Содержание

Мощность электрической цепи активная – Энциклопедия по машиностроению XXL

Момент электрического диполя, электрический Момент элементарного электрического тока, магнитный момент магнитного диполя, магнитный Мощность электрической цепи мощность электрической цепи, активная Мощность электрической цепи, полная Мощность электрической цепи, реактивная  [c.213]

Мощность дозы излучения Мощность, звуковая Мощность кермы Мощность поглощенной дозы излучения Мощность эквивалентной дозы излучения Мощность экспозиционной дозы, рентгеновского и гамма-излучений Мощность электрической цепи, активная Мощность электрической цепи, полная  [c.219]


Активная мощность электрической цепи ватт Вт W  [c.92]

В электротехнике для измерения полной мощности электрической цепи, определяемой произведением действующих значений напряжения и силы тока С/эф, /дф, не применяют единицу мощности ватт (которой измеряется только активная составляющая мощности), а пользуются единицей вольт-ампер (В А).

Для измерения реактивной мощности применяют единицу вар, которую определяют как реактивную мощность цепи с синусоидальным переменным током при действующих значениях напряжения 1 В и тока 1 А, если сдвиг фазы между током и напряжением я/2.  [c.260]

Ватт — активная мощность электрической цепи, эквивалентная механической мощности 1 вт.  [c.306]

Активная мощность электрической цепи ватт 10 10 10-  [c.91]

Активная мощность электрической цепи ватт 8/П W (1 дж) (1 сек)  [c.13]

Активная мощность электрической цепи имт ватт Вт W Ватт — активная мощность электрической цепи, эквивалентная механической мощности 1 Вт  [c.604]

Активная мощность электрическое цепи  [c.126]

Активная мощность Р определяет энергию, поступающую в электрическую цепь в единицу времени и превращающуюся там в тепло или другие виды энергии. Она измеряется в ваттах (вт) и определяется по следующим формулам  

[c. 306]

Режим с неизменным во времени напряжением на электродах разрядного промежутка может быть реализован либо в схеме с источником бесконечной мощности (внутреннее сопротивление источника равно нулю), либо в схеме с электрической линией, согласованной по волновому сопротивлению с активным сопротивлением газового промежутка. На практике для возбуждения газового лазера чаще используются схемы, в которых в качестве накопителя энергии применяются конденсаторы. При этом в схеме неизбежно имеется индуктивность, и, следовательно, цепь, нагруженная на активное сопротивление плазмы разряда. В такой электрической цепи характеристики разряда зависят от степени нелинейности активного сопротивления и значений индуктивности и емкости. Анализ характеристик разряда в этом случае упрощается, если первоначально пренебречь индуктивностью разрядного контура. Итак, рассмотрим режимы несамостоятельного разряда в безындуктивном разрядном контуре с учетом конечной емкости накопительного конденсатора.

Энергозапас в таком контуре соизмерим с энергией разряда или превышает ее ненамного. В этом случае напряженность поля за время разряда уменьшается.  [c.59]

В рассмотренных выше работах форма напряжения (т.е. зависимость напряжения от времени) на дуге рассчитывается при заданной синусоидальной форме тока. Это означает, что последовательно с дугой в цепь включена большая индуктивность, определяющая форму и силу тока в цепи. При этом коэффициент мощности сети ( os ) близок к нулю. Для практических же целей гораздо более важен противоположный случай, когда в дуге выделяется большая часть мощности источника питания. Однако при этом вид кривой тока дуги существенно отличается от синусоиды и зависит от параметров самой дуги. Еще труднее заранее предсказать форму кривой, если дуга включена в сложную электрическую цепь, содержащую различные активные и реактивные элементы. Отсюда ясно, что в общем случае вид кривых тока и напряжения на дуге зависит как от заданных внешних условий (геометрия канала, род газа и т.

д.), так и от схемы электрической цепи, содержащей дугу. Таким образом, замкнутая теория дуги пе-  [c.190]


Таким образом, мощность, связанная с реактивной частью импеданса, аналогична мощности, потребляемой индуктивностью в цепи переменного тока, а сама реактивная часть 1т 2 — индуктивному сопротивлению катушки. Активная же часть Не 2 = р с ЗоЯ определяет мощность, необратимо теряемую источником на излучение в среду, и она эквивалентна активному сопротивлению электрической цепи. Поэтому эквивалентная схема акустического импеданса пульсирующей сферы может быть представлена параллельно соединенными катушкой и омическим сопротивлением.  
[c.208]

Состояние электрической цепи по отношению к реактивной мощности характеризует коэффициент мощности ( os ф), который представляет собой отношение активной мощности к полной (кажущейся) мощности  [c.32]

В, электрических цепях переменного тока с реактивными сопротивлениями различают три вида мощности полную 5, активную Р и реактивную Q. Полная мощность 5 электроустановки переменного тока состоит из мощности, расходуемой в активном сопротивлении Р и реактивной части мощности О, (геометрическая сумма).  [c.14]

Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется как отношение произведения средних значений выпрямленного напряжения и тока к активной мощности, потребляемой из сети. В области положительных температур растет как прямой, так и обратный ток. При отрицательных температурах имеет место уменьшение прямого и обратного тока. Основные свойства купроксных выпрямителей, применяемых в электрических цепях управления сборочно-сварочными процессами приведены в табл. 6. (см. приложение).  

[c.123]

Эти соотношения аналогичны закону Ома и зависимости мощности от тока в напряжения в электрической цепи с активным сопротивлением.  [c.14]

Полученное выражение аналогично выражению для полной электрической мощности в цепи с индуктивностью и активным сопротивлением Р=1Щ+ Р(йЬ.[c.15]

Программа предусматривала три выхода астронавтов из лунного корабля на поверхность Луны продолжительностью по 7 ч каждый, наблюдение, исследование, сбор образцов лунных пород и установку на Луне комплекта научных приборов для пассивных и активных сейсмических исследований, измерений магнитного поля и теплового потока из внутренней области к поверхности Луны. Приборы связываются электрической цепью источником энергии является термоэлектрический генератор мощностью 70 ватт, передача данных на Землю осуществляется по микроволновой радиолинии.  

[c.188]

Найдите активное сопротивление электрической лампы накаливания, включенной в цепь переменного тока с действующим напряжением 220 В, при этом выделяется средняя мощность 100 Вт.  [c.296]

В разрядной цепи генератора канал пробоя выступает как активная электрическая нагрузка, процесс энерговыделения в которой можно описать следующими энергетическими характеристиками разрядным током г падением напряжения Uk на канале разряда его активным сопротивлением Rk мощностью Nk, NkA-.

развиваемой в канале и на единице его длины, соответственно энергией Wk, Wk/lk, выделенной к данному моменту времени t в канале и на единице его длины 1к, соответственно. При этом справедливы соотношения  [c.54]

Основными электрическими параметрами стартерных аккумуляторных батарей являются ЭДС, напряжение, мощность и емкость. ЭДС химического источника тока представляет собой разность электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи. ЭДС Е свинцового аккумулятора зависит от химических свойств активных веществ. Температура мало влияет на величину ЭДС. При работе аккумулятора ЭДС меняется вследствие изменения концентрации серной кислоты в электролите, т. е. изменения плотности электролита. Она не зависит от количества заложенных в аккумулятор активных материалов и от геометрических размеров электродов и увеличивается пропорционально числу последовательно включенных аккумуляторов.  [c.64]

При освещении активной поверхности фотоэлемента в его цепи возникает электрический ток, пропорциональный мощности падающего излучения.

Это свойство г, фотоэлемента и используется в объективных колориметрах.  [c.341]


Единицами полной мощности служат вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВА). На табличках генераторов и трансформаторов указывается полная мощность. На табличках электродвигателей указывается активная (полезная) мощность, которую они могут развить. Полную мощность электродвигателя, которую он потребляет от электрической сети, можно определить расчетным способом, Полная мощность цепи переменного тока определяется про-  [c.14]

Индуктивный датчик ИД-31. Катушка, магнитопровод и штепсельный разъем 5 индуктивного датчика (рис. 117) залиты эпоксидным компаундом и представляют собой единый неразъемный узел. Якорь датчика сочленяется со штоком серводвигателя регулятора мощности. Датчик — это электрический преобразователь, в котором линейное перемещение якоря вызывает изменение значения индуктивного сопротивления катушки. Максимальный сигнал датчика соответствует положению якоря, выдвинутому за корпус, а минимальный — максимально вдвинутому положению.

При увеличении нагрузки поршень серводвигателя перемещается и вдвигает якорь в катушку индуктивного датчика, за счет чего уменьшается ток в цепи регулировочной обмотки амплистата. При изменении частоты вращения вала дизеля меняется напряжение и частота питания индуктивного датчика. Однако в связи с тем что индуктивное сопротивление катушки намного больше активного, ток в регулировочной обмотке амплистата не зависит от позиции контроллера, а зависит от положения якоря в катушке. Напряжение датчика 10 В частота питающего напряжения 133 Гц ход якоря при изменении сопротивления от минимального до максимального 65 мм минимальное полное сопротивление катушки (не более) 5,5 Ом максимальное полное сопротивление катушки (не менее) 70 Ом ток продолжительный 1,4 А.  
[c.155]

Для контактной сварки металлов и сплавов широкой номенклатуры и с большим диапазоном толщин используются токи до 200 кА при напряжении на деталях 0,5—2,5 В. Электрическая часть контактных машин представляет собой активно-индуктивную цепь с источником питания низкого напряжения. Индуктивность цепи зависит от размеров рабочего пространства машины — вылета электродов и раствора сварочного контура — и определяется в основном индуктивностью сварочного контура, которая достигает весьма больших значений. Это обусловливает чрезвычайно низкий коэффициент мощности контактных машин (до 0,2) при питании сварочного контура переменным током промышленной частоты.  [c.3]

Описание технологии. На электродуговой сталеплавильной печи типа ДСВ-40 в ПО Ижорский завод еще в 70-х гг. была проведена реконструкция короткой сети с устройством в ней специальных разъемов. В результате уменьшения активных потерь снизился расход электроэнергии. Однако в связи с изменением электрических режимов часто стали выходить из строя трансформаторы тока ТНШ-06-25000/5, применяемые в качестве датчиков. В связи с этим были разработаны и изготовлены трансформаторы тока с усиленной изоляцией и улучшенными электрическими характеристиками. Применение этих трансформаторов в качестве датчиков тока в схеме регулятора мощности РМД-4,5 обеспечило передачу первичного тока дуги во вторичные цепи практически без искажений, что поз-  [c. 72]

Аналогом тока является колебательная скорость V, аналогом электрического напряжения U — сила звукового давления Fp pS, а аналогом омического сопротивления / , — акустическое волновое ( опротивление роэлектрической цепи определяет необратимые потери источника тока на джоулево тепло, выделяющееся в активном элементе, ве-Л 1чина акустического волнового сопротивления характеризует необратимые же потери мощности акустического источника в виде излучения в прилегающую среду. Поэтому акустическое волновое сопротивление называют е це сопротивлением излучению.  [c.52]

Изменение тока в электрической цепи (включение, выключение) вызывает появление в ней ЭДС самоиндукции, препятствующей этому изменению. При увеличении тока она направлена против ЭДС источника напряжения, а при уменьшении тока, она мешает ему исчезнуть. Сопротивление в цепи, возникающее в результате действия ЭДС самоиндукции, называется индуктивным, а сопро-тивл 1ние проводников цепи—активным. Вся мощность, получаемая цепью переменного тока, называется кажущейся и состоит из активной и реактивной – мощностей. Активная мощность расходуется на нагрев. В двигателях переменного тока большая часть активной мощности превращается в механическую. Реактивная мощность обусловлена наличием магнитных и электрических полей в индуктивностях и емкостях цепей. В цепи с индуктивной нагрузкой нельзя избежать наличия реактивной мощ-  [c.31]

Причины сдвига фаз и практические последствия его. На многие из цепей переменного тока (установки для генерирования, канализации и потребления электрической энергии) оказывает неблагоприятное влияние то обстоятельство, что в них циркулируют токи, к-рые необходимы для поддержания надлежащего электромагнитного режима, но не м. б. превращены в полезную энергию. С электродвигателями, тpaн фopмiaтopaми и проводами свя-(J зано существование пульсирующих магнитных полей возникновение и исчезновение этих полей сопряжено с пульсацией энергии, к-рая передается из электрической цепи в магнитное поле и обратно из поля в цепь, не со-/ вершая при этом полезной работы. Соответствующие этой реактивной мощности токи в проводах называются реактивными они сдвинуты по фазе на 90° относительно активных токов. Полный ток I, состоящий из реактивной слагающей I,. и активной Ifj (фиг. 3), оказывается вследствие этого сдвинутым по фазе относительно напряжения на нек-рый угол ср. Отношение активной составляющей тока 1а к полному току J, т. е.  [c.223]


РПИБ-М Регулирование электрической активной мощности в трехфазных цепях переменного тока Переменный, частота 50 Гц 2 Первичный прибор с дифференциально – трансформаторным датчиком производства завода Манометр и датчиком трансформатора тока ДТТ-58 производства МЗТА Вместо указанного прибора с дифференциально – трансформаторным датчиком могут применяться Первичные приборы с ферродинамиче-скими, индукционными или реостатными датчиками  [c.771]

Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц их величина становится одним из самых важных параметров диэлектрика. Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока (рис. 18.24). У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током / и напряжением U равен 90°, поэтому активная мощность Na, = IU osy равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол 6, называемый углом диэлектрических потерь. Тангенс угла S и диэлектрическая постоянная е характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м  [c.602]

Известно, что если электрическая дуга питается от обычной промышленной сети переменного тока, то для стабилизации ее горения в болышнстве случаев необходимо последовательно с дугой включать катушку индуктивности (реактор). По существу, реактор играет ту же роль, что и балластный резистор в цепи дуги постоянного тока, т.е. обеспечивает падающую внешнюю вольт-амперную характеристику источника питания. Однако в отличие от балластного резистора в реакторе практически отсутствуют потфи активной мощности.  [c.38]

В результате электрического расчета при заданном напряжении и частоте источника питания определяются следующие электрические параметры коэффициент полезного действия, активные и реактивные мощности в системе, коэффициент мощности, токи в цепях индукторов, двухмерное распределение внутренних источников теплоты в загрузке. Электрический расчет в данных моделях реализует вариант метода интегральных уравнений с осреднением ядра интегрального уравнения (см. главу 2). Это позволяет эффективно производить электрический расчет индукционных нагревателей независимо от выраженности поверхностного эффекта в загрузке с многослойными, секционированными, многофазными индукто-)ами, с обычным и автотрансформаторным включением обмоток. Лредусмотрен также учет влияния на электромагнитные параметры индукционной системы таких элементов, как медные водоохлаждаемые кольца, электромагнитные экраны и другие проводящие немагнитные тела, в которых можно выделить осесимметричные линии тока. Тепловой расчет заключается в определении двухмерного температурного поля в загрузке в процессе нагрева при определенных граничных условиях на поверхности загрузки, которые задаются или исходя из свободного теплообмена с окружающей средой (конвекцией, излучением) или с учетом футеровки. Одновременно находятся как общие тепловые потери, так и потери с отдельных поверхностей загрузки.  [c.217]

При освещении активной поверхности фотоэлемента в его цепи возникает электрический ток, пропорциональный мощности падающего излучения. Это свойство ( тоэлемента и используется в объективных колориметрах. Колориметры называются объективными потому, что работа их не зависит от субъективных особенностей глаза человека.  [c.327]

Активная мощность Р, расходуемая в активном сопротивлении, соверщает полезную работу. Активная мощность определяет ту часть электрической энергии, которая преобразуется в энергию другого вида (механическую, тепловую, световую, химическую). Активная мощность определяется произведением P=P-R, тле Я — активное сопротивление цепи, т. к. напряжение и ток на активном у сопротивлении совпадают по фазе. Единицей активной мощности / служит ватт (Вт) и киловатт (kBi).  [c.15]

Если имеется согласование и по активному сопротивлению, т. е. Лг = Лвн, то мощность излучения равна половине мощности, потребляемой системой от внешней цепи. Обычно добротность контура при велика и система обладает резкими резонансными свойствами (электрический резонанс). Частота электрического резонанса Юе = = должна лежать внутри полосы механического резонан-  [c.167]

Процедуры метода энергетического баланса сводятся в общих чертах к следующему. Изучаемый автоколебательный контур разбивается на линейную и нелинейную части. В первом приближении принимается, что колебания выходных координат линейного звена имеют гармонический характер. Далее записываются два интегральных соотношения, одно из которых описывает энергетический баланс для активной составляющей мощности, другое — для реактивной составляющей мощности. Понятия активной и реактивней мощности заимствованы из электротехники. Применительно к задачам о колебаниях механических систем под активной мощностьк> понимается работа, совершаемая внешними силами за период колебания . (В электротехнике активная мощность равна электрической энергии, отдаваемой или поглощаемой в рассматриваемом участке цепи.) Что же касается реактивной мощности, то она, па аналогии с электротехникой, определяется таким же образом, как и активная мощность, но от силы, сдвинутой по фазе от реальной на четверть периода. (В электротехнике реактивная мощность описывает нерассеиваемую часть энергии, колеблющуюся между источником и приемником в цепи синусоидального тока.)  [c.196]

Если в состав активного модуля входит умножитель частоты с коэффициентом умножения %, то фазовращатель, стоящий на входе модуля, работает на частоте, в X раз меньшей частоты излучаемого сигнала. Это облегчает реализацию фазовращателя в АР сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Кроме того, при значительной мощности, излучаемой каждым элементом рещетки, фазовращатели из-за ограниченной электрической прочности могут быть установлены только в цепи с пониженным уровнем высокочастотной мощности.  [c.19]

В заключение необходимо отметить, что посредством тиристорных выключателей переменного тока можно не только осуществлять коммутацию (режим включено — отключено ), но и регулировать мощность в нагрузке. Это, во-первых, возможно за счет фазового управления тиристорами — изменением угла запаздывания отпирания регулируется величина действующего значения напряжения (рис. 1-14,а). Во-вторых, в случае инерционных нагрузок (электрические печи [Л. 17], электроприводы с большим моментом инерции), активная мощность может регулироваться путем периодического включения и отключения цепи с изменением времени паузы (щи-ротпое регулирование, рис. 1-14,6).  [c.21]


Мощность трехфазной электрической цепи – FREEWRITERS

Трехфазная электрическая цепь является совокупностью трех однофазных, поэтому активная и реактивная мощности трехфазной цепи равняются сумме соответствующих мощностей отдельных фаз.  

Для схемы соединения фаз потребителя “звездой” активная мощность трехфазной электрической цепи ; для схемы соединения “треугольником” . Активная мощность фазы потребителя

Реактивная мощность для схемы “звезда”: , для “треугольника”: . 

Реактивная мощность фазы

Полная мощность трехфазной цепи

Комплексная форма мощности схемы “звезда”

,

для схемы “треугольник”

.

У симметричного потребителя мощности всех фаз одинаковы. Тогда

Мощность симметричного потребителя определяется также через линейные напряжения и токи. При соединении “звезда” , поэтому

При соединении “треугольник” ; мощности – совпадают с формулой

 

Таким образом, для симметричного потребителя формулы мощности не зависят от схемы соединения потребителя. В трехфазной симметричной системе сумма мгновенных значений мощностей – величина постоянная и равняется активной мощности трехфазной цепи:

Мощность симметричной или несимметричной трехпроводной системы может измеряться всего двумя ваттметрами. Действительно, поскольку , то 

Один ваттметр включают под ток ia и напряжение uac, второй – под ток ib и напряжение ubc (рис. 1).

Рис. 1.

Для измерения активной мощности в четырехпроводной несимметричной системе необходимо три ваттметра – по одному в каждой фазе.

Реактивную мощность Q трехфазной симметричной электрической цепи измеряют одним ваттметром, предназначенным для измерения активной мощности, если его включить так, как показано на рис. 2, а. 

Рис. 2.

Действительно, из векторной диаграммы, (рис. 2, б) и схемы включения (а) следует, что ваттметр показывает:

Чтобы найти реактивную мощность всей симметричной цепи, достаточно показания ваттметра умножить на .

В автономной энергосистеме (рис. 3) механическая энергия привода мощностью 30 кВт преобразуется в трехфазном генераторе в электрическую – мощностью 26,4 кВт (КПД генератора 0,88).

Рис. 3.

По трехпроводной линии эта энергия поступает к потребителю для освещения и на приводы трехфазных двигателей. Чтобы повысить (до 0,9) коэффициент мощности  нагрузки (двигатели имеют  0,5 и 0,85), параллельно потребителю включена батарея конденсаторов ( по 160 мкФ в каждой фазе). Наличие двух уровней напряжений в зависимости от включения потребителя дает возможность включать без трансформатора потребители с разными номинальными напряжениями: к трехпроводной линии с напряжением UЛ = 220 В по схеме “звезда” подключим двигатель с номинальными напряжениями (220/380) В. Осветительная нагрузка равномерно распределяется между фазами А, В, С и включена по схеме “треугольник” на номинальное напряжение 220 В. Три батареи конденсаторов включены по схеме “треугольник”, что дает возможность, в сравнении со схемой “звезда”, при той же самой реактивной мощности конденсаторов QC втрое уменьшить емкость. Из выражений

получается, что .

Для определения емкостей рассчитывается:

активная мощность

реактивная мощность

и полная мощность  всех потребителей без батарей емкостей.  

Угол  до компенсации:

Для желаемого угла  по формуле определяется емкость для каждой батареи:

В автономной трехфазной системе выполняется условие баланса трех мощностей: активной, реактивной и полной.

Для системы (рис.3) Рист = 26,4 кВт равняется суммарной активной мощности потребителя.

Мощности в цепях переменного тока


Мощности в цепях переменного тока

Категория:

Сварка металлов



Мощности в цепях переменного тока

В электрических цепях переменного тока с реактивными сопротивлениями различают три вида мощности: полную, активную и реактивную. Полная мощность электроустановки переменного тока состоит из мощности, расходуемой в активном сопротивлении и реактивной части мощности (геометрическая сумма).

Размеры электроустановок переменного тока (генераторы, трансформаторы, электродвигатели) определяются полной мощностью, на которую они рассчитаны. Это связано с тем, что толщина изоляции этих устройств рассчитывается на определенное номинальное напряжение, а сечение проводов обмоток их — на определенный номинальный ток. Номинальными величинами отдельно ограничиваются напряжение и ток, причем эти ограничения не зависят от сдвига по фазе между напряжением и током.

Единицами полной мощности служат вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВА). На табличках генераторов и трансформаторов указывается полная мощность. На табличках электродвигателей указывается активная (полезная) мощность, которую они могут развить. Полную мощность электродвигателя, которую он потребляет от электрической сети, можно определить расчетным способом, Полная мощность цепи переменного тока определяется произведением напряжения на ток.

Рис. 1. Емкость в цепи переменного гока

Реактивная часть полной мощности обусловлена колебаниями энергии при возникновении и исчезновении магнитных и электрических полей. В электрической цепи переменного тока с реактивными сопротивлениями происходит «перекачивание» энергии от источника к реактивным сопротивлениям и обратно. Реактивные токи, протекающие между источником (генератором) и реактивными приемниками, бесполезно загружают генератор, трансформаторные подстанции, линии передачи и этим вызывают дополнительные потери энергии.

Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных и киловольт-амперах реактивных.


Реклама:

Читать далее:
Коэффициент мощности

Статьи по теме:

Основы проектирования источников питания: Активная коррекция коэффициента мощности

Вот заключение нашей серии «Основы проектирования источников питания»! Сначала мы представили концепцию коэффициента мощности, а затем обсудили коррекцию коэффициента мощности (PFC) и способы реализации пассивной коррекции коэффициента мощности. Здесь мы углубимся в активную PFC и в то, когда вы захотите ее использовать.

Для любой конструкции источника питания мощностью более 100 Вт предпочтительным типом PFC является активная коррекция коэффициента мощности (Active PFC), поскольку она обеспечивает более легкий и эффективный контроль коэффициента мощности. Активная коррекция коэффициента мощности состоит из импульсного регулятора, работающего на высокой частоте коммутации и способного генерировать теоретический коэффициент мощности более 95%. Активная коррекция коэффициента мощности автоматически корректирует входное напряжение переменного тока и может работать в широком диапазоне входного напряжения. Одним из недостатков Active PFC являются дополнительные затраты, связанные с дополнительной сложностью, необходимой для его реализации.

Цепь активной коррекции мощности

На приведенной ниже схеме показаны основные элементы активной цепи коррекции коэффициента мощности.Цепь управления измеряет как входное напряжение (контакт 2 на контроллере), так и ток (RS и контакты 3 и 11 на контроллере) и регулирует время переключения и рабочий цикл, чтобы обеспечить синфазное напряжение и ток нагрузки на Вход.

Базовая схема активной коррекции коэффициента мощности

Показанная выше активная коррекция коэффициента мощности представляет собой повышающий регулятор, поэтому напряжение, возникающее на нагрузке (R1), должно быть больше, чем максимальное значение пикового напряжения, появляющегося на входе. .Обычно напряжение постоянного тока устанавливается на 10–20 В выше, чем ожидаемое максимальное пиковое входное напряжение. При проектировании источника питания с универсальным входом (87–266 В (среднеквадратичное значение) при частоте 47–63 Гц) выходное напряжение постоянного тока от ККМ на входе в преобразователь постоянного тока будет установлено на уровне от 386 В до 396 В.

Используя активную схему коррекции коэффициента мощности, можно обеспечить любое входное напряжение 87 266 В (среднеквадратичное значение) и относительно легко достичь коэффициента мощности 0,98.

Повышающий регулятор PFC 

Ниже представлена ​​базовая блок-схема повышающего регулятора PFC.В отличие от стандартного входа источника питания, здесь нет удерживающего конденсатора непосредственно через мостовой выпрямитель, поэтому нет больших пусковых токов или переходных токов, когда входное напряжение превышает напряжение на конденсаторе. PFC работает, индуцируя ток в катушке индуктивности (L1, см. рис. 1 выше) и заставляя ток отслеживать входное напряжение.

Блок-схема PFC

Схема управления измеряет как входное напряжение, так и ток, протекающий по цепи. Управляя временем включения переключателя (Q1), который подключает L1 к выходу выпрямителя, ток в катушке увеличивается по мере увеличения входного напряжения.Переключатель периодически выключается, и напряжение на конце стока увеличивается до тех пор, пока ток в катушке индуктивности не достигнет уровня заряда. Обычно этот уровень устанавливается на несколько вольт выше пикового выходного напряжения мостового выпрямителя. Выходное напряжение повышающего регулятора должно быть выше, чем входное напряжение, чтобы регулятор работал правильно.

Также измеряется выходное постоянное напряжение повышающего стабилизатора, и цикл заряда-разряда катушки индуктивности регулируется для поддержания постоянного выходного напряжения.Существует требование, чтобы скорость переключения повышающего преобразователя была намного выше, чем частота сети, обычно эти преобразователи переключаются со скоростью от 20 кГц до 100 кГц. Более высокая частота позволяет использовать небольшую катушку индуктивности. Для сравнения, индуктор в описанном ранее пассивном PFC должен быть в диапазоне 150 мГн – 300 мГн, тогда как индуктор, необходимый в активном PFC, составляет порядка 10 мкГн – 30 мкГн. Разница составляет целых четыре порядка. Это позволяет использовать физически небольшие и легкие детали с малыми потерями.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества активной коррекции коэффициента мощности:

  • Коэффициент мощности ≥ 0,95
  • Постоянная Промежуточное напряжение для привода преобразователя постоянного тока упрощает требования и упрощает работу преобразователя постоянного тока.
  • Небольшие легкие индуктивные компоненты.
  • Широкий диапазон входных напряжений, может работать с 87–266 В 47–63 Гц без переключения
  • Большая гибкость и контроль

Основные недостатки Active PFC:

  • Более высокая общая стоимость и сложность
  • для предотвращения попадания высокочастотного хеша в линию
  • Компоненты с более высоким напряжением, чем требуется для пассивного PFC

 

Активная коррекция коэффициента мощности

Активная коррекция коэффициента мощности (PFC) относится к методу увеличения коэффициента мощности (PF) за счет использования активных электронных схем с обратной связью, которые контролируют форму потребляемого тока. Есть много коммерческих контроллеров PFC, которые могут выполнить эту задачу. Давайте сначала быстро рассмотрим, почему нам все равно нужно это делать. В обычных источниках питания AC-DC без PFC большой фильтрующий конденсатор «Co» размещается непосредственно после мостового выпрямителя (см. схему ниже). При этом в линейном БП выпрямитель подключается через низкочастотный трансформатор, а в автономном импульсном БП он питается от входа переменного тока. В обоих случаях, как только «Со» заряжается почти до пика выпрямленного напряжения, большую часть времени диоды будут смещены в обратном направлении и не будут проводить ток.Поэтому такой БП будет потреблять мощность из сети короткими импульсами только тогда, когда мгновенное входное напряжение превысит напряжение на конденсаторе. Это создает гармоники, уровень которых может превышать применимый стандарт (например, EN61000-3-2) и негативно влиять на других пользователей.

Чтобы потреблять непрерывный синусоидальный ток на протяжении всего цикла переменного тока, мы можем поставить индуктивность перед “Co”. В пассивном PFC индуктор большой и неуправляемый. Обычно он корректирует PF до 0,7-0,85. На практике пассивный метод используется только в небольших БП (обычно до 100 Вт), когда не требуется высокий коэффициент мощности и не требуется регулирование звена постоянного тока.

В большинстве других приложений используется активный метод. Это концептуальная схема активного повышающего преобразователя PFC. Катушка индуктивности «L» здесь управляется твердотельным переключателем (обозначается «Q»). Этот переключатель включается и выключается схемой управления на частоте «F», намного превышающей частоту сети. Давайте рассмотрим, как работает эта схема. За время включения «t на » ток в дросселе увеличивается на ΔI + =Vin×t на /L . Когда переключатель размыкается, напряжение на «L» меняется на противоположное, и он высвобождает всю или часть накопленной энергии через диод «D».В течение времени выключения «t выкл » ток дросселя уменьшается на ΔI = (Vo-Vin)×t выкл /L . Чистое изменение за один период «T» равно ΔI=ΔI + -ΔI =(Vin-Vo+D×Vo)/LF , где D=тонна/T- рабочий цикл, F=1/ Т. Мы видим, что, изменяя рабочий цикл «D», мы можем изменять ΔI. Если мы сделаем это правильно, мы сможем синтезировать желаемую форму I(t).

Вот упрощенная блок-схема управления PFC. Конечно, имеющиеся в продаже контроллеры PFC содержат намного больше функциональных блоков, но нашего примера достаточно, чтобы проиллюстрировать основы работы.Вы можете увидеть пример полной схемы PFC здесь. Изображенная схема содержит два усилителя ошибки — медленный для напряжения (Vea) и быстрый для тока (Iea). Реплика выпрямленного входного сигнала «Vin» подается на умножитель, который вырабатывает сигнал программирования Iref для Iea. Последний контролирует ток через измерительный резистор Rs и сравнивает его с Iref. Изменяя управляющий сигнал на широтно-импульсный модулятор (ШИМ), Iea заставляет среднее значение тока следовать форме сетевого напряжения. Vea контролирует Vo через делитель и сравнивает его с эталонным Vref. Сигнал ошибки от Vea масштабирует выходной множитель вверх или вниз без изменения его синусоидальной формы. В результате эта схема может одновременно выполнять две задачи: создавать синусоидальный ток и регулировать напряжение на шине Vo. Описанный метод позволяет разработчикам достичь коэффициента мощности до 0,99. Обратите внимание, что описанный метод коррекции коэффициента мощности учитывает только гармоник сетевой частоты . Вам по-прежнему нужен фильтр электромагнитных помех для уменьшения высокочастотных составляющих, возникающих при работе силовых преобразователей в режиме переключения.Однако этот фильтр может вызвать некоторые негативные последствия. В частности, его катушки индуктивности с дифференциальным режимом и конденсаторы, подключенные к линии, могут вносить определенный угол смещения между «Vin» и «I», который не корректируется нижестоящей схемой PFC. Этот эффект может быть неважным, если вы должны соблюдать только EN61000-3-2, но может быть проблемой, если в вашем приложении вам также необходимо соблюдать определенный минимальный предел PF.

ССЫЛКИ:
Практическое руководство по проектированию источников питания.
Руководство по коррекции коэффициента мощности.

Треугольник мощности и коэффициента мощности | Глава 3. Питание в системах переменного тока

В чисто резистивной цепи переменного тока мощность — это просто мощность. Если мы добавим в цепь индуктивность или емкость, ситуация станет совсем другой. Как вы теперь знаете, емкость и индуктивность влияют на соотношение фаз между напряжением и током, и нам необходимо понять некоторые специальные методы, прежде чем мы сможем анализировать мощность, когда напряжение и ток не совпадают по фазе.

 

Активная и реактивная мощность

Мощность – это произведение напряжения на ток. Это определение не требует дополнительных объяснений, когда мы работаем с резистивной цепью переменного тока: ток и напряжение идеально синхронизированы по фазе, и, следовательно, мы всегда будем умножать два положительных числа или два отрицательных числа.

 

Рисунок 1. В этом случае расчет мощности всегда будет положительным числом, поскольку выравнивание фаз гарантирует, что мы умножим положительное напряжение на положительный ток или отрицательное напряжение на отрицательный ток.

 

Однако даже небольшая разность фаз между током и напряжением создаст две части цикла переменного тока, в которых одна из величин будет положительной, а другая отрицательной. Расчетная мощность на этом участке сигнала будет отрицательным числом.

 

Рис. 2. Рассогласование фаз между током и напряжением приводит к отрицательному значению мощности от 0° до приблизительно 30° и от 180° до приблизительно 210°.

 

Теперь мы делаем нужны дополнительные пояснения. Что такое отрицательная сила? Может ли компонент выделять отрицательное количество энергии в окружающую среду? Поначалу отрицательная сила может немного сбивать с толку. Отрицательное значение мощности указывает на то, что мощность не выполняет работу. Чтобы быть более конкретным, части цикла переменного тока с отрицательной мощностью указывают, что мощность подается в систему, но не передает энергию в систему; скорее, энергия возвращается к источнику.

Этот вид электроэнергии называется реактивной мощностью . Это название будет легко запомнить, если вы уже знаете, что катушки индуктивности и конденсаторы, создающие фазовый сдвиг, который, в свою очередь, приводит к реактивной мощности, считаются реактивными компонентами . Реактивная мощность не передает энергию от источника к нагрузке, но и не «тратится впустую», так как без нее реактивные нагрузки не могут функционировать.

Мощность, которая работает где-то в цепи нагрузки, называется активной мощностью (также используются реальная мощность и истинная мощность).Активная мощность активна на нагрузке, т. е. реально что-то делает, например, нагревает паяльник или освещает лабораторию. Реактивная мощность отличается от активной мощности использованием другой единицы измерения. Вольт-ампер реактивный (вар) — это единица измерения реактивной мощности, а для активной мощности используется уже известная нам единица измерения, а именно ватты.

 

Понимание треугольника власти

Активная мощность обозначается буквой P, а реактивная мощность обозначается буквой Q.Введем три дополнительные величины, которые участвуют в анализе потребляемой мощности в реактивных цепях:

  • Комплексная мощность , обозначаемая S, представляет собой векторную сумму реальной мощности и реактивной мощности.
  • Полная мощность , обозначаемая |S|, является величиной комплексной мощности. Он использует единицу измерения вольт-ампер (ВА), а не ватты.
  • Коэффициент мощности , сокращенно PF, будет рассмотрен в ближайшее время.

Следующая диаграмма называется треугольником мощности.

 

Рис. 3. Треугольник мощности обеспечивает визуальное (и математическое) представление активной, реактивной и полной мощности системы.

 

Полная мощность

Если вы измерите среднеквадратичное значение напряжения и среднеквадратичного значения тока нагрузки, а затем умножите эти два значения, результатом будет полная мощность. Вот почему он называется «кажущимся»: он соответствует рассеиваемой мощности, которую мы ожидаем от и , основываясь только на среднеквадратичных значениях напряжения и тока.Однако теперь мы знаем, что кажущаяся мощность может быть выше, чем реальная рассеиваемая мощность, потому что разность фаз между напряжением и током создает реактивную мощность, которая вносит свой вклад в кажущуюся мощность.

Рассмотрим, однако, что происходит в чисто резистивной цепи. Реактивная мощность отсутствует; следовательно, угол между активной мощностью и комплексной мощностью будет равен нулю. Так что в этом случае кажущаяся мощность (т. е. длина комплексного вектора мощности) будет равна активной мощности.

Полная мощность также может быть описана как количество энергии, подаваемой в систему источником.Опять же, это не то же самое, что фактическое рассеивание мощности, потому что часть отдаваемой мощности возвращается к источнику, а не рассеивается на нагрузке.

 

Коэффициент мощности

Отношение активной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности. Другими словами, коэффициент мощности — это мощность, используемая устройством с пользой, P, деленная на то, что передается этому устройству через энергосистему, |S|. Коэффициент мощности также можно рассчитать как косинус угла сопротивления нагрузки (т.е., угол между активной мощностью и комплексной мощностью, обозначенный θ на рисунке 3).

В чисто резистивной цепи реактивная мощность отсутствует, следовательно, активная мощность равна полной мощности, а коэффициент мощности равен единице. Треугольник власти превратился в линию. В общем, мы хотим, чтобы коэффициент мощности был как можно ближе к единице, потому что это указывает на то, что электрическая энергия сети используется более эффективно.

Предположим, что сети требуется питание для двигателя мощностью 240 Вт.Если этот двигатель (вместе с его схемой управления) рассчитан на коэффициент мощности, равный единице, он будет потреблять 2 А тока из сети. Если коэффициент мощности меньше единицы, ток будет потребляться более 2 А, но реальная рассеиваемая мощность по-прежнему будет составлять 240 Вт. Таким образом, энергосистема должна подавать дополнительный ток для выполнения того же объема работы, это приводит к увеличению резистивных потерь мощности в распределительных проводах и увеличению стоимости оборудования.

И конденсаторы, и катушки индуктивности создают разность фаз, которая приводит к реактивной мощности, но их конкретное влияние на фазу прямо противоположно и может уравновешивать друг друга. Коррекция коэффициента мощности относится к процессу улучшения коэффициента мощности путем преднамеренного добавления реактивного сопротивления (например, конденсатора) в цепь таким образом, чтобы смягчить влияние других реактивных сопротивлений (например, индуктивности катушки двигателя). Вы часто будете видеть батареи очень больших конденсаторов на промышленных объектах. Их целью является противодействие влиянию катушек индуктивности и, таким образом, улучшение коэффициента мощности.

 

Треугольник импеданса

Раз уж мы затронули тему коэффициента мощности, давайте кратко обсудим еще один тип треугольника, полезный при анализе мощности переменного тока.Треугольник импеданса передает характеристики импеданса цепи; горизонтальная и вертикальная стороны соответствуют сопротивлению и реактивному сопротивлению соответственно, а гипотенуза – комплексному импедансу.

 

Рис. 4. Треугольник импеданса. Вы также можете думать об этом как о графическом представлении, использующем комплексную плоскость. Общий импеданс представляет собой вектор, который состоит из действительной части (по горизонтальной оси) и мнимой части (по вертикальной оси).

 

Угол между сопротивлением и импедансом такой же, как угол между активной мощностью и комплексной мощностью в треугольнике мощностей. Это дает нам еще один способ расчета коэффициента мощности:

.

 

 

Далее: Пассивные компоненты в цепях переменного тока

Мы рассмотрели некоторые важные темы, связанные с рассеянием мощности переменного тока, и представили треугольник мощности, который является полезным инструментом, который может помочь вам анализировать цепи переменного тока, содержащие реактивные компоненты.На следующей странице мы продолжим изучение пассивных компонентов в контексте анализа цепей переменного тока.

Электроэнергия Одно- и трехфазная мощность Активная реактивная полная

Комплексная мощность

Это очень концептуально и важно для понимания. Чтобы установить выражение комплексной мощности , мы должны сначала рассмотреть однофазную сеть, напряжение и ток которой могут быть представлены в комплексной форме как V.e и I.e .Где α и β представляют собой углы, на которые вектор напряжения и вектор тока опираются относительно некоторой базовой оси соответственно. Активную мощность и реактивную мощность можно рассчитать, найдя произведение напряжения на сопряженное с током. Это означает, что

Это (α − β) не что иное, как угол между напряжением и током, следовательно, это разность фаз между напряжением. и ток, который обычно обозначается как φ.
Таким образом, приведенное выше уравнение может быть переписано как

Где P = VIcosφ и Q = VIsinφ.
Эта величина S называется комплексной степенью .
Величина комплексной мощности, т.е. |S| = (P 2 + Q 2 ) ½ известно как кажущаяся мощность и ее единицей измерения является вольт-ампер. Эта величина является произведением абсолютного значения напряжения и тока. Опять же, абсолютное значение тока напрямую связано с эффектом нагрева в соответствии с законом нагревания Джоуля. Следовательно, мощность электрической машины обычно определяется ее кажущейся несущей способностью в пределах допустимого температурного предела.
Отмечено, что в уравнении комплексной мощности член Q [ = VIsinφ ] положителен, когда φ [= (α − β)] положителен, то есть ток отстает от напряжения, что означает, что нагрузка имеет индуктивный характер . Снова Q отрицательно, когда φ отрицательно; то есть ток опережает напряжение, значит нагрузка емкостная.

Однофазное питание

Однофазная система электропередачи практически недоступна, но тем не менее мы должны знать основную концепцию однофазного питания , прежде чем переходить к современной трехфазной системе электроснабжения.Прежде чем перейти к подробностям об однофазном питании, давайте попробуем разобраться в различных параметрах системы электроснабжения. Тремя основными параметрами электроэнергетической системы являются электрическое сопротивление, индуктивность и емкость.

Сопротивление

Сопротивление является неотъемлемым свойством любого материала, благодаря которому он сопротивляется протеканию тока, препятствуя движению через него электронов из-за столкновения с неподвижными атомами. Тепло, выделяемое в результате этого процесса, рассеивается и называется омическими потерями мощности.Пока ток протекает через резистор, между напряжением и током не будет разности фаз, что означает, что ток и напряжение находятся в одной фазе; фазовый угол между ними равен нулю. Если ток I протекает через электрическое сопротивление R в течение t секунд, то полная энергия, потребляемая резистором, равна I 2 .R.t. Эта энергия известна как активная энергия , а соответствующая мощность известна как активная мощность .

Индуктивность

Индуктивность – это свойство, благодаря которому индуктор накапливает энергию в магнитном поле во время положительного полупериода и отдает эту энергию во время отрицательного полупериода однофазного источника питания. Если ток I протекает через катушку индуктивности L Генри, энергия, накопленная в катушке в виде магнитного поля, равна

. Мощность, связанная с индуктивностью, равна реактивной мощности .

Емкость

Емкостью называется свойство, благодаря которому конденсатор запасает энергию в статическом электрическом поле в течение положительного полупериода и отдает в течение отрицательного полупериода питания. Энергия, хранящаяся между двумя параллельными металлическими пластинами с разностью электрических потенциалов V и емкостью между ними C, выражается как

. Эта энергия запасается в виде статического электрического поля.Мощность, связанная с конденсатором, также равна реактивной мощности .

Активная мощность и реактивная мощность

Рассмотрим однофазную силовую цепь, в которой ток отстает от напряжения на угол φ.
Пусть мгновенная разность электрических потенциалов v = V м . sinωt
Тогда мгновенный ток может быть выражен как i = I м . sin(ωt – φ).
Где, V м и I м – максимальные значения синусоидально изменяющейся разности электрических потенциалов и тока соответственно.
Мгновенная мощность цепи определяется как

Активная мощность

Резистивная мощность

Сначала рассмотрим условие, при котором однофазная силовая цепь имеет полностью резистивный характер, что означает фазовый угол между напряжением и током, т.е. φ = 0 и, следовательно,


Из приведенного выше уравнения видно, что каким бы ни было значение ωt, значение cos2ωt не может быть больше 1; следовательно, значение p не может быть отрицательным. Значение p всегда положительно независимо от мгновенного направления напряжения v и тока i, что означает, что энергия течет в своем обычном направлении, т.е.е. от источника к нагрузке, а p — скорость потребления энергии нагрузкой, и это называется активной мощностью . Поскольку эта мощность потребляется из-за резистивного эффекта электрической цепи, поэтому иногда ее также называют Резистивная мощность .

Реактивная мощность

Индуктивная мощность

Теперь рассмотрим ситуацию, когда однофазная силовая цепь полностью индуктивная, то есть ток отстает от напряжения на угол φ = + 90 o . Положив φ = + 90 o


В приведенном выше выражении видно, что мощность течет в альтернативных направлениях.От 0 o до 90 o он будет иметь отрицательный полупериод, от 90 o до 180 o он будет иметь положительный полупериод, от 180 o до 270 o он снова будет иметь отрицательный полупериод. цикл и от 270 o до 360 o он снова будет иметь положительный полупериод. Поэтому эта мощность носит переменный характер с частотой, удвоенной частоты питания. Поскольку мощность течет в переменном направлении, то есть от источника к нагрузке в одном полупериоде и от нагрузки к источнику в следующем полупериоде, среднее значение этой мощности равно нулю. Следовательно, эта сила не совершает никакой полезной работы. Эта мощность известна как реактивная мощность . Поскольку объясненное выше выражение реактивной мощности относится к полностью индуктивной цепи, эта мощность также называется индуктивной мощностью .

Из этого можно сделать вывод, что если цепь является чисто индуктивной, энергия будет храниться в виде энергии магнитного поля в течение положительного полупериода и отдаваться в течение отрицательного полупериода, а также скорость изменения этой энергии, выраженная как реактивная мощность индуктора или просто индуктивная мощность , и эта мощность будет иметь одинаковый положительный и отрицательный цикл, а чистое значение будет равно нулю.

Емкостная мощность

Предположим теперь, что однофазная цепь питания является полностью емкостной, то есть ток опережает напряжение на 90 o , поэтому φ = – 90 o .


Следовательно, в выражении емкостной мощности также обнаруживается, что мощность течет в альтернативных направлениях. От 0 o до 90 o у него будет положительный полупериод, от 90 o до 180 o у него будет отрицательный полупериод, от 180 o до 270 o у него будет отрицательный полупериод цикл и от 270 o до 360 o он снова будет иметь отрицательный полупериод.Так что эта мощность тоже носит альтернативный характер с частотой, удвоенной частоты питания. Следовательно, как и индуктивная мощность, емкостная мощность не совершает никакой полезной работы. Эта мощность также является реактивной мощностью.

Активная и реактивная составляющие мощности

Уравнение мощности можно переписать как

В приведенном выше выражении есть две согласные; первый V м . I m .cosφ(1 – cos2ωt), который никогда не становится отрицательным, так как значение (1 – cos2ωt) всегда больше или равно нулю, но не может иметь отрицательного значения.

Эта часть уравнения однофазной мощности представляет собой выражение реактивной мощности, которая также известна как активная мощность или истинная мощность. Среднее значение этой мощности, очевидно, будет иметь какое-то ненулевое значение, значит, мощность физически выполняет некоторую полезную работу, и поэтому эту мощность также называют реальной мощностью или иногда ее называют истинной мощностью. Эта часть уравнения мощности представляет собой реактивную мощность, которая также известна как активная мощность или истинная мощность.
Второй член V m .I m .sinφsin2ωt, который будет иметь отрицательные и положительные циклы. Следовательно, среднее значение этого компонента равно нулю. Этот компонент известен как реактивный компонент, поскольку он перемещается взад и вперед по линии, не выполняя никакой полезной работы.
Как активная мощность , так и реактивная мощность имеют одинаковые размеры в ваттах, но чтобы подчеркнуть тот факт, что реактивная составляющая представляет собой неактивную мощность, она измеряется в реактивных вольт-амперах или, короче, вар.
Однофазная мощность относится к системе распределения, в которой; все напряжения изменяются в унисон. Его можно создать, просто вращая движущуюся катушку в магнитном поле или перемещая поле вокруг неподвижной катушки. Переменное напряжение и переменный ток, полученные таким образом, называются однофазными напряжением и током. Различные типы цепей по-разному реагируют на подачу синусоидального сигнала. Мы рассмотрим все типы цепей один за другим, которые включают только электрическое сопротивление, только емкость и только катушку индуктивности, а также комбинацию этих трех, и попытаемся установить уравнение однофазной мощности .

Уравнение однофазной мощности для чисто резистивной цепи

Давайте рассмотрим расчет однофазной мощности для чисто резистивной цепи. Цепь, состоящая из чистого омического сопротивления, находящегося на источнике напряжения напряжением V, показана ниже на рисунке.

Где, V(t) = мгновенное напряжение.
В м = максимальное значение напряжения.
ω = угловая скорость в радианах/секундах.

Согласно закону Ома ,

Подставляя значение V(t) в приведенное выше уравнение, получаем,

Из уравнений (1.1) и (1.5) видно, что V(t) и I R находятся в фазе. Таким образом, в случае чистого омического сопротивления разности фаз между напряжением и током нет, т. е. они совпадают по фазе, как показано на рисунке (b).

Мгновенная мощность,

Из уравнения для однофазной мощности (1.8) видно, что мощность состоит из двух составляющих: одна постоянная часть, т.е.

, а другая – флуктуирующая часть, т.е. Таким образом, мощность через чисто омический резистор дается так, как показано на рис. (c).

Уравнение однофазной мощности для чисто индуктивной цепи

Катушка индуктивности является пассивным компонентом. Всякий раз, когда переменный ток проходит через индуктор, он препятствует протеканию через него тока, создавая обратную ЭДС. Таким образом, приложенное напряжение, а не падение на нем, должно уравновешивать создаваемую противо-ЭДС. Цепь, состоящая из чистого индуктора на источнике синусоидального напряжения В rms , показана на рисунке ниже.

Мы знаем, что напряжение на катушке индуктивности задается как

Таким образом, из вышеприведенного уравнения для однофазной мощности видно, что I отстает от V на π/2 или, другими словами, V опережает I на π/2 , когда переменный ток проходит через индуктор я.е. I и V не совпадают по фазе, как показано на рис. (e).

Мгновенная мощность определяется как

Здесь формула однофазной мощности состоит только из флуктуирующего члена, а значение мощности для полного цикла равно нулю.

Уравнение однофазной мощности для чисто емкостной цепи

Когда переменный ток проходит через конденсатор, он сначала заряжается до максимального значения, а затем разряжается. Напряжение на конденсаторе задается как


Таким образом, из приведенного выше расчета однофазной мощности I(t) и V(t) видно, что в случае тока конденсатора напряжение опережает угол π/2.


Мощность через конденсатор состоит только из флуктуирующего члена, а значение мощности для полного цикла равно нулю.

Уравнение однофазной мощности для цепи RL

Чисто омический резистор и катушка индуктивности соединены последовательно, как показано на рис. (g) ниже, через источник напряжения V. Тогда падение на R будет равно V R = IR и на L будет V L = IX L .


Эти падения напряжения показаны в виде треугольника напряжения, как показано на рис. (i).Вектор OA представляет падение на R = IR, вектор AD представляет падение на L = IX L , а вектор OD представляет собой результат V R и V L .

— полное сопротивление цепи RL.
Из векторной диаграммы видно, что V опережает I, а фазовый угол φ определяется формулой I m cos(ωt – φ) это значение равно нулю для всего цикла.
Таким образом, это единственная постоянная часть, влияющая на фактическое энергопотребление.
Таким образом, мощность p = VI cos Φ = (действующее значение напряжения × среднеквадратичное значение тока × cosφ) Вт
Где cosφ называется коэффициентом мощности и определяется как Только Icosφ вносит свой вклад в реальную мощность. Таким образом, только VIcosφ называется полной составляющей или активной составляющей, а VIsinφ называется безваттной составляющей или реактивной составляющей.

Уравнение однофазной мощности для RC-цепи

Мы знаем, что ток в чистой емкости, напряжении выводов и чистом омическом сопротивлении находится в фазе.Таким образом, чистый ток опережает напряжение на угол φ в RC-цепи. Если V = V м sinωt и I будет I м sin(ωt + φ).

Мощность такая же, как и в случае цепи R-L. В отличие от цепи R-L коэффициент мощности в цепи R-C является ведущим.

Трехфазное питание Определение

Установлено, что производство трехфазного питания более экономично, чем производство однофазного питания. В трехфазной системе электроснабжения три формы волны напряжения и тока смещены во времени на 120 90 247 o 90 248 в каждом цикле мощности.Это значит; каждая форма волны напряжения имеет разность фаз 120 o по отношению к другой форме волны напряжения, а каждая форма волны тока имеет разность фаз 120 o по отношению к другой форме волны тока. Определение трехфазной мощности гласит, что в электрической системе три отдельные однофазные мощности осуществляются тремя отдельными силовыми цепями. Напряжения этих трех мощностей в идеале отстоят друг от друга на 120 90 247 o 90 248 во временной фазе. Точно так же токи этих трех степеней также в идеале отделены друг от друга на 120 90 247 o 90 248.Идеальная трехфазная система питания подразумевает сбалансированную систему.

Трехфазная система считается несбалансированной, если хотя бы одно из трех фазных напряжений не равно другому или фазовый угол между этими фазами не равен точно 120 o .

Преимущества трехфазной системы

Есть много причин, по которым эта мощность более предпочтительна, чем однофазная.

  1. Уравнение однофазной мощности:

    Это функция, зависящая от времени.В то время как уравнение трехфазной мощности равно

    , которое является независимой от времени постоянной функцией. Следовательно, однофазная мощность пульсирует. Обычно это не влияет на двигатель с низким номиналом, но на двигатель с большим номиналом вызывает чрезмерную вибрацию. Таким образом, трехфазное питание является более предпочтительным для силовой нагрузки высокого напряжения.
  2. Мощность трехфазной машины в 1,5 раза выше, чем у однофазной машины того же размера.
  3. Однофазный асинхронный двигатель не имеет пускового момента, поэтому мы должны предусмотреть некоторые вспомогательные средства запуска, но трехфазный асинхронный двигатель запускается самостоятельно и не требует никаких вспомогательных средств.
  4. Коэффициент мощности и КПД выше в случае трехфазной системы.

Уравнение трехфазной мощности

Для определения выражения уравнения трехфазной мощности , т.е. для расчета трехфазной мощности , мы должны сначала рассмотреть идеальную ситуацию, когда трехфазная система сбалансирована. Это означает, что напряжения и токи в каждой фазе отличаются от соседних фаз на 120 o , а также амплитуда каждой волны тока одинакова и аналогично амплитуда каждой волны напряжения одинакова.Теперь угловая разность между напряжением и током в каждой фазе трехфазной энергосистемы равна φ.

Тогда напряжение и ток красной фазы будут равны
соответственно.
Напряжение и ток фазы желтый будут –
соответственно.
А напряжение и ток синий фаза будет –
соответственно.
Следовательно, выражение мгновенной мощности в красной фазе равно –

Аналогично выражение мгновенной мощности в желтой фазе равно –

Аналогично выражение мгновенной мощности в синей фазе равно –

Полная трехфазная мощность системы представляет собой сумму индивидуальная мощность в каждой фазе-

Приведенное выше выражение для мощности показывает, что полная мгновенная мощность постоянна и равна трехкратной реальной мощности на фазу. В случае однофазного выражения мощности мы обнаружили, что есть как реактивная, так и активная составляющие мощности, но в случае трехфазного выражения мощности мгновенная мощность постоянна. На самом деле в трехфазной системе реактивная мощность в каждой отдельной фазе не равна нулю, а их сумма в любой момент времени равна нулю.

Реактивная мощность – это форма магнитной энергии, протекающей в единицу времени в электрической цепи. Его единицей измерения является ВАр (реактивный вольт-ампер). Эта мощность никогда не может быть использована в цепи переменного тока.Однако в электрической цепи постоянного тока она может быть преобразована в тепло, поскольку, когда заряженный конденсатор или катушка индуктивности подключены к резистору, энергия, запасенная в элементе, преобразуется в тепло. Наша энергосистема работает от сети переменного тока, и большинство нагрузок, используемых в нашей повседневной жизни, являются индуктивными или емкостными, поэтому реактивная мощность является очень важным понятием с электрической точки зрения.

Коэффициент электрической мощности любого оборудования определяет количество реактивной мощности , которое ему требуется.Это отношение реальной или истинной мощности к полной кажущейся мощности, необходимой электрическому прибору. Эти мощности можно определить как

Где θ — разность фаз между напряжением и током, а cosθ — коэффициент электрической мощности нагрузки.

Реактивная мощность всегда присутствует в цепи, где есть разность фаз между напряжением и током в этой цепи, например, все наши бытовые нагрузки являются индуктивными. Итак, между напряжением и током существует разность фаз, и ток отстает от напряжения на определенный угол во временной области.Индуктивная составляющая поглощает отстающую реактивную мощность, а емкостная составляющая поглощает лидирующую реактивную мощность, здесь отстающая реактивная мощность относится к магнитной энергии, а опережающая реактивная мощность относится к электростатической энергии.

В типичной цепи переменного тока, такой как RL-цепь (резистивная + индуктивная) или RC-цепь (резистивная + емкостная), реактивная мощность берется из источника в течение полупериода и возвращается в источник в течение следующего полупериода. Например, мощность, потребляемая нагрузкой RL, рассчитывается как:

В = V м sinωt , I = I м sin(ωt − θ)


Здесь Q 1 sin2ωt — это среднее значение реактивной мощности. равен нулю, это показывает, что реактивная мощность никогда не используется.

Использование реактивной мощности

В электрической машине для преобразования энергии требуется магнитный домен для преобразования ее формы. В электрическом двигателе требуемый магнитный домен создается реактивной мощностью, которую он получает от источника питания. Сегодня почти каждой электрической нагрузке для работы требуется реактивная мощность, несмотря на реальную мощность. Даже в электрическом трансформаторе, который является основной единицей энергосистемы, первичный входной ток отстает, поскольку для намагничивания его сердечника и передачи мощности за счет взаимной индукции требуется отстающая реактивная мощность.

Реактивная мощность в линиях передачи

В линии передачи электроэнергии поток реактивной мощности в линии определяет напряжение на приемном конце. Управление уровнем напряжения на приемном конце очень важно, так как более высокое напряжение может повредить оборудование потребителя и привести к большим потерям. Во многих случаях мы видим внезапное повышение или понижение напряжения из-за молнии или из-за какой-либо неисправности на здоровых фазах, и в любом случае происходит повреждение оборудования. Посмотрим, как напряжение зависит от реактивной мощности.
Реактивная мощность на принимающей стороне определяется выражением

Где θ – угол мощности, который поддерживается очень низким из соображений стабильности, X l – реактивное сопротивление линии передачи, V s – напряжение передающей стороны и V r – напряжение приемного конца.
Таким образом, Q r становится,

Теперь уравнение формируется как,

Решая, получаем,

Математически, выражение, данное для реактивной мощности
становятся нулевыми, когда Q r равны нулю, что невозможно.
Пусть Q 1 — реактивная мощность, потребляемая нагрузкой на принимающей стороне, а Q 2 — реактивная мощность, подаваемая с генерирующей или передающей стороны. Тогда Q r равно (Q 1 – Q 2 ).

Случай – 1
Когда подача Q 2 равна потребности Q 1 , тогда V s = V r , напряжение принимающего конца будет равно напряжению передающего конца, что желательно.

Корпус – 2
Когда спрос больше, а предложение меньше, Q r становится отрицательным.Таким образом, конечное напряжение на приеме становится меньше, чем на передающем конце.

Корпус – 3
Когда спрос меньше, предложение высокое, Q r становится положительным. Таким образом, напряжение на приемном конце становится больше, чем на передающем, что очень опасно.
Таким образом, мы увидели, как напряжение (и управление его уровнем), которое является основным требованием любой электрической нагрузки; зависит от реактивной мощности. В дневное время потребность в реактивной мощности возрастает, поэтому происходит провал напряжения.С другой стороны, в утреннее время потребность в реактивной мощности меньше, поэтому происходит повышение уровня напряжения. Для поддержания уровня напряжения нам нужно сделать Q 1 = Q 2 .

Компенсация реактивной мощности

Как уже упоминалось, следует контролировать избыток реактивной мощности, а также ее дефицит. Для этого производится компенсация с помощью различных устройств. Здесь реактор поглощает избыточную реактивную мощность, тогда как конденсатор обеспечивает компенсацию реактивной мощности в случаях высокого спроса.
Для нагрузок с низким коэффициентом мощности потребность в реактивной мощности очень высока. Следовательно, нам необходимо увеличить коэффициент мощности с помощью конденсаторной батареи. Это снижает потребность в реактивной мощности за счет подачи соответствующего количества реактивной мощности на нагрузку. Другие методы включают использование шунтирующего конденсатора, синхронных модификаторов фазы, трансформатора РПН и шунтирующего реактора. Синхронный двигатель с перевозбуждением используется параллельно с нагрузкой. Он служит конденсатором и также называется синхронным конденсатором.Шунтирующий реактор используется для снижения коэффициента мощности. В трансформаторах с переключением ответвлений под нагрузкой соотношение витков регулируется соответствующим образом для поддержания желаемого уровня напряжения, поскольку разница напряжений между передающей и принимающей сторонами определяет реактивную мощность.
Математически выражение, данное для реактивной мощности (Q), необходимой для увеличения коэффициента электрической мощности с cosθ 1 до cosθ 2 , имеет следующий вид:

Где P — реальная потребляемая мощность нагрузки (в ваттах) .
В случае, если коэффициент электрической мощности должен быть уменьшен с cosθ 2 до cosθ 1 , реактивная мощность, которая должна быть поглощена шунтирующим реактором на стороне нагрузки, определяется как

Значения емкости или индуктивности, таким образом требуемая мощность может быть рассчитана с помощью

11.

2: Истинная, реактивная и полная мощность

Реактивная мощность

Мы знаем, что реактивные нагрузки, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, рассеивают нулевую мощность, но тот факт, что они падают по напряжению и потребляют ток, создает обманчивое впечатление, что они действительно рассеивают мощность.Эта «фантомная мощность» называется реактивной мощностью и измеряется в единицах измерения Вольт-Ампер-Реактивная (ВАР), а не в ваттах. Математический символ реактивной мощности — (к сожалению) заглавная буква Q.

Истинная сила

Фактическое количество энергии, используемой или рассеиваемой в цепи, называется истинной мощностью и измеряется в ваттах (как всегда обозначается заглавной буквой P).

Полная мощность

Комбинация реактивной мощности и активной мощности называется полной мощностью и является произведением напряжения и тока в цепи без учета фазового угла.Полная мощность измеряется в единицах Вольт-Ампер (ВА) и обозначается заглавной буквой S.

Расчет реактивной, истинной или полной мощности

Как правило, истинная мощность является функцией рассеивающих элементов цепи, обычно сопротивлений (R). Реактивная мощность зависит от реактивного сопротивления цепи (X). Полная мощность является функцией полного сопротивления цепи (Z). Поскольку мы имеем дело со скалярными величинами для расчета мощности, любые сложные начальные величины, такие как напряжение, ток и импеданс, должны быть представлены их полярными величинами , а не реальными или мнимыми прямоугольными компонентами.Например, если я вычисляю истинную мощность по току и сопротивлению, я должен использовать для тока полярную величину, а не просто «реальную» или «мнимую» часть тока. Если я вычисляю полную мощность по напряжению и импедансу, обе эти ранее сложные величины должны быть приведены к их полярным величинам для скалярной арифметики.

Существует несколько уравнений мощности, связывающих три типа мощности с сопротивлением, реактивным сопротивлением и импедансом (все используют скалярные величины):

Обратите внимание, что для расчета истинной и реактивной мощности используется по два уравнения. Имеются три уравнения для расчета кажущейся мощности, P=IE годится только для этой цели . Изучите следующие схемы и посмотрите, как взаимодействуют эти три типа мощности: чисто резистивная нагрузка на рисунке ниже, чисто реактивная нагрузка на рисунке ниже и резистивная/реактивная нагрузка на рисунке ниже.

Только резистивная нагрузка

Истинная мощность, реактивная мощность и полная мощность для чисто резистивной нагрузки.

Только реактивная нагрузка

Истинная мощность, реактивная мощность и полная мощность для чисто реактивной нагрузки.

Резистивная/реактивная нагрузка

Истинная мощность, реактивная мощность и полная мощность для резистивной/реактивной нагрузки.

Треугольник силы

Эти три типа мощности — действительная, реактивная и полная — соотносятся друг с другом в тригонометрической форме. Мы называем это треугольником мощности : (рисунок ниже).


Треугольник мощности, связывающий кажущуюся мощность с активной и реактивной мощностью.

Используя законы тригонометрии, мы можем найти длину любой стороны (количество любой степени), зная длины двух других сторон или длину одной стороны и угол.

Обзор

  • Мощность, рассеиваемая нагрузкой, называется истинной мощностью . Истинная мощность обозначается буквой P и измеряется в ваттах (Вт).
  • Мощность, просто поглощаемая и возвращаемая в нагрузку из-за ее реактивных свойств, называется реактивной мощностью .Реактивная мощность обозначается буквой Q и измеряется в единицах вольт-ампер-реактивная (ВАр).
  • Общая мощность в цепи переменного тока, как рассеиваемая, так и поглощаемая/возвращаемая, называется полной мощностью . Полная мощность обозначается буквой S и измеряется в вольт-амперах (ВА).
  • Эти три вида власти тригонометрически связаны друг с другом. В прямоугольном треугольнике P = смежная длина, Q = противоположная длина и S = ​​длина гипотенузы.Противоположный угол равен фазовому углу импеданса цепи (Z).

Проектирование и анализ однофазной низкочастотной схемы коррекции активной мощности: подход с симметричной трапециевидной формой кривой тока 16 А на фазу). Стандарт МЭК IEC 1000-3-2, 3-е изд., часть 3, раздел 2

  • Гарсия О., Кобос Дж. А., Приети Р., Алоу П., Уседа Дж. (2003) Однофазная коррекция коэффициента мощности: обзор.IEEE Trans Power Electron 18:749–755

    Статья Google ученый

  • Roh YS, Moon YJ, Gong JC, Yoo C (2011) Схема активной коррекции коэффициента мощности (PFC) с обнаружением нулевого тока без резистора. IEEE Trans Power Electron 26:630–637

    Статья Google ученый

  • Караарслан А. (2013) Анализ метода среднего скользящего управления, примененного к преобразователю коррекции коэффициента мощности Шеппарда-Тейлора.Electr Eng 95:255–265

    Статья Google ученый

  • Шривастава А., Сингх Б. (2013) Электронный балласт на основе DCM с коррекцией коэффициента мощности. Electr Eng 95:403–411

    Статья Google ученый

  • Hua G, Lee FC (1995) Методы плавного переключения в ШИМ-преобразователях. IEEE Trans Industr Electron 42:595–603

    Статья Google ученый

  • Nishida Y, Oyama H (2011) Пассивный преобразователь PFC для энергосбережения — эффективная и дешевая топология диодного выпрямителя.В: Материалы международной конференции IEEE по силовой электронике и ECCE Asia 2011:1073–1076

  • Li Q, Andersen MAE, Tomsen OC (2011) Исследования по оптимизации конструкции повышающего индуктора с коррекцией коэффициента мощности — эффективность по сравнению с удельной мощностью. В: Труды международной конференции IEEE по силовой электронике и ECCE Asia 2011: 728–735

  • Григоре В. (2001) Топологические проблемы однофазной коррекции коэффициента мощности. Диссертация, Хельсинкский технологический университет

  • Прасад А.Р., Зиогас П.Д., Маниас С. (1990) Новый пассивный метод формирования волны для однофазных диодных выпрямителей.IEEE Trans Industr Electron 37:521–530

  • Jovanovic MM, Crow DE (1997) Достоинства и недостатки мостового выпрямителя с LC-фильтром в соответствии со спецификациями предела гармоник IEC 1000-3-2. IEEE Trans Ind Appl 33:551–557

    Статья Google ученый

  • Мэн Т., Ю С., Бен Х., Вей Г. (2014) Семейство многоуровневых пассивных ограничительных схем со связанным индуктором, подходящих для однофазного изолированного мостового повышающего преобразователя ККМ. IEEE Trans Power Electron 29:4348–4356

  • Deng C, Xu D, Chen P, Hu C, Zhang W, Wen Z, Wu X (2014) Интеграция фильтра электромагнитных помех и повышающего индуктора для преобразователя PFC мощностью 1 кВт . IEEE Trans Power Electron 29:5823–5834

    Статья Google ученый

  • Леврон Ю., Ким Х., Эриксон Р.В. (2014) Проектирование фильтров электромагнитных помех с низким уровнем гармонических искажений в преобразователях с высоким коэффициентом мощности. IEEE Trans Power Electron 29:3403–3413

    Статья Google ученый

  • Элмор М.С., Петерсон В.А., Шервуд С.Д. (1991) Схема повышения коэффициента мощности.В: Материалы 6-й ежегодной конференции и выставки по прикладной силовой электронике, стр. 407–414

  • Суга И., Кимата М., Охниши Ю., Учида Р. (1993) Новый метод переключения для однофазного преобразователя переменного тока в постоянный. В: Материалы конференции IEEE по преобразованию энергии (PCC-Yokohama), стр. 93–98

  • Rossetto L, Spiazzi G, Tenti P (2000) Boost PFC с частотой переключения 100 Гц, обеспечивающей стабилизацию выходного напряжения и соответствие стандартам EMC. . IEEE Trans Ind Appl 36:188–193

    Статья Google ученый

  • Buso S, Spiazzi G (2000) Выпрямитель с частотной коммутацией, соответствующий стандарту IEC 1000-3-2.IEEE Trans Ind Electron 47:501–510

    Статья Google ученый

  • Pomilio JA, Spiazzi G (2002) Коммутируемый выпрямитель с низкой индуктивностью, соответствующий стандартам EN 61000-3-2. IEEE Trans Power Electron 17:963–970

    Статья Google ученый

  • Cheng MY, Hsu YC, Chen CH, Hou MK, Tsai MC (2008) Асимметричная ШИМ для схемы коррекции коэффициента мощности с низкой частотой переключения. В: Материалы международной конференции IEEE по промышленным технологиям

  • Спиацци Г., Мартинс ЭдС, Помилио Дж. А. (2001) Простая коммутационная ячейка с линейной частотой, улучшающая коэффициент мощности и регулирование напряжения выпрямителей с пассивным LC-фильтром. В: Труды конференции специалистов по силовой электронике IEEE, стр. 724–729

  • Rossetto L, Spiazzi G, Tenti P (2000) Boost PFC с частотой переключения 100 Гц, обеспечивающей стабилизацию выходного напряжения и соответствие стандартам EMC.IEEE Trans Ind Appl 36:188–193

    Статья Google ученый

  • Коррекция коэффициента мощности (PFC) Объяснение | Статья

    АРТИКУЛ

    Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

    Мы ценим вашу конфиденциальность

    Коэффициент мощности определяется как отношение энергии, которую устройство способно передать на выход, к общему количеству энергии, которое оно получает от входного источника питания. Это ключевой показатель качества при проектировании электрических устройств, особенно из-за правил, принятых странами и международными организациями, такими как ЕС, которые определяют минимальный коэффициент мощности или максимальный уровень гармоник, который должен иметь устройство, чтобы быть продается на европейском рынке.

    Причина, по которой эти организации так инвестируют в улучшение коэффициента мощности, заключается в том, что низкокачественная электроэнергия представляет собой реальную угрозу для энергосистемы, увеличивая тепловые потери и потенциально вызывая перебои в подаче электроэнергии.

    Существуют две основные причины низкого коэффициента мощности:

    • Смещение: это происходит, когда волны напряжения и тока в цепи не совпадают по фазе, обычно из-за наличия реактивных элементов, таких как катушки индуктивности или конденсаторы.
    • Искажение: определяется как изменение исходной формы волны, обычно вызывается нелинейными цепями, такими как выпрямители. Эти нелинейные волны содержат много гармоник, которые искажают напряжение в сети.

    Коррекция коэффициента мощности (PFC) — это ряд методов, используемых для улучшения коэффициента мощности устройства.

    Для устранения проблем смещения обычно используются внешние реактивные компоненты для компенсации общей реактивной мощности цепи.

    Для решения проблемы искажения есть два варианта:

    • Пассивная коррекция коэффициента мощности (PFC): улучшает коэффициент мощности за счет фильтрации гармоник с помощью пассивных фильтров. Это обычно используется в приложениях с низким энергопотреблением, но этого недостаточно при высокой мощности.
    • Активная коррекция коэффициента мощности (PFC): Использует импульсный преобразователь для модуляции искаженной волны, чтобы преобразовать ее в синусоидальную волну. Единственные гармоники, присутствующие в новом сигнале, находятся на частоте переключения, поэтому их легко отфильтровать. Это считается лучшим методом PFC, но усложняет конструкцию.

    Хорошая схема коррекции коэффициента мощности является ключевым элементом любой современной конструкции, поскольку устройство с плохим коэффициентом мощности будет неэффективным, создаст ненужную нагрузку на сеть и, возможно, вызовет проблемы для остальных подключенных устройств. .

    Необходимость коррекции коэффициента мощности (PFC) в источниках питания переменного/постоянного тока

    Как обсуждалось в нашей предыдущей статье, источник питания переменного/постоянного тока состоит из нескольких цепей, которые преобразуют входное переменное напряжение в стабильное постоянное напряжение на выходе. Наиболее важной из этих цепей является выпрямитель, который отвечает за преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока; однако одной этой схемы недостаточно для обеспечения адекватной работы.

    Чтобы источник питания переменного/постоянного тока был эффективным и безопасным, он должен включать изоляцию, коррекцию коэффициента мощности (PFC) и снижение напряжения. Эти элементы защищают пользователя, сеть и любые подключенные устройства, и каждый из них в той или иной степени интегрирован во все импульсные источники питания.

    Первым шагом в любом импульсном источнике питания является выпрямление входного напряжения. Выпрямление — это процесс преобразования сигнала из переменного в постоянный, который выполняется с помощью выпрямителя. Отрицательное напряжение в волне переменного тока можно либо отсечь с помощью однополупериодного выпрямителя, либо инвертировать с помощью двухполупериодного выпрямителя.

    Двухполупериодный выпрямитель состоит из четырех диодов, соединенных по схеме, называемой мостом Гретца.Эти диоды включаются и выключаются, когда напряжение источника питания меняется с отрицательного на положительное, инвертируя полярность отрицательной полуволны и превращая синусоиду переменного тока в волну постоянного тока (см. рис. 1) .

    Рисунок 1: Схема мостового выпрямителя

    Эта волна имеет большие колебания напряжения, называемые напряжением пульсаций, поэтому накопительный конденсатор подключен параллельно диодному мосту, чтобы помочь сгладить пульсации выходного напряжения.

    Однако, если вы посмотрите на форму сигнала накопительного конденсатора выпрямителя, вы увидите, что конденсатор заряжается в течение очень короткого времени, от точки, где напряжение на входе конденсатора больше, чем заряд конденсатора, до пик выпрямленного сигнала.Это создает серию коротких всплесков тока в конденсаторе, которые совсем не похожи на синусоиду (см. рис. 2) .

    Рис. 2. Кривые напряжения и тока на выходе выпрямителя

    Это очень большая проблема не только для блока питания, но и для всей энергосистемы. Чтобы понять масштабы этой проблемы, мы должны сначала разобраться с концепцией гармоник.

    Гармоники и преобразование Фурье

    Большинство электрических сигналов, которые вы видели до сих пор, представляют собой синусоидальные волны.Однако волны часто перестают быть чисто синусоидальными, особенно когда присутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, катушки индуктивности) или нелинейные компоненты (транзисторы, диоды). Эти волны определяются различными, часто сложными математическими функциями. Это может значительно усложнить анализ этой волны, потому что математика, стоящая за анализом, значительно усложнится (см. рис. 3) .

    Рисунок 3: Синусоида и искаженная волна – форма волны и волновая функция

    К счастью, в 19 веке французский математик Жан-Батист Жозеф Фурье придумал метод разложения любого произвольного периодического сигнала на ряд синусоидальных и косинусоидальных волн с разными частотами, называемых гармониками (см. рис. 4) .Первая из этих волн, называемая основной, является волной с самой низкой частотой. Затем несколько других волн объединяются с основной волной и получают определенные амплитуды и частоты. Как правило, чем больше форма волны отклоняется от чистой синусоиды, тем больше в ней гармоник.

    Рисунок 4: Разложение сигнала произвольной формы на ряд Фурье

    Частоты гармоник должны быть кратны основной частоте.Например, если основная частота волны равна 50 Гц, частота второй гармоники будет равна 100 Гц, третьей — 150 Гц и так далее.

    Одним из наиболее важных параметров гармоник является их амплитуда, которая является мерой их влияния на основную частоту. Обычно основная частота имеет наибольшую амплитуду, а амплитуда гармоники уменьшается пропорционально ее порядку, поэтому 9-й или 20-й гармоники практически не будет. Амплитуда этих гармоник может быть представлена ​​в виде графика, показывающего, какую роль играет каждая гармоника в создании сигнала произвольной формы.

    Проблема с током в конденсаторе заключается в том, что он очень похож на дельта-функцию. Этот тип волны в идеале представляет собой бесконечно короткий, бесконечно мощный импульс. Волну такой формы по понятным причинам сложно разложить на синусоиду, что приводит к большому количеству мощных гармоник, охватывающих практически все частоты (см. рис. 5) .

    Рисунок 5: Гармоническое распределение дельта-функции и прямоугольной волны

    Это не обязательно является проблемой, поскольку устройство по-прежнему подает питание на нагрузку, поэтому многие производители маломощных блоков питания переменного/постоянного тока ничего с этим не делают, потому что это влияет только на коэффициент мощности источника питания. Однако, если к сети подключено слишком много мощных устройств с низким коэффициентом мощности, это может стать проблемой и даже привести к отключению электроэнергии!

    Коэффициент мощности

    Существует три типа питания переменного тока. Первая называется активной мощностью и обычно упоминается как реальная мощность или P. Она представляет собой чистую энергию, которая передается на нагрузку. Если нагрузка чисто резистивная, вся мощность в линии является активной мощностью, а напряжение и ток колеблются в фазе друг с другом.Во-вторых, если нагрузка чисто реактивная, например, катушка индуктивности или конденсатор, мощность будет чисто реактивной, часто выражаемой как Q. Эта мощность используется для создания и поддержания магнитных и электрических полей в реактивных компонентах. Эти поля заставляют ток смещаться по фазе относительно напряжения, опережая на 90° для емкостных нагрузок и отставая на 90° для индуктивных (см. рис. 6). Это означает, что общая мощность, генерируемая этими чисто реактивными нагрузками, равна нулю, поскольку положительная реактивная мощность компенсируется отрицательной реактивной мощностью.

    Рисунок 6: Синфазные волны V-I и связанная с ними мощность (слева). Формы сигналов V-I и соответствующая мощность для разности фаз 90° (справа)

    В практических приложениях нагрузки никогда не бывают чисто резистивными или реактивными, а представляют собой их комбинацию. Третий тип мощности переменного тока представляет собой сложение как активной, так и реактивной мощности и называется полной мощностью, или S. Это сложение является квадратичным, и отношение между активной, реактивной и полной мощностью часто выражается в виде треугольника.

    Коэффициент мощности представляет собой отношение между активной мощностью и полной мощностью и используется для измерения эффективности передачи мощности в цепи (см. рисунок 7) .

    Силовой треугольник

    Низкий коэффициент мощности представляет собой комбинацию двух факторов: смещения и искажения. Первая, при линейных нагрузках, связана с наличием реактивных составляющих, из-за которых волны тока и напряжения не совпадают по фазе. Влияние разности фаз между напряжением и током на общий коэффициент мощности определяется коэффициентом смещения, который рассчитывается как косинус угла между волнами с использованием уравнения (1) :

    . $$PF_{СМЕЩЕНИЕ}= COS (\theta_{V}-\theta_{I})$$

    Однако, если мы вернемся к делу, проблема, с которой столкнулись разработчики источников питания, заключается не только в том, что волны тока и напряжения могут быть не в фазе, но и в том, что форма волны тока стала последовательностью импульсов, что является нелинейной функцией.Это означает, что умножение напряжения и тока, также известное как мощность, также является нелинейным и крайне неэффективным. Это происходит, когда в цепи есть нелинейные нагрузки, такие как флуоресцентные лампы, электронные устройства и мостовые выпрямители. Эти нагрузки потребляют ток очень короткими и резкими всплесками, что создает очень большое количество гармоник, добавляя искажения к сигналу. Наиболее частый способ описания количества искажений, присутствующих в сигнале из-за наличия гармоник, — это величина полного гармонического искажения (THD), которая представляет собой долю тока гармоник по отношению к току основной гармоники. 2} $$

    Коэффициент мощности часто не оказывает значительного влияния на работу устройства, но когда ток возвращается в сеть, он приносит с собой низкий коэффициент мощности. Например, если к сети подключена индуктивная нагрузка с очень низким коэффициентом мощности, такая как двигатель постоянного тока в блендере, экран телевизора в соседнем доме может начать мерцать из-за гармоник, вводимых двигателем. В больших масштабах это приводит к значительным потерям тепла в сети и даже может привести к отключению электроэнергии.

    Понятно, что поставщики электроэнергии ввели ограничения на количество помех, которые устройство может подавать в сеть. Первая попытка сделать это была в 1899 году, с появлением электрического освещения, когда они поняли, что помехи от других устройств заставляют мерцать лампы накаливания. Затем, в 1978 году, было выдвинуто постановление Международной электротехнической комиссии (МЭК), предписывающее ввести коррекцию коэффициента мощности в потребительские товары.

    С тех пор в разных странах были созданы собственные инструкции и правила по ограничениям коэффициента мощности.В Соединенных Штатах добровольное руководство Energy Star гласит, что любое вычислительное оборудование должно иметь PF не менее 0,9 при работе на максимальной номинальной мощности. В ЕС законодательство (IEC31000-3-2) является более строгим, разделяя электрические устройства на четыре категории: бытовые приборы (A), электроинструменты (B), осветительные приборы (C) и электронные устройства (D). Каждая категория имеет определенные ограничения на относительный вес, который каждая гармоника (до 39-й) может иметь по отношению к основной частоте. В других странах есть свои особые версии этого законодательства, такие как китайский GB/T 14549-93 или международный IEEE 519-1992.

    На рис. 8 показаны ограничения формы сигнала, установленные IEC61000-3-2 для устройств класса C, как в частотной, так и во временной области. Как видите, максимальные значения амплитуд гармоник в частотной области следуют форме прямоугольной волны, что подтверждается наблюдением результирующих волн во временной области.

    Рис. 8. Максимальные значения гармоник для устройств класса C в частотной (слева) и временной (справа) областях

    Хотя форма волны, определяемая IEC61000-3-2, сильно отличается от идеальной синусоиды, несложно найти устройство без коэффициента мощности, превышающего установленные ограничения по гармоникам и коэффициенту мощности.Следовательно, в любом коммерческом устройстве необходима хорошая схема коррекции коэффициента мощности, чтобы повысить эффективность работы и иметь возможность продавать устройство как потребительский товар.

    Что такое коррекция коэффициента мощности (PFC)?

    Коррекция коэффициента мощности (PFC) — это ряд методов, которые производители электронных устройств используют для улучшения коэффициента мощности.

    Как упоминалось ранее, низкий коэффициент мощности вызван наличием смещения или искажения сигнала.Отрицательное влияние смещения на коэффициент мощности решить относительно просто, потому что конденсаторы тянут фазу вперед, а катушки индуктивности отбрасывают ее назад. Если волна тока в системе отстает от напряжения, вы можете просто добавить в цепь конденсатор с правильным импедансом, и фаза волны тока будет сдвигаться вперед, пока не совпадет по фазе с напряжением (см. рис. 9) .

    Рис. 9. Передача мощности с низким коэффициентом мощности без PFC (слева) и передача мощности с скорректированным коэффициентом мощности и PFC (справа)

    С другой стороны, улучшение коэффициента искажения системы, который обычно присутствует в нелинейных цепях, несколько сложнее, чем компенсация коэффициента смещения в линейных цепях.Для этого есть два варианта:

      1. Фильтрация гармоник: смиритесь с потерей эффективности, но попытайтесь уменьшить количество гармоник, вводимых в сеть, путем добавления фильтров на входе. Это называется пассивной коррекцией коэффициента мощности и использует фильтр нижних частот, направленный на устранение высших гармоник, в идеале оставляя только основную частоту 50 Гц (см. рис. 10). В практических приложениях это не очень эффективно для улучшения коэффициента мощности устройства, а также нецелесообразно для мощных решений из-за потери эффективности, размера и веса необходимых конденсаторов и катушек индуктивности. Обычно он не используется в приложениях с мощностью выше сотен ватт.

    Рис. 10. Активная коррекция коэффициента мощности в режиме DCM, форма выходного тока (слева) и частотная характеристика пассивного фильтра коррекции коэффициента мощности (справа)

    1. Активная коррекция коэффициента мощности. Этот метод изменяет форму сигнала тока, заставляя его следовать за напряжением. Таким образом, гармоники перемещаются на гораздо более высокие частоты, что упрощает их фильтрацию. Наиболее широко используемой схемой для этих случаев является повышающий преобразователь (см. рисунок 11) .Эта схема повышает постоянное напряжение, уменьшая его ток, подобно трансформатору. Простейший повышающий преобразователь состоит из катушки индуктивности, транзистора и диода.

    Рис. 11. Импульсный источник питания переменного/постоянного тока с активной коррекцией коэффициента мощности

    Повышающий преобразователь работает в два этапа. На первом этапе, когда ключ замкнут, индуктор заряжается от источника напряжения (в данном случае напряжения, выходящего из выпрямителя). Когда ключ размыкается, катушка индуктивности подает в цепь ток, накопленный на предыдущем этапе, увеличивая напряжение на выходе.Этот ток также заряжает конденсатор, отвечающий за поддержание уровня напряжения на выходе во время перезарядки катушки индуктивности.

    Если частота коммутации достаточно высока, ни катушка индуктивности, ни конденсатор никогда полностью не разряжаются, а нагрузка на выходе всегда имеет большее напряжение, чем источник входного напряжения. Это называется режимом непрерывной проводимости (CCM). Чем дольше ключ замкнут (т.е. чем дольше транзистор открыт), тем больше будет напряжение на выходе.Если рабочий цикл (время включения переключателя по отношению к общему циклу переключения) правильно контролируется, волна входного тока может иметь форму синусоиды.

    Однако не все преобразователи PFC используют CCM. Существует еще один метод, предлагающий меньшие коммутационные потери и более дешевые схемы, хотя и жертвующий качеством конечного коэффициента мощности. Этот метод, называемый режимом граничной проводимости (BCM) или режимом критической проводимости, переключает транзистор, когда катушка индуктивности полностью разряжается (см. рис. 12) .Это называется переключением с нулевым током (ZCS), которое позволяет диоду в повышающем преобразователе быстрее и проще менять полярность, уменьшая потребность в высококачественных и дорогих компонентах.

    Рис. 12. Ток индуктивности, транзистора и диода PFC для режима непрерывной проводимости (слева) и режима граничной проводимости (справа)

    Преобразователь отслеживает входное напряжение, поэтому выходной ток выглядит как синусоида с частотой 50 Гц. Тем не менее, эта форма волны тока по-прежнему сильно отличается от чистой синусоиды, поэтому логически она будет иметь большое количество гармонических составляющих.Поскольку эти гармонические составляющие кратны частоте переключения, которая намного выше (от 50 кГц до 100 кГц), чем основная частота 50 Гц, они будут очень эффективно отфильтровываться. Это значительно увеличивает коэффициент мощности, поэтому некоторые импульсные блоки питания достигают коэффициента мощности до 0,99.

    Одной из реализаций корректора коэффициента мощности BCM является контроллер MP44010. При подключении к повышающему преобразователю вывод ZCS определяет, когда катушка индуктивности разряжена, и активирует полевой МОП-транзистор (Q1 на рис. 13).Эта микросхема также сравнивает ток и напряжение, формируя пики тока в соответствии с формой входного напряжения.

    Рисунок 13: Типовая прикладная схема MP44010

    Резюме

    Коэффициент мощности является ключевым элементом, который необходимо учитывать при проектировании любого электронного устройства, но особенно в случае источников питания переменного/постоянного тока. Однако выбор правильной схемы PFC требует анализа различных доступных компромиссов.

    Сначала определите, чем вызван низкий коэффициент мощности: смещением или искажением.Затем, в зависимости от мощности в цепи, выберите активную или пассивную коррекцию коэффициента мощности. Для активной коррекции коэффициента мощности разработчику необходимо будет выбрать между реализацией преобразователя в непрерывном режиме или в режиме граничной проводимости, что является компромиссом между эффективностью и качеством коэффициента мощности.

    Какое бы решение вы ни решили внедрить, MPS предлагает широкий выбор контроллеров PFC, и наши инженеры также готовы помочь вам с любыми вопросами, которые могут у вас возникнуть.

    Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!

    Получить техническую поддержку

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.