Инверторы с PFС, реальная необходимость или маркетинговый ход производителей?

Преимущества сварочных инверторов оснащенных модулем PFС

На профессиональных форумах специалисты-электротехники до хрипоты спорят о преимуществах активного и пассивного корректора мощности в устройствах и их возможности сводить к минимуму потери электроэнергии при ее передаче от источника питания. Однако специалиста-практика мало интересуют теоретические дебри, ему достаточно знать, что с практической точки зрения, сварочные инверторы, в которых имеется функция PFC (ККМ, коррекция коэффициента мощности), обладают практически еще одним дополнительным стабилизатором напряжения на входе, поэтому такой аппарат способен:

• Использовать значительно меньшую величину потребляемого тока без снижения силы максимального сварочного тока;
• Работать на сверхнизком напряжении (просаженных сетях), а также при его скачкообразном изменении. При этом диапазон значений напряжения в сети может колебаться весьма значительно (от 90 до 240В);
• Работать при подключении через удлиненный переносной кабель;
• Работать с бензиновыми или дизельными генераторами, т.к. аппарат с ККМ не нагружает их, как обычный сварочник.

На рисунке представлена вольт-амперная характеристика с использованием модуля PFC и без него. Обычный инвертор (без PFC) берет из сети пиковыми значениями, показано красной линией, а с модулем PFC потребление переводится в плавную синусоиду, за счет этого не создается нагрузка на сеть.

Наряду с этим резко повышается коэффициент полезного действия аппарата, достигая не менее 85%. Коррекция фактора мощности PFC позволяет достичь и максимально высокого КМ (до 99,9% в идеальном варианте), при этом на нагрев проводников расходуется не более 1% общей мощности инвертора!

Что выбрать? Бытовые инверторы с функцией PFС

Следует отметить, что стоимость PFC инвертора с активным типом контроля коэффициента мощности, конечно же несколько выше, чем у обычных импульсных источников питания с без трансформаторным входом, особенно это сказывается на цене бытовых моделей. Поэтому, приобретая аппарат, необходимо четко очертить его планируемую сферу деятельности.

Бюджетные варианты инверторов подойдут в том случае, если сварочные работы будут выполняться лишь от случая к случаю, а в качестве свариваемого материала будут выступать простейшие стали. Не стоит думать, что подобные аппараты совсем примитивны, например сварочный инвертор Сварог 160 PFC, несмотря на свою приемлемую цену способен:

• Работать от сети с напряжением 160-240В, то есть качественная работа с электродами диаметром до 3 мм возможна даже при значительном падении напряжения;
• Специально для дилетантов прибор снабжен функцией HOT START, в результате чего в момент прикасания электрода к сварочной заготовке кратковременно импульсно повышается значение сварочного тока, благодаря чему зажигается дуга;

Однако, сварить алюминий, применяя подобное оборудование не получится, так как оно предназначено для сварочных работ с постоянным током. Сварщики, которые работают на этом аппарате, хвалят его надежность, но среди многочисленных преимуществ иногда отмечают небольшой недостаток: затрудненном поджиге некоторых марок электродов, а в частности УОНИ 13/55, но в основном этого инвертора хватит за глаза на большинство
бытовых задач.

Если же вы готовы потратиться на функциональность, обязательно обратите внимание на модель Gysmi E200 PFC. Помимо всех достоинств инвертора с ККМ, данный аппарат снабжен функцией автоматического затухания дуги, что позволяет завершить сварной шов без таких дефектов, как трещины и сварочный кратер (углубление). Аппарат с легкостью можно перенастроить на режим аргонодуговой сварки не плавящимся электродом и порог максимального сварочного тока несколько выше, чем у модели от бренда Сварог.

К чуть более дорогому ценовому диапазону относится инвертор итальянского производства Blueweld Active 187 MV PFC. Мало того, что производитель допускает подключение к аппарату удлиняющих «переносок» длиной до 50 м, так он еще предусмотрительно снабдил прибор корпусом усиленной прочности. А самое главное — синергетическая регулировка позволяет точно придерживаться определенной длины дуги, достаточно лишь выставить данные о толщине материала. Модель Аctive 187 MV PFC позволяет работать не только с черным металлом, но также с нержавеющей и высоколегированной сталью, так как ему доступна и сварка в среде инертного газа. При его покупке вы сможете использовать любые типы электродов (в том числе с рутиловым и целлюлозным покрытием).

Использование ККМ в режиме чередования фазы

Кроме блока управления, в инверторных источниках отдельного внимания заслуживает блок коррекции коэффициента мощности (ККМ). Несмотря на вопросы, связанные с возможным взаимным влиянием ККМ и инвертора, и удорожанием изделия в целом, использование блока активной коррекции коэффициента мощности обеспечивает ряд важных технических параметров. С функциональной точки зрения использование ККМ обеспечивает большую стабильность выходного тока и напряжения инвертора, при этом уменьшает влияние входного напряжения на выходные параметры. С другой стороны, по своей природе инвертор является импульсным устройством и нелинейной нагрузкой для питающей сети, поэтому несинусоидальный ток потребления приводит к искажению формы питающего напряжения. Используя блок ККМ, мы, фактически, поддерживаем величину входного тока, пропорциональную входному напряжению, и тем самым уменьшаем величину гармонических составляющих и повышаем коэффициент использования входной мощности, что позволяет более рационально использовать электроэнергию, снижая ее потребление прибором.

В линейке продукции компании Texas Instruments для управления питанием можно найти широкий спектр микросхем, позволяющих реализовать мощные AC/DC-преобразователи различного назначения, включая промышленные системы. Одним из решений при реализации ККМ в источнике с выходной мощностью 1 кВт и более является использование режима чередования фаз.

Общий принцип построения и работы блока ККМ с чередованием фазы представлен на рисунке 2. Как видно из рисунка, для увеличения выходной мощности два каскада ККМ включены параллельно на одну нагрузку. При таком включении выходной ток распределен между двумя каскадами, и величина используемой индуктивности, как и ее предельные токи, может быть уменьшена. Кроме индуктивности, менее строгие требования предъявляются и к другим силовым компонентам схемы: к ключевому транзистору, силовому диоду, выходному конденсатору. Использование меньших по размеру компонентов и разделение схемы на две составляющие позволяет обеспечить распределенное рассеяние тепла, так как силовые компоненты равномерно распределяются по всей площади печатной платы. Другой отличительной особенностью ККМ с чередованием фазы является сдвиг по фазе на 180° между параллельно работающими узлами. Такое включение дает ряд преимуществ по сравнению с реализацией однокаскадного ККМ на большую мощность или при простом параллельном включении двух каскадов. Так как каскады работают со сдвигом фаз 180°, то токовые пульсации, как по входу, так и по выходу, уменьшаются за счет взаимокомпенсации.

Рис. 2. Схема ККМ с чередованием фаз

Из-за меньшей величины входных пульсаций в такой схеме ослабляются требования к входному фильтру электромагнитных помех. С другой стороны, малые пульсации по выходу дают возможность использовать выходной конденсатор с меньшим номиналом и меньшей величиной пробивного напряжения. Это упрощает создание блока питания с низким профилем, снижает стоимость реализации и обеспечивает более высокую надежность.

Реализация ККМ на UCC28070

UCC28070 – это одна из микросхем в линейке Texas Instruments, позволяющая реализовать коррекцию коэффициента мощности с использованием метода чередования фаз в режиме непрерывного тока. Помимо UCC28070, подобным функционалом также обладают UCC28060, UCC28061 и UCC28063, но они рассчитаны на меньшие мощности и предназначены для реализации ККМ в режиме граничных проводимостей. Для реализации режима ККМ с чередованием фазы в UCC28070 использованы два широтно-импульсных модулятора (ШИМ), работающих со сдвигом фазы, равным 180°. Как уже было отмечено, такой режим способствует снижению входных и выходных пульсаций тока и уменьшает требования к фильтру электромагнитных помех, а также помогает уменьшить себестоимость за счет использования выходного высоковольтного электролитического конденсатора меньшей емкости и c меньшими пробивными напряжениями.

Среди технических особенностей, реализованных в UCC28070, следует отметить размытие спектра, синхронизацию тактового генератора, управление скоростью нарастания выходного напряжения. Все эти и некоторые другие свойства UCC28070, наряду с реализацией топологии с чередованием фазы, позволяют достичь повышенных значений таких параметров как КМ, коэффициент гармоник, скорость реакции на переходные процессы. Применение UCC28070 позволяет получить коэффициент мощности более 0,9, а также обеспечить повышенный КПД во всем диапазоне нагрузок.

На рисунке 3 показана типовая схема применения UCC28070.

Рис. 3. Пример использования UCC28070

Как пример реализации корректора мощности с чередованием фаз на основе UCC28070, можно рассмотреть типовой дизайн PMP4311 (рисунок 4). Реализация предложенной схемотехники позволяет получить КМ более 0,98 при нагрузке до 5 кВт и входном напряжении в диапазоне 180…264 В [1]. При этом КПД решения – не ниже 95%.

Рис. 4. Корректор коэффициента мощности PMP4311

Помимо UCC28070, в предложенном решении применены обратноходовой преобразователь на базе UCC28061 и драйверы силовых транзисторов UCC27322.

Корректор коэффициента мощности сварочного инвертора

САМОДЕЛЬНЫЙ СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ

На этой странице будут собираться интерсные технологические и схемотехнические решения заводских и самодельных сварочных аппаратов.

Для разминки возьмем сварочный инвертор РЕСАНТА САИ 250 ПРОФ:

Кроме якобы современного дизайна у него есть довольно инетерсное решение по приведению потребления сетевого напряжения в норму, а именно в нем используется корректор коэфициента мощности (ККМ), причем на сравнительно свежей и не дорогой микросхеме ICE2PCS01G. Схема самого аппарата ЗДЕСЬ, даташиты на ICE2PCS01G ЗДЕСЬ и ЗДЕСЬ. Там два варианта даташников, они разные по объему, но пока не разбирался насколькоони разные по содержанию. Я заказал пяток этих микросхем и когда придут уже буду детально разьбираться с этой микросхемой.
Пока могу сказать, что согласно схеме и фотографиям дроссель ККМ не такой уж и огромный, как могло подуматься изначально:

ККМ поднимает выходное напряжение не сильно, поэтому можно использовать традиционную силовую часть сварочного аппарата, поскольку практически все силовые транзисторы и драйвера, используемые в сварочных инверторах расчитаны на напряжение 500, а этого напряжения бустер не выдает, поскольку сглаживающие электролитические конденсаторы расчитаны на 450 вольт, из чего не сложно сделать вывод, что выходное напряжение корректора коэфициента мощности не более 400 вольт. Произвести перерасчет тока, на который реагирует ККМ не трудно на схеме указаны номиналы токоизмерительных резисторов, а в паспорте на инвертор указана его мощность. Но это для тех, кто ленится разбираться с даташитом на данную микросхему корректора.

Выходные диоды ККМ STTH12R06D — 12 ампер, 600 вольт, корпус ТО-220 с металлическим фланцем, но у них время восстановления 12 nS, они реально быстрые, как раз подстать микросхеме, поскольку в даташнике на микросхему указывается минимальная рекомендуемая частота переключения 50 кГц, а типовая 120. 150 кГц. Это довольно приличные частоты и при проектировании печатной платы нужно уделить максимальное внимание влиянию соседних проводников друг на друга
Так же следует обратить внимание на выпрямительные диоды первичного напряжения. Используются диодные мосты работающие параллельно, но в паралель работают диоды именно из одной сборки, что гарантрует максимальную похожеть параметров диодов, следовательно через параллельные диоды будет протекать одинаковый ток, поскольку падение напряжения не N-P переходе будет тоже одинаковым.

Следующим довольно интересным было схемотехническое решение в сварочном аппарате ВД-160И У2 (ВД-200И У2)

Первое, что бросилось в глаза, так это то, что ребята реально хорошо знают транзисторную схемотехнику. Полноценной схемы найти не удалось, однако лично мне понравилось то, что было увидено. Сначала я увидел ЭТОТ файлик, затем порывшись в интернете нашел вот ЭТОТ файлик.
Первое, что бросилось в газа — ограничение тока на управляющем трансформаторе — использовать диоды для подавления выбросов это довольно оригинально (обведена голубым):

Закрывающая силовой транзистор цепочка тоже довольно не традиционна — по сути это аналог тиристора и если уж он открываается, то не закроется пока на нем не будет реально нулевого напряжения (обведено желтым).
Но и это еще не все — сварочный инвертор полумостовой и этот факт используется полностью.
Во первых протекающий через первичную обмотку ток так же протекает через управляющий трансформатор и покак этот ток не будет иметь минимальное значение включение другого силового транзистора не возможно, даже в тот момент, когда будет подан управляющий импульс с платы управления. Это полностью исключает вероятность возникновения сквозного тока (обведено желтым):

Так же используется довольно редкий способ удержания дуги при снижении тока, а именно добавлена дополнительная высоковольтная обмотка для облегчения поджига и удержания дуги. Я уже видел подобные решения, но в них использовались токоограничивающие резисторы на кучу ватт. Здесь же в качестве ограничителя тока выступает реактивное сопротивление L2, которе при слабых тока созадет маленькое падение напряжение на себе, а при больших ограничивает ток на столько, что диоды КД213 остаются целыми, т.е меньше 10 А. Таким образом значительно снижается выделяемое внутри сварочного аппратата тепло.

Для самодельного сварочного аппарата , работающего с аргоном нужен осцилятор. Впрочем осцилятор нужен и для плазмореза. Разумеется, что дугу можно поджечь и без него, касаясь электродом заготовки, но в момент касания односначно заточка электрода из вольфрама потеряет свою форму.
В сварочном аппарате РУСИЧ С-400 в качестве генератора высокого напряжения выспутает самовозбуждающийся электронный трансформатор и схема довольно знакома — подавляющее большинство электронных трансформаторов для низковольтных галогеновых ламп собраны именно по этой схеме:

В данном варианте используется по два параллельных транзистора для увеличения выходного тока. Тут сразу оговорюсь — у самого зачесалиь руки купить готовый трансформатор и перемотать под осцилятор, но я удержался. Для подобного трансформатора нужно довольно приличное окно, поскольку вторичная обмотка должна иметь межслойную изоляцию — выходное напряжение подобного трансформатора должно быть порядка 4-6 кВ, а это требует межслойной изоляции не только между первичкой и вторичкой, но и между слоями первички. Даже используя фторопластовую ленту толщина изоляции займет не мало места, а с учетом того, что слои вторичной обмотки не должны добигать то краев каркаса хотя бы 2-3 мм, то и толщина самой обмотки увеличивается. Следовательно использовать сердечники от электронного трансформатора для ламп весьма затруднительно — размер окна расчитан строго под то количество обмоток и их толщину, которая используетсяв данном трансформаторе — при серийном производстве использование сердечников с «запасом» довольно убыточно.

Зарядить конденсаторы первичного питания сварочного инвертора не так просто — напряжение приличное, емкость конденсаторов тоже, следовательно ток во время зарядки будет возникать огромный. Чаще всего для зарядки этих конденсаторов в сварочных инветорах используют токоограничивающие резисторы и термисторы. Я не не буду утверждать, что это схема заводского сварочного аппарата (СХЕМА ЗДЕСЬ), но автор не стал заморачитваться с резисторами, а просто поставил обычную лампу накаливания на 150 Вт. Тут же оговорка — обычная лампа довольно габаритна, поэтому желащим повторить подобное рекомендую использовать галогенку — она значительно меньше, да и трубку гораздо проще защитить от ударов, чем колбу обычной лампы:

Выпрямитель и ККМ инверторного кондиционера

Рекомендуем ознакомиться с предыдущими статьями:

• Структурная схема инверторного кондиционера
• Схема фильтра инверторного кондиционера

После входного помехоподавляющего фильтра идёт выпрямитель, обычно совмещённый с корректором коэффициента мощности. 

Выпрямитель и корректор коэффициента мощности

Для питания инверторного модуля необходим постоянный ток. Для выпрямления переменного тока в постоянный используются полупроводниковые диоды включённые по мостовой схеме (иногда другой). Также используются готовые диодные мосты, выполненные в едином корпусе.

Коэффициент мощности — характеристика потребителя электроэнергии, которая показывает насколько больше мощность потребления от сети по сравнению с активной мощностью самого прибора. Для активной нагрузки (например, лампа накаливания, тепловые электроприборы) коэффициент равен 1.

Электрическая нагрузка в кондиционере имеет ёмкостный (конденсаторы) и индуктивный (компрессор) характер, что снижает КМ. По регламентам различных стран КМ должен быть не ниже определённого значения для потребителей различной мощности.

Поэтому во всех инверторных кондиционерах применяют корректоры КМ, рассмотрим наиболее часто применяемые схемы.

Схема пассивного ККМ:

После выпрямительного моста установлен дроссель L1, который корректирует КМ.

Такая схема обеспечивает невысокий коэффициент — 0,7 — 0,85 , в зависимости от нагрузки и имеет существенный недостаток — выбросы напряжения при изменении нагрузки, поэтому конденсаторы должны быть с увеличенным рабочим напряжением.

Пассивные корректоры использовались в очень старых моделях кондиционеров (теперь они не соответствуют ни европейским, ни японским стандартам), также используются и сейчас в дешёвых китайских инверторах.

Схемы активных ККМ

Активные корректоры имеют в своей схеме активные компоненты — транзисторы, работающие в ключевом режиме, управляемые специализированными микросхемами.

Кстати, данная схема в немного видоизменённом виде наиболее часто используется в кондиционерах Daikin малой и средней мощности.

В разных сериях кондиционеров, и у разных производителей используются различные схемы и элементы. Например, транзистор может быть полевым или биполярным с изолированным затвором (IGBT).

На плате это выглядит так:

Встречаются также схемы с двумя дросселями, обычно это кондиционеры мощностью более 5 кВт (потребляемой, а не холодильной), при этом используются и два транзистора, что видно на скриншоте схемы из сервис-мануала:

Также, сейчас выпускается большое количество уже готовых модулей ККМ — все силовые активные элементы, а также управляющие и драйверные микросхемы находятся внутри:

На деталях видны белые следы термопасты — так как все активные элементы при работе греются, для них необходим теплоотвод, обычно это алюминиевый радиатор, который крепится на эти элементы, а термопаста необходима для хорошего теплового контакта.

Все об инверторах с модулем PFC доступным языком

Времена, когда «бал правили» огромные сварочные трансформаторы безвозвратно ушли в прошлое и сварка в бытовых условиях стала не роскошью, а обыденным делом мастера.

Благодаря появлению инновационных технологий, компактный и функциональный сварочный инвертор с PFC (модулем коррекции коэффициента мощности) стал чаще встречаться у домашних умельцев, в представленном материале мы раскроем почему выбор падает на сварочники с PFC и в чем их преимущества.

Преимущества сварочных инверторов оснащенных модулем PFС

На профессиональных форумах специалисты-электротехники до хрипоты спорят о преимуществах активного и пассивного корректора мощности в устройствах и их возможности сводить к минимуму потери электроэнергии при ее передаче от источника питания.

Однако специалиста-практика мало интересуют теоретические дебри, ему достаточно знать, что с практической точки зрения, сварочные инверторы, в которых имеется функция PFC (ККМ, коррекция коэффициента мощности), обладают практически еще одним дополнительным стабилизатором напряжения на входе, поэтому такой аппарат способен:

• Использовать значительно меньшую величину потребляемого тока без снижения силы максимального сварочного тока;
• Работать на сверхнизком напряжении (просаженных сетях), а также при его скачкообразном изменении. При этом диапазон значений напряжения в сети может колебаться весьма значительно (от 90 до 240В);
• Работать при подключении через удлиненный переносной кабель;
• Работать с бензиновыми или дизельными генераторами, т.к. аппарат с ККМ не нагружает их, как обычный сварочник.

На рисунке представлена вольт-амперная характеристика с использованием модуля PFC и без него. Обычный инвертор (без PFC) берет из сети пиковыми значениями, показано красной линией, а с модулем PFC потребление переводится в плавную синусоиду, за счет этого не создается нагрузка на сеть.

Наряду с этим резко повышается коэффициент полезного действия аппарата, достигая не менее 85%. Коррекция фактора мощности PFC позволяет достичь и максимально высокого КМ (до 99,9% в идеальном варианте), при этом на нагрев проводников расходуется не более 1% общей мощности инвертора!

Что выбрать? Бытовые инверторы с функцией PFС

Следует отметить, что стоимость PFC инвертора с активным типом контроля коэффициента мощности, конечно же несколько выше, чем у обычных импульсных источников питания с без трансформаторным входом, особенно это сказывается на цене бытовых моделей. Поэтому, приобретая аппарат, необходимо четко очертить его планируемую сферу деятельности.

Бюджетные варианты инверторов подойдут в том случае, если сварочные работы будут выполняться лишь от случая к случаю, а в качестве свариваемого материала будут выступать простейшие стали. Не стоит думать, что подобные аппараты совсем примитивны, например сварочный инвертор Сварог 160 PFC, несмотря на свою приемлемую цену способен:

• Работать от сети с напряжением 160-240В, то есть качественная работа с электродами диаметром до 3 мм возможна даже при значительном падении напряжения;
• Специально для дилетантов прибор снабжен функцией HOT START, в результате чего в момент прикасания электрода к сварочной заготовке кратковременно импульсно повышается значение сварочного тока, благодаря чему зажигается дуга;

Однако, сварить алюминий, применяя подобное оборудование не получится, так как оно предназначено для сварочных работ с постоянным током. Сварщики, которые работают на этом аппарате, хвалят его надежность, но среди многочисленных преимуществ иногда отмечают небольшой недостаток: затрудненном поджиге некоторых марок электродов, а в частности УОНИ 13/55, но в основном этого инвертора хватит за глаза на большинство бытовых задач.

Если же вы готовы потратиться на функциональность, обязательно обратите внимание на модель Gysmi E200 PFC.

Помимо всех достоинств инвертора с ККМ, данный аппарат снабжен функцией автоматического затухания дуги, что позволяет завершить сварной шов без таких дефектов, как трещины и сварочный кратер (углубление).

Аппарат с легкостью можно перенастроить на режим аргонодуговой сварки не плавящимся электродом и порог максимального сварочного тока несколько выше, чем у модели от бренда Сварог.

К чуть более дорогому ценовому диапазону относится инвертор итальянского производства Blueweld Active 187 MV PFC. Мало того, что производитель допускает подключение к аппарату удлиняющих «переносок» длиной до 50 м, так он еще предусмотрительно снабдил прибор корпусом усиленной прочности.

А самое главное — синергетическая регулировка позволяет точно придерживаться определенной длины дуги, достаточно лишь выставить данные о толщине материала. Модель Аctive 187 MV PFC позволяет работать не только с черным металлом, но также с нержавеющей и высоколегированной сталью, так как ему доступна и сварка в среде инертного газа.

При его покупке вы сможете использовать любые типы электродов (в том числе с рутиловым и целлюлозным покрытием).

Если вы профессионал..

Промышленные сварочные аппараты способны работать без сбоев и поломок в самых сложных условиях. Компактными их уже, конечно, трудно назвать, ведь вес этого оборудования начинается от 20 кг и для перемещения инвертора по объекту приходится применять специальную тележку.

Американская компания Lincoln Electric выпускает один из наиболее функциональных инверторов — модель Lincoln Electric Invertec 300TPX, которая имеет несколько режимов аргонодуговой сварки и позволяет работать с различными металлами.

Инновационное программное обеспечение позволяет после определения настроек выполнять работу в полуавтоматическом режиме.

Низкое потребление энергии и сокращение рассеивания энергии в кабелях питания ему обеспечивает блок PFC, а низкий процент выброса СО2 в процессе сварки позволяет назвать этот аппарат «экологичным».

Простейший корректор коэффициента мощности

Устройство отличается от классического выпрямителя тем, что зарядка накопительного конденсатора осуществляется через дроссель. Электрический ток через дроссель не может измениться моментально. Соответственно, дроссель как бы усредняет ток зарядки. При правильном выборе дросселя, ток зарядки будет идти постоянно, вне зависимости от текущего значения напряжения. Мощность, соответственно, от сети тоже будет отбираться постоянно, а не только при пиках напряжения. Сила тока не будет иметь ярко выраженных всплесков. Все поставленные задачи решены.

Для нормального функционирования схемы нужен дроссель, который не будет насыщаться при максимально возможном потребляемом токе. Индуктивность дросселя должна быть такой, чтобы пульсации тока не превышали 1А, чтобы соответствовать государственным стандартам. Для 50 Гц индуктивность составляет 3 Гн. Для нагрузки 1 кВт такой дроссель, конечно, можно изготовить, но весить он будет более 50 кг, а стоить больше 10 000 рублей с учетом современной цены меди.