. 5. По изображениям видно, что температура удлинителей и окружающих предметов одинаковая. Так как цветовой фон не содержит каких либо существенных фрагментов.

рис. 5. изображения теплового излучения удлинителей и окружающих предметов перед подачей электричества.
рис. 5. изображения теплового излучения удлинителей и окружающих предметов перед подачей электричества.

После подачи электроэнергии, с помощью ваттметров, определен уровень потребляемой электроэнергии и коэффициент мощности каждого исследуемого блока питания, рис. 6.

рис. 6. Показания ваттметров после включения блоков питания.
рис. 6. Показания ваттметров после включения блоков питания.

Верхний ваттметр - W1, нижний - W2. Из их показаний видно, что сила потребляемого тока блоком питания DC2 (не оснащенный корректором коэффициента мощности) существенно выше чем сила тока потребляемого блоком питания DC1 (оснащенный корректором коэффициента мощности). По значению коэффициента мощности (индикатор PF ваттметра) определено, что только 0,64 части потребляемого тока идет на совершение полезной работы блоком питания DC2 и 0,99 тока для блока питания DC1. Оставшаяся часть потребляемого тока блоком DC2 идет на нагрев подводящих проводов и генератора электроэнергии. Ваттметр учитывает это и отображает значения полезной затрачиваемой мощности (индикатор W). Для блока питания DC1 затрачиваемая мощность равна 323 ватта и 355 ватт для DC2. Отдаваемая мощность в нагрузку, по значениям приборов: A1=12.35; A2=23.8А; V1=24.14В; V2=12.35В, составила 298 ватт для Rn1 и 294 ватта для Rn2.

Так как КПД блоков питания не равны то для чистоты эксперимента была снижена мощность отдаваемая блоком питания DC2 в нагрузку до уровня при котором потребляемые мощности обоих блоков питания близки. Соответствующие показания ваттметров отображены на рис. 7. Отдаваемая мощность в нагрузку Rn2 составила 240 ватт , определено исходя из показаний V2=11.3В и А2=21.25А.

рис. 7. показания ваттметров после выравнивания потребляемой мощности.
рис. 7. показания ваттметров после выравнивания потребляемой мощности.

Осциллограммы потребляемых блоками питания токов показаны на рис. 8.

рис. 8 осциллограммы токов.
рис. 8 осциллограммы токов.

График красного цвета - форма тока потребляемым блоком питания DC1 и график желтого цвета форма тока потребляемым блоком питания DC2. Из сведения графиков видно что пиковая амплитуда тока блока питания DC2 существенно больше амплитуды тока блока питания DC1 (рис. 9)

рис. 9. Сравнение амплитуд потребляемых токов.
рис. 9. Сравнение амплитуд потребляемых токов.

Спустя два часа непрерывной работы были сделаны снимки тепловизором, они приведены на рис. 10.

рис. 10. Изображения нагрева удлинителей, L1 слева, L2 справа.
рис. 10. Изображения нагрева удлинителей, L1 слева, L2 справа.

Значение температуры на изображениях соответствуют температуре поверхности под целе указателем. По изображениям хорошо видно, что удлинитель L2 (используемый для включения блока питания без корректора мощности) существенно сильнее нагрелся чем удлинитель L1 для блока питания DC1. Нагрев удлинителя L2 составил 3.9°С, удлинителя L1 составил 1.3°С. Эти изображения экспериментально подтверждают утверждение о повышенном нагреве подводящих проводов к блоку питания без корректора коэффициента мощности.

Для чистоты эксперимента была измененная схема экспериментальной установки, новая схема показана на рис. 11.

рис. 11. Схема измененного включения блоков питания.
рис. 11. Схема измененного включения блоков питания.

Значения ваттметров после изменения схемы показаны на рис. 12.

Рис. 12. Значения ваттметров после изменения схемы включения блоков питания.
Рис. 12. Значения ваттметров после изменения схемы включения блоков питания.

Спустя два часа непрерывной работы были сделаны снимки тепловизором, новые изображения представлены на рис. 13.

рис. 13. Изображения нагрева удлинителей, L1 слева, L2 справа.
рис. 13. Изображения нагрева удлинителей, L1 слева, L2 справа.

В этом случае удлинитель L1 имитирует роль подводящих проводов к блоку питания DC2. Новые изображения также подтверждают факт повышенного нагрева проводов в случае подключения блока питания без корректора коэффициента мощности. Нагрев удлинителя L1 выше нагрева удлинителя L2 и составил 4°С против 0.9°С для L2.

На первый взгляд может показаться, что нагрев проводов на 4°С не существенный и им можно пренебречь, но стоит учесть, что удлинитель рассчитан на 2200 Ватт , а нагрев в 4°С составил для нагрузки 320 Ватт. Для сравнения, нагрев удлинителей в случае 600 ватной нагрузки. Вполне вероятно, что в некоторых случаях (повышенная температура окружающего воздуха, плохой тепло-отвод) может оказаться фатальным при эксплуатация подобного провода (ПВС 2х0,75 или 3х0,75) для питания подобной нагрузки мощностью, к примеру, 2000 Ватт не оснащенной корректором коэффициента мощности.

Рассматривая факт повышенной потребляемой мощности блоками питания без корректора коэффициента мощности есть один приятный момент. Большинство бытовых счетчиков электроэнергии не измеряют истинное среднеквадратичное значение тока (TrueRMS). Поэтому они считают столько потраченной электроэнергии сколько пошло на полезную работу совершаемую блоком питания. Но в случае эксплуатации блоков питания без корректора мощности от автономных источником питания (бензиновые генераторы, источники бесперебойного питания) расход топлива и разряд аккумуляторов будет происходить существенного быстрее, более чем на 30%.

Предпочтение выбора в строку блоков питания оснащенных корректором коэффициента мощности позволяет не только экономить электроэнергию но и уменьшить опасность возникновения опасных ситуаций связанных с нагревом подводящих проводов.

В связи положительными свойствами применения корректора коэффициента мощности, предлагается схема и монтажная плата ККМ мощностью 2000 Вт (2700Вт).