Коэффициент мощности (КМ) сварочного аппарата и cos φ. Часть 2


     Хорошо известно, что у импульсных источников питания с так называемым бестрансформаторным входом (к ним относятся и сварочные инверторы) коэффициент мощности (КМ или power factor - PF) обычно не лучше 0,6-0,7 из-за значительных искажений формы потребляемого тока. Из-за такой специфики входа получение лучшего PF невозможно без применения корректора коэффициента мощности (PFC):
  • или пассивного - это по сути дополнительный фильтр на входе с очень массивным низкочастотным (НЧ) дросселем, сглаживающий форму потребляемого тока,
  • или активного - тогда это фактически ещё один силовой блок перед основным инвертором, мало уступающий ему по сложности и стоимости.
     PFC не имеет ничего общего с cos φ, PFC выполняет функцию поддержания импульса тока в виде синусоиды.
  • Пассивный PFC позволяет поднять PF примерно до 0,85-0,9, но только для определённой потребляемой мощности, обычно ближе к максимальной, а на меньшей неэффективен. Иногда используется для обесечения работы инвертора от бензогенератора, о чём обязательно упоминается в документации.
  • Активный PFC гораздо более эффективен, значительно расширяет диапазон допустимых колебаний сети и является настолько серьёзной функцией, что при ее наличиии производители не то что не умалчивают, а пишут на видном месте крупным шрифтом.
     Есть много производителей инверторов, которые для своих моделей (обычно бытового назначения, но не только) на токи 120-160А с питанием от однофазной сети 220В заявляют коэффициент мощности 0,92 - 0,98 , а то и 0,99. При этом производители нигде не упоминают о применении PFC, впрочем, и так известно и вскрытия это подтверждают, что его там нет и в помине, да и при такой цене не может быть.
 
     Как пишут о КМ и cos φ:
 
1) пишут только коэффициент мощности (КМ) = 0,92 - 0,99;
2) пишут только cos φ = 0,92 - 0,99;
3) пишут и cos φ = 0,92 - 0,99 и КМ = 0,6 - 0,7.
 
     Рассмотрим коэффициенты мощности инверторов разных производителей с питанием от однофазной сети 220В на токи до 160-180А, в основном ручной дуговой сварки, обычно бытового назначения (но не только), из ценового диапазона в основном до 400-450 евро
 
     Для начала, откуда вообще взялся этот cos φ. Если нагрузка содержит реактивность, ток и напряжение имеют синусоидальную форму, но сдвинуты по фазе на некий угол φ, вот коэффициент мощности такой нагрузки численно равен cos φ (о чем мы писали ранее в Части 1).
 
     Обращу внимание, речь идет именно о синусоидальных токе и напряжении, так как сдвиг фазы на некий угол бывает только между синусоидами и только одинаковой частоты.
 
     Инверторный сварочный источник для сети представляет собой очень нелинейную нагрузку, он потребляет из сети ток короткими импульсами колоколообразной формы только в моменты, когда синусоида сетевого напряжения проходит через свой максимум. Большую часть периода ток вообще не потребляется, то есть форма потребляемого тока очень сильно отличается от синусоиды, при этом КМ равен отношению первой гармоники тока к полному току, сумме всех гармоник. Это означает, что чем больше форма тока отличается от синусоиды, тем меньше КМ, а, например, упоминаемый реальный КМ = 0,6 означает, что первая гармоника тока составляет только 0,6 от полного тока.
 
     Возвращаясь к различиям КМ и cos φ - весьма часто приводят не КМ, а именно cos φ. Угол φ может быть только между синусоидами одной частоты. Синусоида напряжения у нас есть, но вместо синусоиды тока у нас упомянутые выше импульсы, так где же φ? Ответ простой: единственный φ, который тут можно хоть как-то упоминать - это сдвиг фазы между напряжением и первой гармоникой тока. Другие гармоники тоже синусоиды, но у них другая частота.
 
     Такой cos φ, привязанный только к первой гармонике тока, обладает совершенно замечательным свойством. Гармоника всегда есть идеальная синусоида по определению как теоретический конструкт, совершенно независимо от того, насколько сильно искажена форма тока. А поскольку импульс тока всегда привязан к максимуму синусоиды напряжения, то и сдвиг фазы между напряжением и первой гармоникой будет всегда минимальный, и тоже почти независимый от искажений. А это значит, что такой cos φ всегда будет почти 0,99 и практически никак не связан с реальным КМ. Вот у нас например реальный КМ = 0,6, и пусть при этом такой синтетический cos φ = 0,99. Теперь допустим ещё больше исказилась форма тока и стал КМ = 0,3 - что будет с таким cos φ? Да ничего, какой был, такой и останется, может, уменьшится до 0,96.
 
     Например, для пересчёта кВт в кВА чем пользоваться, cos φ или КМ? Ясное дело - КМ. А зачем тогда вообще приводят этот бесполезный и практически ничего не означающий cos φ? Думаю, в основном из-за рекламно-спортивной красивости девятки после запятой.
 
     Иногда пишут: «cos φ = 0,9-0,99» – это, как бы, свойство инвертора, поскольку цитата: «ток и напряжение находятся в фазе и угол φ примерно равен 0». Хотел бы ещё раз обратить ваше внимание, что cos φ изначально это всего лишь тот же КМ применительно к цепям с линейной реактивностью, что к инвертору как нагрузке сильно нелинейной не имеет никакого отношения.
 
     И в завершение, приведу научно-популярное определение «инвертирования», как поэтапное преобразование энергии:
  1. этап. Выпрямление питающего сетевого напряжения переменного тока на входном выпрямителе (диодный мост);
  2. этап. Преобразование постоянного напряжения в переменное высокочастотное на инверторе;
  3. этап. Высокочастотное переменное понижается до соответствующего сварочного напряжения в трансформаторе;
  4. этап. Преобразование переменного напряжения в постоянное на выходном выпрямителе;
  5. этап. Весь процесс преобразования регулируется за счет обратных связей блоком управления, который обеспечивает необходимые статистические и динамические характеристики сварочного тока.