База знаний

КПД и PF (power factor) драйверов – как не запутаться в процентах

Начнем, как водится, с простого. КПД все изучали в школе – это отношение затраченной энергии и полученной. Взять хотя бы светодиодный драйвер, который потребляет условно 30Вт из сети, а светодиодам отдает, скажем, 28Вт. Получаем 28/30=0,933=93,3%КПД. Куда девается остальное? Остается в драйвере и греет его изнутри. Ток, проходя через драйвер проходит такие «американские горки», что трансформация 7% мощности в тепло, это не такая уж большая цена. Лет 50 назад нормальным явлением в светотехнике был КПД и 80 и 70 и даже 60%.

Само собой, любые ватты, которые греют потолок и не участвуют в образовании света – это зло. Но зло неизбежное и неистребимое, значит надо просто смиряться и терпеть эти потери. Ранее уже писал здесь, что существует две основных топологии драйверов светодиодов по части КПД. Первые – это драйвера с гальванической развязкой, а вторые – без развязки. Плюсы-минусы уже расписывал, сейчас напомню, что развязанные драйвера имеют КПД около 90±2%, а не развязанные 94±2%. Все упирается в качество применяемых деталей и теплоотводов и прямиком влияет на цену изделий. Видали мы и 99% КПД у DC-DC преобразователей, но это редкость. Нам пока не светит такое применить повсеместно. Ну, в общем, про КПД можно уже и закончить. Теперь про хитрых энергетиков и что такое сдвиг по фазе.

Второй важнейший показатель для любого потребителя электроэнергии, к коим можно, безусловно, отнести светодиодный драйвер со светодиодами, является Power Factor или PF или λ (лямбда). Эх, хитрая это штука, придется таки рисовать… Заранее поясню, PF=1 – это круто, PF<0,7 это отстой. Особенно, когда речь идет о больших мощностях. Далее станет понятно почему.

Как всем известно, в сети течет переменный ток с действующим напряжением 220 Вольт и частотой 50Гц. Синусоиды люблю, но пока рано рисовать. Когда изобретали эту хитрую схему, тогда электроники еще и в помине не было, поэтому PF никого не волновал. Была немного другая проблема. Всяческие электродвигатели потребляли ток не совсем так, как хотелось бы энергетикам. Если коснуться (и ужаснуться) теории электротехники, то станет понятным, что индуктивные нагрузки потребляют ток также по синусоиде, но с некоторым сдвигом относительно напряжения (понимаю, сложно, но можно просто поверить на слово и перескочить на конец абзаца). Обозначался этот сдвиг как «cos φ» или «сдвиг по фазе» - да, да, это не ругательство, это термин такой. Вот этот сдвиг по фазе не давал спокойно спать энергетикам последние сто лет. Если в кратце, то сдвиг по фазе влечет расходы, а расходы, как известно, нести никто не хочет. С этой бедой боролись, боролись, и в общем и целом победили, но тут вдруг появилась «тьма» китайских светильников с PF=0,6 и опять началось. Вот странно, на Руси тьма равнялось миллиону, но тьма светильников - вынос мозга какой-то.

Вот теперь придется рисовать. Но предварительно простонародный термин. PF или коэффициент мощности – это по сути несинусоидальность потребления тока. Короче объяснения придумать не получается. Буйное развитие электроники привело человечество к тому, что значительная часть потребителей стала потреблять ток из сети совсем не по синусоиде, а примерно так:
Красным – график напряжения, зеленым – график тока. Потребляется на картинке 250Вт мощности с PF=0,72. Пояснения к абракадабре следующие. Если обратить внимание на зеленый график, то потребление тока занимает примерно 40% от всего времени, остальные 60% времени ток из сети не потребляется. Совсем. Из-за этого даже корявит синусоиду и она уже не такая синусоидальная, что приводит к дополнительным проблемам у потребителей, которым только синусоиду и подавай (в основном электродвигатели). А теперь представьте, что все кинулись разом потреблять электроэнергию как на картинке, что получится у энергетиков на выходе из электростанции. В их толстенном кабеле, который идет в город 60% времени нет потребления, зато остальные 40% потребление растет сначала скачкообразно, а потом падает до нуля. Что у них получается. Если упрощенно, то очень небольшой промежуток времени кабель перегружен раз в 10, и больше половины времени он совсем не работает. А если учесть, что запас прочности нужно закладывать и на кабель, то, что получается? А получается, что кабельные сети работают рывками и с постоянными перегрузками, хотя мощность они передают вроде бы нормальную. В итоге этих перегрузок преждевременный износ кабельных сетей, автоматов, фидеров, контактов и тд, за которые энергетики в ответе.

В итоге они «осерчали» на потребителей и решили, если уж потребитель желает потреблять ток из сети рывками и вообще как-то не так, это все надо посчитать, скалькулировать и выставить за это дополнительный счет. Так и родился термин PF. Чтобы не злить народ, его решили обозначать меньше единицы. А меньше единицы – да только потому, что все современные трехфазные электронные счетчики считают ваше потребление с учетом этого PF. Коварство же заключается в том, что счетчик считает активную мощность (вольты множим на амперы, ну, то, что на физике многие учили) + реактивную мощность, а это 1 минус PF. То есть, если потребитель потребляет 1кВт мощности с PF=0,9, то счетчик по честному считает 1 кВт, но еще и реактивную составляющую 1кВт х (1-0,9) = 0,1кВт. А это уже 1,1кВт. Бам! Вот вам и повышение тарифов.

В защиту энергетиков скажу, что проблема эта реальная, в их масштабах довольно дорогая, поэтому, когда электроники среди потребителей стало много, энергетики забили тревогу. Со своей стороны, под благовидным предлогом якобы для повышения точности подсчета (в свою сторону, хе хе) обязали большую часть трехфазных потребителей перейти на электронные счетчики, которые умеют считать PF (старые счетчики с диском так не умели). Однофазные счетчики пока не тронули. Но это не точно.

В связи с этим со стороны производителей электроники (а освещение до сих пор занимает значительную часть расходов на электроэнергию) стало модным ставить на все свои изделия корректоры мощности и писать PF>0,9; PF>0,95; PF>0,98 (это означает, что ваш счетчик накрутит около 10; 5; 2% от указанной на девайсе мощности). Все вроде бы правильно. Начали брать денежки за коэффициент мощности, его быстренько привели к показанию почти единица. Но и там дьявол кроется в мелочах. PF 0,9 достигается относительно легко и с малыми затратами как по КПД, так и по цене устройства, зато оставшиеся 8% сильно удорожают устройство, а самое главное начинают ронять КПД. Поэтому иметь устройство с PF=0,96 и КПД=94% в общем и целом выгоднее, чем устройство с PF=0,98 и КПД 89%. Считаем 0,96х0,94=0,902 и 0,98х0,9=0,872. Первый девайс выгоднее владельцу трехфазного счетчика на 3%, а владельцу однофазного счетчика на 5% (если помните, писал, что однофазных счетчиков участь платить за неправильный мёд коэффициент мощности пока миновала). Вроде не много, но если помножить хотя бы на 50000 часов ресурса светильника и скажем на 1000 светильников в здании – имеем приличную разницу, порядка 600 тыс. руб.

Напоследок о хитрых китайцах. Кто угадает, имеют ли светильники дружественных нам производителей те самые корректоры мощности, которые ставят в дорогие драйвера светодиодов? Для подсказки скажу, хороший драйвер мощностью 36Вт со всеми «прибамбасами» стоит на сегодня примерно 500 рублей, китайский светильник уже с доставкой до России той же мощности от 400 рублей.

На самом деле в масштабах страны доминирование китайских светильников (а их 5 лет назад продавалось около 92% от всех светодиодных светильников, на сегодня около 88%) - это катастрофа для энергетиков и проблемы для владельцев данных светильников. Но это, как говорится, совсем другая история.