Мощность в цепях переменного тока: Мощность в цепях переменного тока — Студопедия

Мощность в цепях переменного тока — Студопедия

В цепях переменного тока различают три вида мощностей: активную Р, реактивную Q и полную S.

Активная мощность вычисляется по формуле:

(2.20)

Активную мощность потребляет резистивный элемент. Единица измерения активной мощности называется Ватт (Вт), производная единица – килоВатт (кВт), равная 10³ Вт.

Реактивная мощность вычисляется по формуле:

(2.21)

Реактивная мощность потребляется идеальным индуктивным и

емкостным элементами. Единица измерения реактивной мощности называется Вольт-Ампер реактивный (Вар), производная единица – килоВАр (кВАр), равная 10³ ВАр.

Полная мощность потребляется полным сопротивлением и обозначается буквой S:

S= (2.22)

Единица измерения полной мощности называется ВА (Вольт-Ампер), производная единица – килоВольт-Ампер (кВА), равная 10³ ВА.

По сути, размерность у всех выше перечисленных единиц измерения одинакова – .

Разные название этих единиц нужны, чтобы различать эти виды мощности.

Проявляются различные виды мощности по-разному. Активная мощность необратимо преобразуется в другие виды мощности (например, тепловую, механическую). Реактивная мощность обратимо циркулирует в электрических цепях: энергия электрического поля конденсатора преобразуется в энергию магнитного поля, и наоборот. «Извлечь» реактивную мощность с «пользой для дела» невозможно.

Из формул (2.19) – (2.21) следует, что между активной, реактивной и полной мощностью имеет место соотношение:

(2.23)

Соотношение между P, Q и S можно интерпретировать как соотношение сторон прямоугольного треугольника (вспомните треугольник сопротивлений, треугольник напряжений – все эти треугольники подобны).

 

Рис. 2.10

Из рис. 2.10 видно, что cosφ = (2.24)

Отсюда вытекает определение одной из основных характеристик цепей переменного тока – коэффициента мощности.  Специального обозначения он не получил.

Коэффициент мощности показывает, какую долю полной мощности составляет активная мощность.

Желательно, чтобы коэффициент мощности цепи был как можно больше, т.е. приближался к 1. Реально предприятия электрических сетей устанавливают такое ограничение для промышленных предприятий : соs φ = (0,92-0,95). Достигать значений соs φ >0,95 рискованно, так как разность фаз φ при этом может скачком перейти от положительных значений к отрицательным, что вредно для электрооборудования. Если соsφ < 0,92, предприятия подвергаются штрафу.

Если коэффициент мощности оказывается мал, его необходимо повышать. График функции соs φ имеет вид монотонно убывающей функции в интервале от 0

0 до 90⁰. Следовательно, увеличить соsφ – значит уменьшить разность фаз , то есть уменьшить (Х_L-Х_С).

Если влиять на (Х_L-Х_С), меняя С и L, то это приведет к увеличению тока в последовательной цепи и изменению режима работы оборудования, поэтому такой способ практически не применяется. В следующем разделе рассмотрен другой способ повышения коэффициента мощности.

Цепь переменного тока с параллельным соединением ветвей.

Рассмотрим электрическую цепь с двумя параллельными ветвями (рис. 2.11). Полученные выводы распространим на цепь с любым количеством ветвей. К цепи, содержащей две параллельные ветви, включающие активные, индуктивные и емкостные элементы (R₁, L₁, C

1 и R₂, L₂, C₂ cоответственно), подводится переменное напряжение U частоты f.

Прямая задача: Заданы все Обратная задача: Заданы свойства входящие в цепь элементы. цепи. Найти неизвестные элементы Найти все токи и разности цепи (эта задача решена в лаборафаз. торной работе Ц-5)

Решим прямую задачу, то есть найдем токи I_1, I₂ и общий ток I .

 

Рис. 2.11. Электрическая цепь с двумя параллельными ветвями

Из второго закона Кирхгофа следует, что напряжения на параллельных участках цепи одинаковы:

U₁ = U₂ = U (2.25)

На основании закона Ома найдем токи I₁ и I₂ :

; (2.26)

Найдем также разности фаз тока и напряжения для каждой ветви:

(2.27)

На основании первого закона Кирхгофа применительно к узлу А можно записать:

_{= +} (2.28)

Таким образом, для определения тока I необходимо векторно сложить токи I₁ и I₂. В качестве опорного вектора удобно выбрать вектор напряжения .

Предположим, что при расчете разностей фаз тока и напряжения в ветвях цепи оказалось, что φ₁>0, а φ₂ под углом φ₁ к вектору , и вектор под углом φ₂ к вектору . Графически складываем эти векторы (см. рис.2.12). Величина тока определяется длиной полученного вектора с учетом выбранного масштаба. Разность фаз неразветвленного участка цепи определяется углом между векторами и

 

Рис. 2.12

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:

§57. Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Мгновенное значение мощности. В цепи, содержащей активное, индуктивное и емкостное сопротивления, в которой ток I и напряжение u в общем случае сдвинуты по фазе на некоторый угол ?, мгновенное значение мощности р равно произведению мгновенных значений силы тока i и напряжения u. Кривую мгновенной мощности р можно получить перемножением мгновенных значений тока i и напряжения u при различных углах ?t (рис. 199, а. Из этого рисунка видно, что в некоторые моменты времени, когда ток и напряжение направлены навстречу друг другу, мощность имеет отрицательное значение. Возникновение в электрической цепи отрицательных значений мощности является вредным. Это означает, что в такие периоды времени приемник возвращает часть полученной электроэнергии обратно источнику; в результате уменьшается мощность, передаваемая от источника к приемнику.

Очевидно, что чем больше угол сдвига фаз ?, тем больше время, в течение которого часть электроэнергии возвращается обратно к источнику, и тем больше возвращаемая обратно энергия и мощность.

Активная и реактивная мощности. Мгновенная мощность может быть представлена в виде суммы двух составляющих 1 и 2 (рис. 199,б). Составляющая 1 соответствует изменению мощности в цепи с активным сопротивлением (см. рис. 175,б).

Среднее ее значение, которое называют активной мощностью,

P = UI cos ? (75)

Она представляет собой среднюю мощность, которая поступает от источника к электрическим установкам при переменном токе.

Составляющая 2 изменяется подобно изменению мощности в цепи с реактивным сопротивлением (индуктивным или емкостным, см. рис. 179, а и б). Среднее ее значение равно нулю, поэтому для оценки этой составляющей пользуются ее амплитудным значением, которое называют

реактивной мощностью:

Q = UI sin ? (76)

Рассматривая кривые мощности (см. рис. 199,б), можно установить, что только активная мощность может обеспечить преобразование в приемнике электрической энергии в другие виды энергии. Эта мощность в течение всего периода имеет положительный знак, т. е. соответствующая ей электрическая энергия 2, называемая активной, непрерывно переходит от источника 1 к приемнику 4 (рис. 200, а). Реактивная мощность никакой полезной работы создать не может, так как среднее значение ее в течение одного периода равно нулю. Как видно из рис. 199,б, эта мощность становится то положительной, то отрицательной, т. е. соответствующая ей электрическая энергия ,3, называемая реактивной,

Рис. 199. Зависимость мгновенной мощности р (а) и ее составляющих (б) от угла ?t

Рис. 200. Диаграмма, иллюстрирующая передачу электрической энергии между источником и приемником, содержащим активное и реактивное сопротивления, при отсутствии компенсатора (а) и при наличии его (б): 1 — источник; 2,3 — условные изображения активной и реактивной энергии; 4 — приемник; 5 — компенсатор

непрерывно циркулирует по электрической цепи от источника электрической энергии 1 к приемнику 4 и обратно (см. рис. 200, а).

Возникновение реактивной мощности в цепи переменного тока возможно только при включении в эту цепь накопителей энергии, таких как катушка индуктивности или конденсатор. В первом случае электрическая энергия, поступающая от источника, накапливается в электромагнитном поле катушки индуктивности, а затем отдается обратно; во втором случае она накапливается в электрическом поле конденсатора, а затем возвращается обратно к источнику. Постоянная циркуляция реактивной мощности от источника к приемникам загружает генераторы переменного тока и электрические сети реактивными токами, не создающими полезной работы, и тем самым не дает возможности использовать их по прямому назначению для выработки и передачи потребителям активной мощности. Поэтому в производственных условиях стараются по возможности уменьшить реактивную мощность, потребляемую электрическими установками.

Полная мощность. Источники электрической энергии переменного тока (генераторы и трансформаторы) рассчитаны на определенный номинальный ток I_ном и определенное номинальное напряжение U_ном, которые зависят от конструкции машины, размеров ее основных частей и пр. Увеличить значительно номинальный ток или номинальное напряжение нельзя, так как это может привести к недопустимому нагреву обмоток машины или пробою их изоляции. Поэтому каждый генератор или трансформатор может длительно отдавать без опасности аварии только вполне определенную мощность, равную произведению его номинального тока на номинальное напряжение. Произведение действующих значений тока и напряжения называется полной мощностью,

S = UI

Следовательно, полная мощность представляет собой наибольшее значение активной мощности при заданных значениях тока и напряжения. Она характеризует ту наибольшую мощность, которую можно получить от источника переменного тока при условии, что между проходящим по нему током и напряжением отсутствует сдвиг фаз. Полную мощность измеряют в вольт-амперах (В*А) или киловольт-амперах (кВ*А).

Связь между мощностями Р, Q и S можно определить из векторной диаграммы напряжений (рис. 201, а). Если умножить на ток I все стороны треугольника ABC, то получим треугольник мощностей А’В’С’ (рис. 201,б), стороны которого равны Р, Q и S. Из треугольника мощностей имеем:

S = ?(P² + Q²)

Из этого выражения следует, что при заданной полной мощности S (т. е. напряжении U и токе I) чем больше реактивная мощность Q, которая проходит через генератор переменного тока или трансформатор, тем меньше активная мощность Р, которую он может отдать приемнику. Иными словами, реактивная мощность не позволяет полностью использовать всю расчетную мощность источников переменного тока для выработки полезно используемой электрической энергии. То же самое относится и к электрическим сетям. Ток I = ?(I_a²+I_p²), который можно безопасно пропускать по данной электрической сети, определяется, главным образом, поперечным сечением ее проводов. Поэтому если часть I_р проходящего по сети тока (см. рис. 194,б) идет на создание реактивной мощности, то должен быть уменьшен активный ток I_а, обеспечивающий создание активной мощности, которую можно пропустить по данной сети.

Рис. 201. Векторная диаграмма напряжений (а) и треугольник мощностей (б) для цепи переменного тока

Если задана активная мощность Р, то при увеличении реактивной мощности Q возрастут реактивный ток I_р и общий ток I, проходящий по проводам генераторов переменного тока, трансформаторов, электрических сетей и приемников электрической энергии. При этом увеличиваются и потери мощности ?Р = I²R_пp в активном сопротивлении R_пp этих проводов.

Таким образом, бесполезная циркуляция электрической энергии между источником переменного тока и приемником, обусловленная наличием в нем реактивных сопротивлений, требует также затраты определенного количества энергии, которая теряется в проводах всей электрической цепи.

Коэффициент мощности. Из формулы (75) следует, что активная мощность Р зависит не только от тока I и напряжения U, но и от величины cos?, называемой коэффициентом мощности:

cos ? = P/(UI) = P/S = P/?(P² + Q²)

По значению cos ? можно судить, как использует мощность источника данный приемник или электрическая цепь. Чем больше cos ?, тем меньше sin ?, следовательно, согласно формулам (75) и (76) при заданных U и I, т. е. S, тем больше активная и меньше реактивная мощности, отдаваемые источником. При повышении cos ? и постоянной активной мощности Р, поступающей в приемник, уменьшается ток в цепи I = P/(U cos ?). При этом уменьшаются потери мощности ?P = I²R_пp в проводах и обеспечивается возможность дополнительной загрузки источника и электрической сети, т. е. лучшего их использования. Если приемник питается от источника при неизменном токе нагрузки, то повышение cos ? ведет к возрастанию активной мощности Р, используемой приемником. При cos?=1 реактивная мощность равна нулю, и вся мощность, отдаваемая источником, является активной. Поэтому на всех предприятиях и во всех отраслях народного хозяйства стремятся всемерно повышать коэффициент мощности и доводить его по возможности до единицы.

Значения коэффициента мощности электрических установок переменного тока различны. Электрические лампы обладают, главным образом, активным сопротивлением, поэтому при их включении сдвиг фаз между током и напряжением практически отсутствует. Следовательно, для осветительной нагрузки коэффициент мощности можно считать равным единице. Коэффициент мощности для двигателей переменного тока зависит от нагрузки. При номинальной расчетной нагрузке двигателя cos? = 0,8-0,9, а у крупных двигателей даже выше. При недогрузке двигателей коэффициент мощности их резко снижается (при холостом ходе cos ? = 0,25-0,3).

Повышение коэффициента мощности. Cos ? повышают различными способами. Основной из них — включение параллельно приемникам электрической энергии специальных устройств, называемых компенсаторами. В качестве последних чаще всего используют батареи конденсаторов (статические компенсаторы), но могут быть применены также и синхронные электрические машины (вращающиеся компенсаторы).

Способ повышения cos ? с помощью статического компенсатора (рис. 202, а) называют компенсацией сдвига фаз, или компенсацией реактивной мощности. При отсутствии компенсатора от источника к приемнику, содержащему активное и индуктивное сопротивления, поступает ток i₁ который отстает от напряжения и на некоторый угол сдвига фаз ?₁. При включении компенсатора Х_с по нему проходит ток i_c, опережающий напряжение и на 90°. Как видно из векторной диаграммы (рис. 202,б), при этом в цепи источника будет проходить ток i<i₁ и угол сдвига фаз его ? относительно напряжения также будет меньше ?₁.

Для полной компенсации угла сдвига фаз ?, т. е. для получения cos ? =1 и минимального значения тока I_min, необходимо, чтобы ток компенсатора I_с был равен реактивной составляющей I_1p = I₁ sin ?₁ тока I₁.
При включении компенсатора 5 (см. рис. 200,б) источник 1 и электрическая сеть разгружаются от реактивной энергии 3, так как она циркулирует уже по цепи «приемник — компенсатор». Благодаря этому достигаются существенное повышение использования генераторов переменного тока и электрических сетей и уменьшение потерь энергии, возникающих при бесполезной циркуляции реактивной энергии между источником 1 и приемником 4. Компен-

Рис. 202. Схема, иллюстрирующая способ повышения cos ? с помощью компенсатора (а), и векторная диаграмма (б)

сатор в этом случае выполняет роль генератора реактивной энергии, так как токи I_св конденсаторе и I_1р в катушке индуктивности (см, рис. 202,б) направлены навстречу один другому (первый опережает по фазе напряжение на 90°, второй отстает от него на 90°), вследствие чего включение компенсатора уменьшает общий реактивный ток I_р и сдвиг фаз между током I и напряжением U. При надлежащем подборе реактивной мощности компенсатора можно добиться, что вся реактивная энергия 3 (см. рис. 200,б), поступающая в приемник 4, будет циркулировать внутри контура «приемник — компенсатор», а генератор и сеть не будут участвовать в ее передаче. При этих условиях от источника 1 к приемнику 4 будет передаваться только активная мощность 2, т. е. cos ? будет равен единице.

В большинстве случаев по экономическим соображениям в электрических установках осуществляют неполную компенсацию угла сдвига фаз и ограничиваются значением cos ? = 0,95.

Мощности в цепях переменного тока

Расчетные формулы для цепей однофазного тока

1. Мгновенное значение мощности в цепи с активным сопротивлением r, Вт:

 

 

 

Среднее значение активной мощности в цепи с активным сопротивлением г, Вт:

2. Цепи с чисто индуктивным сопротивлением: ток в цепи i=Im sinωt, тогда ЭДС самоиндукции

 

т.е. ЭДС отстает от тока, ее вызвавшего, на угол

 

 

 

 

Падение напряжения на катушке

Мгновенная мощность катушки

Средняя за период мощность идеальной катушки:

 

Это означает, что в течение периода идеальная катушка дважды получает от источника энергию, преобразуя ее в магнитное поле, и дважды возвращает ее. .

Емкостное сопротивление, Ом,

ействующее значение тока, А,

Мгновенная мощность

Средняя мощность

В течение периода конденсатор дважды получает от ис­точника энергию для заряда (создания электрического поля в диэлектрике) и дважды возвращает ее источнику (разряжа­ется).

Реактивная мощность конденсатора, вар,

Из изложенного следует важный для практики вывод: токи индуктивности и емкости в цепи переменного тока в каждый момент времени направлены в противоположные стороны. Другими словами, в каждый момент времени, когда катушка получает от источника электромагнитную энергию, конденсатор возвращает ее источнику и наоборот.

4. Цепь, содержащая последовательно включенные ак­тивное, индуктивное и емкостное сопротивления (рис. 1.9).

 

Реактивное сопротивление цепи, Ом,

Полное сопротивление цепи, Ом,

Угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока

Коэффициент мощности цепи

Мгновенное значение приложенного напряжения равно сум­ме мгновенных значений падений напряжений на участках цепи:

Мгновенное значение мощности для этой цепи, Вт,

Среднее значение мощности равно активной мощности, Вт:

 

Реактивная мощность, вар,

Полная мощность, В-А,

При xL = xc имеет место резонанс напряжения, цепь ведет себя как чисто активная, а ток имеет наибольшее (при U = const) значение.

 

5. Цепь, содержащая параллельно включенные активное, индуктивное и емкостное сопротивления (рис. 1.10).

В такой цепи все элементы находятся под одинаковым напряжением источника

Проводимости элементов цепи:

активная, См,

емкостная,См, 

индуктивная, См,

 

Угол сдвига фаз тока и напряжения

Полная проводимость цепи, содержащей элементы R, L, С, См:

Значения мощностей рассчитываются по приведенным выше формулам.

При вс= Bl имеет место резонанс токов. Общий ток в цепи имеет минимальное значение и активный характер.

На практике параллельное включение конденсаторов в однофазной и трехфазной цепях широко используется для разгрузки питающих линий (проводов, кабелей, шин) от реактивной (индуктивной) составляющей тока. Это позволяет уменьшить потери электроэнергии в передающих линиях, и тем самым экономить ее, выбирать меньшие сечения про­водов и кабелей для питания тех же самых электроприем­ников.

§ 53. ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим простейшую замкнутую цепь переменного тока, состоящую из активного сопротивления, индуктивности, емкости и подсоединенную к источнику переменной ЭДС (рис.147). В этом случае ЭДС будет соответствовать рассмотренному выше (см. § 52) общему мгновенному напряжению и поэтому пусть

и соответственно .

За малый промежуток времени dt работа сторонних сил источника dAcт расходуется на выделение тепла на активном сопротивлении dQ, а также на приращение энергии электрического поля конденсатора dWэ и магнитного поля катушки dWм.

. Поделив обе части равенства на dt, получим:. Проанализируем физический смысл полученных отношений. Левая часть представляет собой мощность сторонних сил или мощность источника ЭДС: .

Скорость выделения теплоты на активном сопротивлении – тепловая мощность:

.

Скорости изменения энергии электрического и магнитного полей можно также назвать мощностями на соответствующих участках:

и . Покажем связь этих величин с мгновенными значениями силы тока и напряжения, считая ток квазистационарным, т. е. что его мгновенное значение одинаково во всей цепи., ,,.

Подставив полученные значения в выражение для мощностей и разделив обе части на мгновенное значение силы тока, мы получим второе правило Кирхгоффа для замкнутого контура:

.

Это правило, как уже обсуждалось, является следствием закона сохранения энергии и может быть использовано при расчетах в цепях квазистационарного тока.

РИС.147 РИС.148

Получим в явном виде зависимость введенных мощностей от времени:

,,

При получении этих выражений были использованы формулы:

На рис. 148 приведены графики зависимости от времени введенных мощностей, иллюстрирующие то, что все эти величины изменяются с циклической частотой в 2 раза большей, чем ток и напряжение.

Кроме того, мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении, всегда положительная величина, а на емкостном и индуктивном сопротивлениях — может быть положительной и отрицательной, и изменение мощности на этих элементах происходит в противофазе.

Для осознания физического смысла полученных зависимостей рассчитаем изменение энергии электрического и магнитного поля на емкости и индуктивности за период.

,

Соответственно и средние мощности за период равны нулю:

, .

Таким образом, сколько энергии забирается конденсатором из цепи в те доли периода, когда электрическое поле в нем возрастает (Рс>0), столько же энергии конденсатор отдает в цепь в те доли периода, когда энергия электрического поля в нем убывает (РС<0).

Аналогично для магнитного поля катушки.

На основании этого вводят понятие реактивной мощности – это энергия за период, которой обменивается конденсатор (или индуктивность) с источником ЭДС. Соответственно и емкостное и индуктивное сопротивления поэтому называют реактивными.

На активном сопротивлении за период выделяется количество теплоты:

Средняя мощность за период равна

, т. е. на этом участке из цепи непрерывно выделяется энергия, поэтому, как уже обсуждалось и введено понятие активного сопротивления. На рис.148 график средней активной мощности за период – пунктирная прямая, возле которой совершает колебания активная мощность.

Используем, что

. Тогда , а количество теплоты, выделившееся за период .

При протекании по этому же сопротивлению постоянного тока за то же время, по закону Джоуля-Ленца, выделилось бы количество теплоты

.

Поэтому вводят действующее (эффективное) значение переменного тока – такое значение силы постоянного тока, при котором на том же сопротивлении за то же время выделяется такое же количество теплоты. Тогда:

. Аналогично значения: и называют действующими значениями напряжения и ЭДС.

Все выражения, полученные для амплитудных значений, справедливы и для действующих значений, а на векторных диаграммах часто указывают не амплитудные, а действующие значения (рис. 149).

Так как цепь последовательная, то, используя диаграмму напряжений и умножив на действующее значение силы тока, можно построить «треугольник мощностей» (рис.150).

Из треугольника мощностей:

— реактивная мощность, , где —

РИС.149 РИС.150

называется коэффициентом мощности и показывает какая часть мощности источника выделяется на активном сопротивлении.

Как уже обсуждалось, реактивные сопротивления лишь обмениваются энергией с источником. В большинстве используемых на практике устройств энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергии и выводится из цепи. Поэтому мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении, т. е. на потребителе, — полезная часть всей мощности источника.

Поэтому коэффициент мощности, по сути, коэффициент полезного действия цепи и он равен 1, если в цепи отсутствует реактивное сопротивление.

Если цепь содержит только реактивное сопротивление, то коэффициент мощности равен 0. Основное назначение цепей переменного тока – передача электроэнергии и, если коэффициент мощности значительно меньше 1, то для передачи потребителю заданной мощности при заданном напряжении источника необходимо увеличить амплитудное значения силы тока в цепи, так как:

. Амплитуда силы тока тем больше, чем меньше общее реактивное сопротивление .

Поэтому на практике если в цепи переменного тока неизбежно присутствует значительная емкость (индуктивность), то, в целях увеличения потребляемой мощности, в цепь дополнительно вводят индуктивность (емкость), чтобы уменьшить общее реактивное сопротивление.

Если электроэнергия передается на большое расстояние, то увеличение амплитуды силы тока приведет к увеличению выделяющегося в проводах количества теплоты. Потери на нагревание, в этом случае, можно уменьшить, лишь увеличив сечение проводов, что также экономически не выгодно.

Поэтому повышение коэффициента мощности представляет одну из важнейших проблем при практическом использовании цепей переменного тока. Наименьшее допустимое значение коэффициента мощности для промышленных установок составляет примерно 0,85.

Электрические цепи переменного тока

Переменный ток получил гораздо большее распространение в промышленности и в быту, чем постоянный, так как упрощается конструкция электродвигателей, а синхронные генераторы могут быть выполнены на значительно большие мощности и более высокие напряжения, чем генераторы постоянного тока. Переменный ток позволяет легко изменять величину напряжения с помощью трансформаторов, что необходимо при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электрический ток, возникающий под действием э. д. с, которая изменяется по синусоидальному закону, называют переменным. По существу, переменный ток — это вынужденные колебания тока в электрических цепях.
Амплитудой переменного тока называется наибольшее значение, положительное или отрицательное, принимаемое переменным током.
Периодом называется время, в течение которого происходит полное колебание тока в проводнике.
Частота — величина, обратная периоду.
Фазой называется угол или , стоящий под знаком синуса. Фаза характеризует состояние переменного тока с течением времени. При t=0 фаза называется начальной.
Периодический режим: . К такому режиму может быть отнесен и синусоидальный:

где
— амплитуда;
— начальная фаза;
— угловая скорость вращения ротора генератора.
При f=50Гц T= 1/f=0,02 с, 314рад/с.

График синусоидальной функции называется волновой диаграммой.

Расчет цепей переменного тока с использованием мгновенных значений тока, напряжения и ЭДС требует громоздкой вычислительной работы. Поэтому изменяющиеся непрерывно во времени токи, напряжения и ЭДС заменяют эквивалентными во времени величинами.
При расчете электрических цепей синусоидальную функцию выражают по формуле Эйлера через экспоненциальные функции:

где

Тогда

где

— поворотный множитель;
— комплексная амплитуда напряжения;
— сопряженная комплексная амплитуда напряжения.

Таким образом, синусоидальное напряжение можно представить на комплексной плоскости вращающимся вектором. Тогда амплитудное значение напряжения будет представлять собой модуль или длину вектора напряжения.

Вектор напряжения на комплексной плоскости
Так как в цепи с синусоидальным напряжением ток тоже будет подчиняться этому закону, то аналогично можно записать

где
— комплексная амплитуда тока; *
— сопряженная комплексная амплитуда тока.
Разделив напряжение на ток, получим закон Ома в комплексном виде:

При напряжение на сопротивлении согласно закону Ома . Таким образом, следует отметить, что на активном сопротивлении напряжение и ток совпадают по фазе и (см. рисунок).

Кривые напряжения и тока в активном сопротивлении

Величину переменного напряжения или тока можно оценить значением амплитуды или средним значением за полупериод или действующим значением. При изменении напряжения или тока по закону синуса среднее значение напряжения определяется:

При большой частоте вращения ротора генератора, т. е. при большой частоте колебаний э. д. с. и силы тока, измерять их амплитуды на практике крайне неудобно. По этой причине ввели величины, названные действующими значениями э. д. с, силы тока и напряжения.
Действующим значением силы переменного тока называют силу такого постоянного тока, при прохождении которого по той же цепи и за то же время выделяется такое же количество теплоты, как и при прохождении переменного тока.

откуда

При синусоидальном законе действующие значения тока и напряжения:

Приборы электромагнитной системы, применяемые для измерений напряжений и токов на переменном токе, регистрируют действующие значения. Соответственно градуируются и шкалы этих приборов

Кривые напряжения и тока в индуктивном сопротивлении

Напряжение на индуктивности определяется выражением

где

-индуктивное сопротивленияе
Индуктивное сопротивление выражают в омах, оно играет роль сопротивления в цепи переменного тока с катушкой индуктивности.
В идеальной индуктивности ток отстает от напряжения на 90°.

Если напряжение на емкости меняется по закону синуса , то

-емкостное сопротивление.
Емкостное сопротивление выражается в омах, оно играет роль сопротивления в цепи переменного тока с конденсатором.
Кривые напряжения и тока в емкостном сопротивлении
В идеальной емкости ток опережает напряжение на 90°

Режим — состояние электрической цепи переменного тока описывается дифференциальными уравнениями, представляющими собой уравнения с постоянными коэффициентами и правой частью, например:

Из курса высшей математики известно, что общее решение такого уравнения может быть найдено методом наложения принужденного и свободного режимов:

где
— ток принужденного режима при di/dt=0
— ток свободного режима.
Свободные процессы исследуются с целью определения устойчивости системы. В устойчивой системе процессы должны затухать. Принужденный и свободный режимы в сумме определяют процессы, которые называются переходными, т.е. осуществляется переход от одного установившегося режима к другому.
При установившемся режиме ток и напряжение сохраняют в течение длительного времени амплитудные значения.
В цепях постоянного тока токи и напряжения остаются неизменными, а в цепях переменного тока остаются неизменными кривые изменения токов и напряжений.

Мощность цепи переменного тока

В периодическом синусоидальном режиме

Используя известное тригонометрическое преобразование

и обозначив , получим

Среднее за период значение гармонической функции удвоенной частоты равно нулю.
Измерение мгновенного значения мощности переменного тока затруднено из-за сравнительно большой частоты колебаний (v = 50 Гц). Поэтому на практике принято пользоваться средней мощностью тока. Средняя мощность — это отношение энергии, потребляемой за один период, к периоду:

где
— энергетическое значение коэффициента мощности,

Потребляемая на участке цепи с резистором средняя мощность получила название активной мощности. Она необратимо преобразуется в джоулеву теплоту и другие виды энергии. Мощность, потребляемую на участках цепи с емкостным и индуктивным сопротивлениями, называют реактивной мощностью.
При передаче электрической энергии по цепи переменного тока ее необратимые преобразования происходят только на тех участках цепи, которые содержат резисторы. Такие участки цепи называют активной нагрузкой. На активной нагрузке электроэнергия превращается в теплоту или механическую работу.
Участок цепи с индуктивностью или емкостью называют реактивной нагрузкой. На участках цепи, которые состоят из чистых емкостных или индуктивных сопротивлений, электроэнергия не потребляется. В цепи с реактивными нагрузками происходит только перекачка энергии от генератора к нагрузке и обратно с неизбежными потерями в подводящих проводах.

 

При заданных Р и U ток является функцией cosj. Потери мощности на сопротивлении
В цепи с резистором j=0.

Коэффициент мощности cosj показывает, какая часть полной мощности, вырабатываемой генератором и передаваемой нагрузке, необратимо используется нагрузкой. Он играет важную роль в электротехнике. В самом деле, если в цепи имеется значительный сдвиг по фазе между колебаниями тока и э. д. с, то коэффициент мощности мал и нагрузка потребляет от генератора малую активную мощность. Вместе с тем генератор должен вырабатывать полную мощность S. Эту же мощность должен отдавать генератору первичный двигатель. Таким образом, при низком коэффициенте мощности нагрузка потребляет лишь часть энергии, которую вырабатывает генератор. Оставшаяся часть энергии перекачивается периодически от генератора к потребителю и обратно и рассеивается в линиях электропередачи.
Максимально благоприятные условия передачи электроэнергии создаются в цепи, работающей в режиме резонанса. В самом деле, при приближении к резонансу амплитуда силы тока оказывается максимальной и коэффициент мощности стремится к единице. В этом случае активная мощность приближается к полной мощности, т. е. достигает максимума.
Повышение к. м. является важной народнохозяйственной задачей, от решения которой зависит эффективность использования вырабатываемой электроэнергии.
Уменьшение к. м. в промышленных цепях происходит в основном за счет содержащихся в них трансформаторов и асинхронных электродвигателей, имеющих значительные индуктивные сопротивления. Поэтому повысить к. м. при таких нагрузках можно путем подключения параллельно основной цепи компенсирующих конденсаторов, позволяющих приблизиться к режиму резонанса токов.
С целью повышения к. м. и экономии электроэнергии не следует допускать холостого хода (т. е. работы без нагрузки) трансформаторов и асинхронных электродвигателей, ибо в этом случае они представляют собой чисто индуктивные сопротивления и вызывают дополнительные потери мощности.
Коэффициент мощности (к. м.) ни в коем случае нельзя путать с коэффициентом полезного действия (к. п. д.). Так, например, при определенном соотношении емкости и индуктивности коэффициент мощности в данной цепи может оказаться равным единице. Коэффициент же полезного действия цепи всегда меньше единицы.

Мощность цепи переменного тока

 

Мощность в активном сопротивлении

Мгновенное значение мощности для цепи с резистором:

Из рисунка видно, что потребляемая резистором мгновенная мощность остается все время положительной, но пульсирует с удвоенной по отношению к силе тока и э. д. с. частотой.

Действующее значение мощности:

Активная мощность в цепи с идеальной катушкой индуктивности и конденсатором равна 0. Реактивная мощность определяется выражением:

Аналогично можно проделать для цепи с идеальным конденсатором:

В произвольной цепи переменного тока потребляемая одновременно активной и реактивной нагрузками суммарная мощность

Но так как , следовательно, . Мы приходим к выводу, что суммарная средняя мощность, потребляемая полной цепью переменного тока, равна активной мощности.

где S — полная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока, ВА;
a — сдвиг по фазе между колебаниями э. д. с. и силы тока.

 

Мощность в цепи переменного тока. 11 класс

Мощность в цепи
переменного тока
Цель урока:
продолжить
изучение
электрических явлений, достичь
усвоения обучающимися понятия
мощности электрического тока.
Мощность в цепи постоянного тока
В электрической цепи постоянного
тока зная напряжение на зажимах
потребителя и протекающий ток можем
легко
определить
потребляемую
мощность, умножив величину тока на
напряжение:
Переменный электрический ток
Электрический ток величина и направление
которого меняются с течением времени
называется переменным.
В
сети
переменного
тока
различают полную, активную и
реактивную
мощность.
Полная
мощность
в
цепи
переменного
тока
равна
произведению
действующего
значения тока на действующее
значение напряжения (измеряется
в ВА , кВА)
Полная
мощность
состоит
из
двух
составляющих – активной Р, и реактивной Q
мощности.
Активная мощность- это часть электрической
энергии выработанной генератором, которая
безвозвратно преобразуется в тепловую или в
механическую энергию.
Активная мощность измеряется в Вт, кВт (ватт,
киловатт).
Активную
мощность
можно
определить по следующей формуле:
Реактивная
мощность
накапливается
индуктивностью при возрастании т ока в
цепи.
Реактивная мощность измеряется в Вар,
кВАр (вольт-амперах реактивных, кило
вольт-амперах реактивных).
Коэффициент мощности
Коэффициент
мощности
показывает,
насколько переменный ток в нагрузке
сдвигается по фазе относительно напряжения
на ней. Численно коэффициент мощности
равен косинусу этого фазового сдвига. cos φ
(где φ — угол сдвига по фазе между током и
напряжением).
Вопросы:
1. Какими преимуществами обладает
переменный ток перед постоянным?
2.Что выражает угол φ?
3.Каково значение φ для цепей с чисто
активным, чисто индуктивным и чисто
емкостным сопротивлениями?
4.Что такое полная мощность?
5. Как можно вычислить на практике cosφ?

Источники питания переменного тока — Gwinstek

Выходной канал
Выходная мощность переменного тока
Выходная мощность постоянного тока
Выходная частота
Диапазон напряжения переменного тока
Диапазон напряжения постоянного тока
Диапазон переменного тока
Диапазон постоянного тока
Фактор силы
Регулировка линейного напряжения
Регулировка напряжения нагрузки
Выход Вкл. / Выкл.
Внутренняя память
Волновое искажение
Частотомер
Измеритель напряжения
Текущий метр
Сил-о-Метр
Измеритель коэффициента мощности
Интерфейс
Отображать
Поддержка программного обеспечения

В чем разница между питанием переменного и постоянного тока?

Электричество В чем разница между питанием переменного и постоянного тока?

19.03.2020 | Обновлено 27.04.2021Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Электроэнергия бывает двух видов — переменного тока (AC) и постоянного тока (DC). Оба они необходимы для функционирования нашей электроники, но знаете ли вы разницу между ними и то, к чему они применяются?

Связанные компании

И переменный, и постоянный ток описывают типы протекания тока в цепи.В постоянном токе (DC) электрический заряд (ток) течет только в одном направлении. Напротив, электрический заряд переменного тока периодически меняет направление.

(Источник: Unsplash)

Что такое мощность переменного тока?

Электропитание переменного тока (AC) — это стандартное электричество, которое выходит из электрических розеток и определяется как поток заряда, который демонстрирует периодическое изменение направления.

Поток переменного тока изменяется с положительного на отрицательный из-за электронов — электрические токи исходят от потока этих электронов, который может двигаться в положительном (вверх) или отрицательном (вниз) направлении.Это известно как синусоидальная волна переменного тока, и эта волна возникает, когда генераторы переменного тока на электростанциях создают мощность переменного тока.

Основной доклад на PCIM Digital Days 2021

Не пропустите ключевой доклад «HVDC Grid Challenges Locks and Opportunities» от Седдика Бача, научного директора программы, SuperGrid Institute, на PCIM Digital Days с 3 по 7 мая 2021 года. вся программа!

Генераторы переменного тока создают мощность переменного тока, закручивая проволочную петлю внутри магнитного поля.Волны переменного тока образуются, когда провод движется в области с разной магнитной полярностью — например, ток меняет направление, когда провод вращается от одного полюса магнитного поля к другому. Это волнообразное движение означает, что мощность переменного тока может распространяться дальше, чем мощность постоянного тока, что является огромным преимуществом, когда речь идет о доставке энергии потребителям через розетки.

Что такое питание постоянного тока?

Электропитание постоянного тока (DC), как можно понять из названия, представляет собой линейный электрический ток — он движется по прямой линии.

Постоянный ток может поступать из нескольких источников, включая батареи, солнечные элементы, топливные элементы и некоторые модифицированные генераторы переменного тока. Электропитание постоянного тока также может быть «получено» из переменного тока с помощью выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный.

Питание постоянного тока

гораздо более стабильно с точки зрения подачи напряжения, а это означает, что большая часть электроники полагается на него и использует источники постоянного тока, такие как батареи. Электронные устройства также могут преобразовывать мощность переменного тока из розеток в мощность постоянного тока с помощью выпрямителя, часто встроенного в источник питания устройства.Трансформатор также будет использоваться для повышения или понижения напряжения до уровня, подходящего для рассматриваемого устройства.

Однако не все электрические устройства используют питание постоянного тока. Многие устройства, особенно бытовые приборы, такие как лампы, стиральные машины и холодильники, используют переменный ток, который подается непосредственно из электросети через розетки.

Зачем нужны два разных типа питания?

Хотя многие современные электронные и электрические устройства предпочитают питание постоянного тока из-за его плавного потока и равномерного напряжения, мы не могли бы обойтись без переменного тока.Оба типа власти важны; один не «лучше» другого.

Фактически, переменный ток доминирует на рынке электроэнергии; все электрические розетки подают питание в здания в виде переменного тока, даже если может потребоваться немедленное преобразование тока в мощность постоянного тока. Это связано с тем, что постоянный ток не способен преодолевать такие же большие расстояния от электростанций до зданий, как переменный ток. Также намного проще генерировать переменный ток, чем постоянный, из-за того, как работают генераторы, и система в целом дешевле в эксплуатации — с переменным током мощность может легко передаваться по национальным сетям через мили и мили проводов и опор.

DC в первую очередь вступает в игру, когда устройству необходимо сохранять энергию в батареях для будущего использования. Смартфоны, ноутбуки, портативные генераторы, фонарики, системы наружных камер видеонаблюдения… вы называете это, все, что работает от батарей, требует хранения постоянного тока. Когда батареи заряжаются от сети, переменный ток преобразуется в постоянный ток выпрямителем и сохраняется в батарее.

Но это не единственный используемый метод зарядки. Если вы когда-либо заряжали свой телефон с помощью блока питания, например, вы используете источник питания постоянного тока, а не переменного тока.В этих ситуациях источникам питания постоянного и постоянного тока может потребоваться изменить выходное напряжение (в данном случае, блок питания) для использования устройства (в данном случае телефона).

Следуйте за нами в LinkedIn

Вам понравилось читать эту статью? Тогда подпишитесь на нас в LinkedIn и будьте в курсе последних событий в отрасли, продуктов и приложений, инструментов и программного обеспечения, а также исследований и разработок.

Следуйте за нами здесь!

(ID: 46408650)

Общие сведения об источниках питания переменного / постоянного тока | Статья

.

СТАТЬЯ ОБРАЗОВАНИЯ

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

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое блок питания?

Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, поступающий от источника питания, такого как сеть, в значения напряжения и тока, необходимые для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.

Цель источника питания — обеспечить нагрузку надлежащим напряжением и током. Ток должен подаваться контролируемым образом — и с точным напряжением — на широкий диапазон нагрузок, иногда одновременно, и все это не позволяет изменениям входного напряжения или других подключенных устройств влиять на выход.

Источник питания может быть внешним, что часто встречается в таких устройствах, как ноутбуки и зарядные устройства для телефонов, или внутренним, например, в более крупных устройствах, таких как настольные компьютеры.

Источник питания может быть регулируемым или нерегулируемым. В регулируемом источнике питания изменения входного напряжения не влияют на выход. С другой стороны, в нерегулируемом источнике питания выходная мощность зависит от любых изменений на входе.

Все источники питания объединяет то, что они берут электроэнергию от источника на входе, каким-то образом преобразуют ее и доставляют в нагрузку на выходе.

Питание на входе и выходе может быть переменным (AC) или постоянным (DC) током:

• Постоянный ток (DC) возникает, когда ток течет в одном постоянном направлении.Обычно он поступает от батарей, солнечных элементов или преобразователей переменного тока в постоянный. Постоянный ток — предпочтительный тип питания для электронных устройств.
• Переменный ток (AC) возникает, когда электрический ток периодически меняет свое направление. Переменный ток — это метод, используемый для подачи электроэнергии по линиям электропередачи в дома и на предприятия

Следовательно, если переменный ток — это тип питания, подаваемого в ваш дом, а постоянный ток — это тип питания, который вам нужен для зарядки телефона, вам понадобится источник питания переменного / постоянного тока для преобразования переменного напряжения, поступающего из электросети к напряжению постоянного тока, необходимому для зарядки аккумулятора вашего мобильного телефона.

Общие сведения об переменном токе (AC)

Первым шагом в разработке любого источника питания является определение входного тока. И в большинстве случаев источником входного напряжения электросети является переменный ток.

Типичная форма волны переменного тока — синусоидальная (см. Рисунок 1) .`

Рисунок 1: Форма сигнала переменного тока и основные параметры

Есть несколько показателей, которые необходимо учитывать при работе с блоком питания переменного тока:

• Пиковое напряжение / ток: максимальное значение амплитуды волны
• Частота: количество циклов, выполняемых волной в секунду.Время, необходимое для завершения одного цикла, называется периодом.
• Среднее напряжение / ток: Среднее значение всех точек напряжения в течение одного цикла. В чисто переменном токе без наложенного постоянного напряжения это значение будет равно нулю, потому что положительная и отрицательная половины компенсируют друг друга.
• Среднеквадратичное напряжение / ток: Определяется как квадратный корень из среднего за один цикл квадрата мгновенного напряжения. В чистой синусоидальной волне переменного тока его значение можно рассчитать с помощью уравнения (1) :
$$ V_ {PEAK} \ over \ sqrt 2 $$
• Он также может быть определен как эквивалентная мощность постоянного тока, необходимая для достижения такого же теплового эффекта.Несмотря на сложное определение, он широко используется в электротехнике, поскольку позволяет найти эффективное значение переменного напряжения или тока. Из-за этого его иногда обозначают как V _AC .
• Фаза: Угловая разница между двумя волнами. Полный цикл синусоидальной волны делится на 360 °, начиная с 0 °, с пиками на 90 ° (положительный пик) и 270 ° (отрицательный пик) и дважды пересекая начальную точку, на 180 ° и 360 °. Если две волны изображены вместе, и одна волна достигает своего положительного пика в то же время, когда другая достигает своего отрицательного пика, тогда первая волна будет под углом 90 °, а вторая волна будет под углом 270 °; это означает, что разность фаз составляет 180 °. Считается, что эти волны находятся в противофазе, так как их значения всегда будут иметь противоположные знаки. Если разность фаз равна 0 °, мы говорим, что две волны находятся в фазе.

Переменный ток (AC) — это способ передачи электроэнергии от генерирующих объектов конечным пользователям. Он используется для транспортировки электроэнергии, потому что в процессе транспортировки электричество необходимо преобразовывать несколько раз.

Электрогенераторы вырабатывают напряжение около 40 000 В или 40 кВ.Затем это напряжение повышается до любого значения от 150 кВ до 800 кВ, чтобы снизить потери мощности при транспортировке электрического тока на большие расстояния. Когда он достигает места назначения, напряжение снижается до 4–35 кВ. Наконец, прежде чем ток достигнет отдельных пользователей, он снижается до 120 или 240 В, в зависимости от местоположения.

Все эти изменения напряжения будут либо сложными, либо очень неэффективными по сравнению с постоянным током (DC), потому что линейные трансформаторы зависят от колебаний напряжения для передачи и преобразования электрической энергии, поэтому они могут работать только с переменным током (AC).

Линейный источник питания переменного / постоянного тока в сравнении с импульсным

Линейный источник питания переменного / постоянного тока

Линейный источник питания переменного / постоянного тока имеет простую конструкцию.

При использовании трансформатора входное напряжение переменного тока (AC) снижается до значения, более подходящего для предполагаемого применения. Затем пониженное напряжение переменного тока выпрямляется и превращается в напряжение постоянного тока (DC), которое фильтруется для дальнейшего улучшения качества формы сигнала (Рисунок 2) .

Рисунок 2: Блок-схема линейного источника переменного / постоянного тока

Традиционная конструкция линейного источника питания переменного / постоянного тока развивалась с годами, улучшаясь с точки зрения эффективности, диапазона мощности и размера, но эта конструкция имеет некоторые существенные недостатки, которые ограничивают ее интеграцию.

Огромным ограничением линейного источника питания переменного / постоянного тока является размер трансформатора. Поскольку входное напряжение преобразуется на входе, необходимый трансформатор должен быть очень большим и, следовательно, очень тяжелым.

На низких частотах (например, 50 Гц) необходимы большие значения индуктивности для передачи большого количества энергии от первичной обмотки ко вторичной. Это требует больших сердечников трансформатора, что делает практически невозможной миниатюризацию этих источников питания.

Еще одним ограничением линейных источников питания переменного / постоянного тока является регулировка напряжения большой мощности.

В линейном блоке питания переменного / постоянного тока используются линейные регуляторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают лишнюю энергию в виде тепла.Для малой мощности особых проблем не представляет. Однако для высокой мощности тепло, которое должен рассеивать регулятор для поддержания постоянного выходного напряжения, очень велико и потребует добавления очень больших радиаторов.

Импульсный источник питания переменного / постоянного тока

Новая методология проектирования была разработана для решения многих проблем, связанных с проектированием линейных или традиционных источников питания переменного / постоянного тока, включая размер трансформатора и регулировку напряжения.

Импульсные источники питания теперь возможны благодаря развитию полупроводниковой технологии, особенно благодаря созданию мощных полевых МОП-транзисторов, которые могут очень быстро и эффективно включаться и выключаться даже при больших напряжениях и токах.

Импульсный источник питания переменного / постоянного тока позволяет создавать более эффективные преобразователи мощности, которые больше не рассеивают избыточную мощность.

Источники питания переменного / постоянного тока

, разработанные с использованием импульсных преобразователей мощности, называются импульсными источниками питания. Импульсные источники питания переменного / постоянного тока имеют несколько более сложный метод преобразования переменного тока в постоянный.

В импульсных источниках питания переменного тока входное напряжение больше не снижается; скорее, он выпрямляется и фильтруется на входе.Затем постоянное напряжение проходит через прерыватель, который преобразует напряжение в серию высокочастотных импульсов. Наконец, волна проходит через другой выпрямитель и фильтр, который преобразует ее обратно в постоянный ток (DC) и устраняет любую оставшуюся составляющую переменного тока (AC), которая может присутствовать до достижения выхода (см. Рисунок 3) .

При работе на высоких частотах катушка индуктивности трансформатора может передавать больше мощности, не достигая насыщения, что означает, что сердечник может становиться все меньше и меньше.Следовательно, трансформатор, используемый для переключения источников питания переменного / постоянного тока для уменьшения амплитуды напряжения до заданного значения, может составлять часть размера трансформатора, необходимого для линейного источника питания переменного / постоянного тока.

Рисунок 3: Блок-схема импульсного источника питания переменного / постоянного тока

Как и следовало ожидать, этот новый метод проектирования имеет некоторые недостатки.

Импульсные преобразователи мощности переменного / постоянного тока могут создавать в системе значительный уровень шума, который необходимо устранить, чтобы исключить его на выходе.Это создает потребность в более сложных схемах управления, что, в свою очередь, усложняет конструкцию. Тем не менее, эти фильтры состоят из компонентов, которые можно легко интегрировать, поэтому они не оказывают существенного влияния на размер блока питания.

Меньшие трансформаторы и повышенная эффективность регуляторов напряжения в импульсных источниках питания переменного / постоянного тока — вот причина, по которой теперь мы можем преобразовывать напряжение переменного тока 220 В ¬RMS в напряжение 5 В постоянного тока с помощью преобразователя питания, который может поместиться в ладони.

Таблица 1 суммирует различия между линейными и импульсными источниками питания переменного / постоянного тока.

Транзисторы

	Линейный источник питания переменного / постоянного тока	Импульсный источник питания переменного / постоянного тока
Размер и вес	Необходимы большие трансформаторы, что значительно увеличивает размер и вес	Более высокие частоты позволяют при необходимости использовать трансформаторы гораздо меньшего размера.
КПД	Если не регулировать, потери в трансформаторе являются единственной существенной причиной потери эффективности.В случае регулирования приложения с большой мощностью будут иметь решающее влияние на эффективность.	обладают небольшими коммутационными потерями, поскольку действуют как малые сопротивления. Это позволяет использовать эффективных мощных приложений .
Шум	Нерегулируемые источники питания могут иметь значительный шум, вызванный пульсациями напряжения, но регулируемые линейные источники питания постоянного тока переменного тока могут иметь чрезвычайно низкий уровень шума. Вот почему они используются в медицинских приложениях.	Когда транзисторы переключаются очень быстро, они создают шум в цепи. Однако это можно либо отфильтровать, либо частоту переключения можно сделать чрезвычайно высокой, выше предела человеческого слуха, для аудиоприложений
Сложность	Линейный источник питания переменного / постоянного тока, как правило, имеет меньше компонентов и более простые схемы, чем импульсный источник питания переменного / постоянного тока.	Дополнительный шум, создаваемый трансформаторами, вынуждает добавлять большие сложные фильтры, а также схемы управления и регулирования для преобразователей.

Таблица 1: Линейные и импульсные источники питания

Сравнение однофазных и трехфазных источников питания

Источник питания переменного тока может быть однофазным или трехфазным:

• Трехфазный источник питания состоит из трех проводников, называемых линиями, каждая из которых передает переменный ток (AC) той же частоты и амплитуды напряжения, но с относительной разностью фаз 120 °, или одной трети цикл (см. рисунок 4) .Эти системы являются наиболее эффективными при передаче большого количества энергии и поэтому используются для доставки электроэнергии от генерирующих объектов в дома и на предприятия по всему миру.
• Однофазный источник питания является предпочтительным методом подачи тока в отдельные дома или офисы, чтобы равномерно распределять нагрузку между линиями. В этом случае ток течет от линии питания через нагрузку, а затем обратно через нейтральный провод. Это тип питания, который используется в большинстве установок, за исключением крупных промышленных или коммерческих зданий.Однофазные системы не могут передавать столько энергии на нагрузку и более подвержены сбоям питания, но однофазное питание также позволяет использовать гораздо более простые сети и устройства.

Рисунок 4: Форма кривой переменного тока трехфазного источника питания

Есть две конфигурации для передачи энергии через трехфазный источник питания: конфигурация треугольника $ (\ Delta) $ и конфигурация звезды (Y), также называемые конфигурациями треугольника и звезды, соответственно.

Основное различие между этими двумя конфигурациями заключается в возможности добавления нейтрального провода (см. Рисунок 5) .

Соединения

Delta обеспечивают большую надежность, но соединения Y могут подавать два разных напряжения: фазное напряжение, которое является однофазным напряжением, подаваемым в дома, и линейное напряжение для питания больших нагрузок. Соотношение между фазным напряжением (или фазным током) и линейным напряжением (или линейным током) в конфигурации Y заключается в том, что амплитуда линейного напряжения (или тока) в √3 раз больше, чем амплитуда фазы.

Поскольку стандартная система распределения электроэнергии должна обеспечивать питанием как трехфазные, так и однофазные системы, большинство сетей распределения электроэнергии имеют три линии и нейтраль.Таким образом, и дома, и промышленное оборудование могут быть снабжены одной и той же линией электропередачи. Поэтому конфигурация Y наиболее часто используется для распределения мощности, тогда как конфигурация треугольника обычно используется для питания трехфазных нагрузок, таких как большие электродвигатели.

Рисунок 5: Трехфазные конфигурации Y и треугольника

Напряжение, при котором электросеть поставляет однофазную электроэнергию своим пользователям, имеет различные значения в зависимости от географического положения.Вот почему очень важно проверить диапазон входного напряжения источника питания перед его покупкой или использованием, чтобы убедиться, что он предназначен для работы в электросети вашей страны. В противном случае вы можете повредить блок питания или подключенное к нему устройство.

В таблице 2 сравниваются напряжения в сетях в разных регионах мира.

RMS (AC) Напряжение	Пиковое напряжение	Частота	Регион
230 В	310 В	50 Гц	Европа, Африка, Азия, Австралия, Новая Зеландия и Южная Америка
120 В	170V	60 Гц	Северная Америка
100 В	141В	50 Гц / 60 Гц	Япония *

* Япония имеет две частоты в национальной сети из-за того, что она была электрифицирована в конце 19 века.В западном городе Осака поставщики электроэнергии купили генераторы 60 Гц в Соединенных Штатах, а в Токио, который находится на востоке Японии, они купили немецкие генераторы 50 Гц. Обе стороны отказались изменить свою частоту, и по сей день Япония все еще имеет две частоты: 50 Гц на востоке и 60 Гц на западе.

Как упоминалось ранее, трехфазное питание используется не только для транспортировки, но также для питания больших нагрузок, таких как электродвигатели или зарядки больших аккумуляторов. Это связано с тем, что параллельное приложение мощности в трехфазных системах может передавать гораздо больше энергии нагрузке и может делать это более равномерно из-за перекрытия трех фаз (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Передача энергии в однофазной (слева) и трехфазной (справа) системах

Например, при зарядке электромобиля (EV) количество энергии, которое вы можете передать аккумулятору, определяет, насколько быстро он заряжается.

Однофазные зарядные устройства подключаются к сети переменного тока (AC) и преобразуются в постоянный ток (DC) внутренним силовым преобразователем переменного / постоянного тока автомобиля (также называемым бортовым зарядным устройством). Мощность этих зарядных устройств ограничена сетью и розеткой переменного тока.

Ограничение варьируется от страны к стране, но обычно составляет менее 7 кВт для розетки на 32 А (в ЕС 220 x 32 А = 7 кВт). С другой стороны, трехфазные источники питания преобразуют мощность из переменного в постоянный извне и могут передавать более 120 кВт на батарею, обеспечивая сверхбыструю зарядку.

Сводка

Источники питания переменного / постоянного тока есть везде. Основная задача источника питания переменного / постоянного тока — преобразовывать переменный ток (AC) в стабильное постоянное напряжение (DC), которое затем может использоваться для питания различных электрических устройств.

Переменный ток используется для транспортировки электроэнергии по всей электрической сети от генераторов до конечных пользователей. Цепь переменного тока (AC) может быть сконфигурирована как однофазная или трехфазная система. Однофазные системы проще и могут обеспечивать мощность, достаточную для питания всего дома, но трехфазные системы могут обеспечивать гораздо больше мощности более стабильным образом, поэтому они часто используются для питания промышленных приложений.

Разработка эффективных источников питания переменного / постоянного тока — непростая задача, поскольку современные рынки требуют мощных, чрезвычайно эффективных и миниатюрных источников питания, способных поддерживать эффективность в широком диапазоне нагрузок.

Способы проектирования источников питания переменного / постоянного тока со временем изменились. Линейные источники питания переменного / постоянного тока ограничены по размеру и эффективности, поскольку они работают на низких частотах и ​​регулируют выходную температуру, рассеивая избыточную энергию в виде тепла. Напротив, импульсные источники питания стали чрезвычайно популярными, поскольку в них используются импульсные регуляторы для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные блоки питания работают на более высоких частотах и ​​преобразуют электроэнергию намного эффективнее, чем предыдущие разработки, что позволило создавать мощные блоки питания переменного / постоянного тока размером с ладонь.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Статьи по теме

Чему о синхронных выпрямителях не говорят в школе — Избранные темы из реальных проектов

AC Power: что это такое?

Мощность переменного тока относится к Мощность переменного тока и относится к электрической мощности , протекающей в переменном направлении.

Что такое электроэнергия?

Мощность можно определить как уровень энергии, потребляемой в единицу времени. Единица измерения мощности — Вт, , в честь известного ученого восемнадцатого века, Джеймса Ватта , который изобрел паровой двигатель. В механических системах мощность известна как , механическая мощность и представляет собой комбинацию сил и движения. В электрических системах электрическая мощность — это скорость потока электрической энергии через заданную точку в замкнутой цепи.Для наших приложений мы будем рассматривать только , электрическая мощность .

В чем разница между переменным и постоянным током?

Электроэнергия может быть классифицирована как мощность переменного тока или мощность постоянного тока (DC) в зависимости от направления потока энергии. Мощность, возникающая в результате протекания тока в переменном направлении, называется мощностью переменного тока, а мощность, возникающая в результате протекания тока только в одном направлении, называется мощностью постоянного тока . Солнечные панели генерируют мощность постоянного тока, и обычно мощность преобразуется в мощность переменного тока с использованием инвертора .

Как выглядит форма кривой переменного тока?

В цепях переменного тока поток электрического заряда (или, другими словами, электронов) периодически меняет свое направление. Чистый поток заряда — это произведенный электрический ток. Типичная форма волны переменного тока — это чистая синусоида , как показано на рисунке ниже.

AC Power (зеленая кривая).Источник: Wikipedia.org

Этот вид энергии чаще всего доставляется бытовым и промышленным потребителям по линиям электропередачи . Он чрезвычайно универсален, потому что уровень напряжения переменного тока можно легко изменить, установив трансформатор для удовлетворения различных потребностей передачи.

Частота

Период времени, в течение которого электрический заряд движется в обоих направлениях, называется полным циклом . Но этот процесс движения вперед и назад происходит очень и очень быстро.Электрический ток способен совершить множество циклов за одну секунду. Единица измерения электрического цикла — Гц (Гц), , а количество циклов, которые ток завершает за секунду, называется частотой тока. Типичная частота в странах Северной Америки — 60 Гц, , что означает, что ток завершает 60 циклов за одну секунду. В Европе и многих других странах стандарт 50 Гц .

Преимущества переменного тока

Одной из причин использования переменного тока в таком широком масштабе является его гибкость .Уровень напряжения сети переменного тока очень легко изменить с помощью трансформатора. Электроэнергия, передаваемая на более высоком уровне напряжения, имеет значительно более низкие потери . При любом постоянном токе передаваемая мощность прямо пропорциональна уровню напряжения. Это означает, что такое же количество мощности может быть передано с меньшим током за счет увеличения напряжения. Потери прямо пропорциональны квадрату тока, поэтому, когда текущий ток ниже, потери в линиях передачи меньше.Это причина того, почему электричество передается очень экономичным способом от электростанций в наши дома на большие расстояния при высоком или сверхвысоком уровне напряжения.

Солнечные панели с микро-инверторами Источник: solarpwr.cn

Электроэнергия переменного тока и солнечная промышленность

Переменный ток — это форма электричества, которым снабжаются предприятия и домашние хозяйства, поэтому мощность постоянного тока солнечной панели должна быть преобразована в полезную мощность переменного тока с помощью солнечного инвертора. Так называемые солнечные панели переменного тока или панели plug-and-play являются недавней тенденцией в отрасли и в основном представляют собой солнечные панели постоянного тока со встроенными микроинверторами . Технические преимущества микроинверторов, хотя и не получившие широкого распространения, представляют серьезную угрозу для классических струнных и центральных инверторов. Преимущество этих солнечных панелей переменного тока заключается в их гибкости в установке, обращении и простоте замены в случае неисправности.

CAB-AC Совместимость с Cisco | 5-15P — C13 шнур питания переменного тока | 18 AWG | 6 футов

Совместимые с Cisco кабели питания CAB-AC — 6 футов, черные, разъемы 5-15P — C13.Поставляется с пожизненной гарантией!

1,99 долл. США

Состояние: Новое Вернуться наверх

CAB-AC шнур питания переменного тока | 5-15P до C13 | Совместимость с Cisco | 18 AWG | 6 футов | Черный

Кабель питания CAB-AC, совместимый с Cisco. Шнуры питания обычно используются для подключения оборудования к блоку распределения питания и для многих других целей. Независимо от того, используются ли шнуры для основной или плотной инстилляции, эти шнуры питания для тяжелых условий эксплуатации экономят время и деньги.

Конец оборудования:

C13 или IEC60320-C13 — это трехконтактный гнездовой разъем, обычно используемый на концах кабелей питания компьютеров и сетевых устройств. Это, вероятно, самый распространенный оконечный шнур для оборудования, доступный сегодня. Эта вилка имеет максимальный номинальный ток 10 ампер при 18AWG и может выдерживать максимум 250 вольт. Эти концы подключаются к C14 или IEC60320-C14.

Конец поставки:

5-15P или NEMA 5-15P — это вилки с тремя штыревыми контактами, которые используются в большинстве домашних хозяйств и предприятий в Северной Америке для подачи питания на устройства.Эти вилки рассчитаны на 15 А для шнура 18AWG и до 125 В переменного тока. Гнездо этой вилки — 5-15R.

Разъемы	NEMA 5-15P согласно IEC60320 C13
Рейтинг / калибр	18 AWG
Окончание	от мужчины к женщине
Сила тока и напряжение	10-15А, 125В
Совместимость	Cisco

Тип шнура	SVT (сервисный вакуумный термопласт)
Зарегистрировано в UL / cUL	Есть
Утверждено CSA	Есть
Соответствует RoHS	Есть

Приложений:

• Устройство для питания переменного тока

Вернуться наверх

Модель #:	CAB-AC
Наличие:	36,407 в наличии
Корабли:	Понедельник
Доступное дополнительное количество: Доставка в течение 7 дней
Гарантия:	Пожизненная гарантия
Состояние:	Новый
Вес:	0.37 фунтов
Длина	6 футов
Цвет	Черный
Разъем 1	5-15П
Разъем 2	C13
Страна	США
Рейтинг	10 А / 125 В
Разъемы	5-15П — C13
AWG	18 AWG
Куртка	СВТ
Зарегистрировано в UL	Есть
Соответствует RoHS	Есть
Конец поставки	NEMA 5-15P
Конец оборудования	IEC-60320-C13
Марка	Кабели и комплекты

Кабель питания переменного тока CAB-AC — США, совместим с Cisco, 6 футов, черный	$ 1.99

Вернуться наверх Awesome ГАРАНТИРОВАНО.

Покупка без риска, возврат без проблем. УДИВИТЕЛЬНЫЙ ГАРАНТИРОВАНО

После получения заказа потратьте целый месяц на то, чтобы опробовать его. Если вы решите, что это вам не подходит, или если вы не полностью удовлетворены во всех отношениях — если это не УДИВИТЕЛЬНО, мы вернем вам деньги. Ваше полное удовлетворение ГАРАНТИРУЕТСЯ или ваши деньги возвращаются.Это потрясающе.

Потрясающее, которое никогда не заканчивается.

На все, что вы покупаете в CablesAndKits, распространяется ПОЖИЗНЕННАЯ гарантия, включая пожизненную гарантию предварительной замены. УДИВИТЕЛЬНОЕ никогда не заканчивается.

Мы понимаем, что в случае неисправности продукта или выхода его из строя длительные простои невозможны. Если у вас возникнет неисправность или сбой в работе продукта на любом этапе вашего владения, мы отправим вам замену в тот же день, когда вы сообщите о проблеме.Если потребуется, мы даже ускорим доставку, указав дату и время доставки, соответствующие вашим потребностям. Это потрясающе.

Применяются правила и условия

. Щелкните здесь, чтобы узнать подробности.

Клиенты, купившие этот товар, также приобрели:

В настоящее время на складе имеется 36,407 этого продукта (номер детали CAB-AC), готовые к отправке со склада в Бьюфорде, штат Джорджия. Подсчет запасов, отраженный для каждого из наших продуктов, представляет собой числа в режиме реального времени.Мы прилагаем все усилия, чтобы поддерживать эти цифры как можно более актуальными, чтобы быть уверенными, что у нас есть количество в наличии и доступно для удовлетворения потребностей наших клиентов. Очень редко отраженное здесь количество товара на складе бывает неточным.

Когда для продукта указана будущая дата отгрузки, это означает одно из двух. 1. Если товар есть в наличии, это означает, что срок доставки истек, и мы отправим товар на следующий рабочий день. 2. Если товара нет на складе или он помечен как «Доступен», это означает, что мы закажем этот товар, когда получим ваш заказ, и отправим его в кратчайшие сроки.Отображаемая дата является довольно точной оценкой того, когда ваш заказ будет отправлен, если вы разместите его сегодня. Обычно мы выполняем все расчетные даты отгрузки или превышаем их.

Если вам нужно точно знать, когда вы можете ожидать получения этого предмета, или если он вам нужен раньше, чем дата, указанная на веб-сайте, позвоните нам; иногда есть другие варианты для более быстрой доставки товаров (например, доставка напрямую от нашего поставщика, предложение альтернативного товара и т. д.).

Когда элемент запрашивает, что вы звоните, чтобы проверить доступность, это обычно означает, что у нас нет источника для этого элемента, который является 100% надежным.Это не значит, что мы не сможем быстро получить этот предмет; это просто означает, что мы недостаточно уверены, чтобы сказать это с полной уверенностью здесь, на сайте. (Если бы мы почувствовали, что вообще не можем найти предмет, его бы даже не перечислили на веб-сайте). Поэтому мы просто просим вас позвонить нам, связаться с нами по электронной почте или в режиме реального времени, чтобы проверить наличие этого товара. Обычно мы можем получить ответ довольно быстро. Или, возможно, у нас есть альтернативный товар, который мы можем отправить прямо сейчас.Мы будем рады возможности помочь вам с вашими потребностями и с нетерпением ждем вашего ответа.

На этот продукт (номер детали CAB-AC) распространяется наша БЕСПЛАТНАЯ стандартная доставка. Если общая сумма вашего заказа превышает 250 долларов и состоит из товаров, которые соответствуют требованиям для бесплатной стандартной доставки, вы получите бесплатную доставку заказа или этих товаров. По сути, некоторые товары в нашем магазине не могут претендовать на бесплатную доставку из-за размера или веса, и это не один из них! Как всегда, вы также можете бесплатно перейти на другие способы доставки, включая наземную и экспресс-доставку, чтобы получить этот товар уже в 10 часов утра следующего рабочего дня.

Покупка без риска, возврат без проблем. УДИВИТЕЛЬНЫЙ ГАРАНТИРУЕТСЯ.

После получения заказа потратьте целый месяц на то, чтобы опробовать его. Если вы решите, что это вам не подходит, или если вы не полностью удовлетворены во всех отношениях — если это не УДИВИТЕЛЬНО, мы вернем вам деньги. Ваше полное удовлетворение ГАРАНТИРУЕТСЯ или ваши деньги возвращаются. Это потрясающе.

Применяются правила и условия

. Щелкните здесь, чтобы узнать подробности.

На все, что вы покупаете в CablesAndKits, распространяется ПОЖИЗНЕННАЯ гарантия, включая пожизненную гарантию предварительной замены.

Мы понимаем, что в случае неисправности продукта или выхода его из строя длительные простои невозможны. Если у вас возникнет неисправность или сбой в работе продукта на любом этапе вашего владения, мы отправим вам замену в тот же день, когда вы сообщите о проблеме. Мы даже можем ускорить доставку, если потребуется, постараясь указать дату и время доставки, которые соответствуют вашим потребностям.

Чтобы ознакомиться с полными положениями и условиями, нажмите здесь

Факторы при выборе программируемых источников питания переменного тока

Многие приложения для электрических испытаний требуют стабильного источника питания.Вместо того, чтобы иметь индивидуальный дизайн для каждого приложения, программируемый источник питания (PPS) позволяет пользователям регулировать выходную частоту (F), напряжение (V) или ток (I) в соответствии с требованиями тестирования.

Существуют различные подходы к проектированию для преобразования источника электрической энергии в источник, который программируется для F, V или I. Традиционно люди использовали двигатели-генераторы для преобразования частоты и переменные трансформаторы для изменения напряжения. Но твердотельные конструкции набирают обороты.Некоторые программируемые блоки питания основаны на трансформаторе, а другие — бестрансформаторные. Какой подход лучше? И какую роль в разработке PPS играет соответствие стандартам в отношении качества и производительности продукта? В этой статье представлен обзор принципов проектирования и выбора PPS для различных приложений.

Рис. 1. Твердотельный источник питания переменного тока может использоваться для преобразования нерегулируемых источников питания из коммунальной сети в стабильный выходной переменный ток с регулируемыми напряжениями и частотами.(щелкните, чтобы открыть увеличенную версию)

Определения технических терминов:

• Чистый источник энергии : источник электроэнергии, преобразованный из системы электросетей в стабильную чистую энергию. Если в системе электросети есть шум или колебания напряжения или частоты, источник питания будет выпрямляться с переменного на постоянный и перестраиваться в форму переменного или постоянного тока с регулируемым и малошумным выходом.
• Программируемый источник питания (PPS) : функция PPS заключается в преобразовании входной электрической мощности в стабильный, фильтрованный источник переменного или постоянного тока для удовлетворения конкретных требований нагрузочного или испытательного оборудования.PPS можно использовать для настройки шагов с напряжением, частотой или продолжительностью и автоматического выполнения шагов. Его также можно подключить к удаленному ПК через такие интерфейсы, как RS232, Ethernet, GPIB, USB или RS485.

Рекомендации и рекомендации по выбору

Аэрокосмическая / оборонная промышленность и промышленность

Как правило, аэрокосмические и оборонные приложения предъявляют более высокие требования, чем требования промышленного дизайна.Следовательно, конструкции PPS, основанные на готовых к продаже компонентах (COTS), требуют высокого среднего времени наработки на отказ (MTBF) и соответствия военным стандартам. Частоты PPS в аэрокосмической и оборонной промышленности обычно попадают в диапазон 400 Гц, а не в диапазон 50 Гц / 60 Гц, используемый в промышленных приложениях. Но использование 400 Гц переменного тока с 28 В постоянного тока также меняется. Некоторое аэрокосмическое / оборонное оборудование использует до 800 Гц переменного тока и 270 В постоянного тока.

Размеры, вес и мощность (SWaP) также влияют на всю конструкцию.Особенно для аэрокосмических и оборонных платформ критически важно, чтобы PPS был как можно меньше и легче. Однако высокопроизводительные варианты использования обычно требуют более сложной конструкции и / или компонентов большего размера. Поэтому создание продуктов, оптимизированных как для требований SWaP, так и с учетом общих затрат, является постоянной проблемой.

Производители космической и оборонной промышленности предъявляют очень жесткие требования к оборудованию, такому как радио, радары и другие приемники связи, которые могут одновременно использоваться в одной и той же среде.Следовательно, важно, чтобы все оборудование соответствовало проектным спецификациям и электрометрическим параметрам. Крайне важно гарантировать, что оборудование не будет повреждено электрическим шумом, вызванным всплесками шума. В то же время необходимо убедиться, что PPS не будет вызывать избыточных электромагнитных помех (EMI) для оборудования, которое находится в той же среде, что и другое тестируемое оборудование.

Оборонные приложения, в большей степени, чем промышленные, требуют электрической или гальванической развязки.Один из источников электрического шума — контуры заземления. Чтобы избежать контуров заземления, необходимо использовать изолирующий трансформатор, чтобы остановить контур заземления от входа до выхода на тестируемом оборудовании. Вот как это работает. Когда два устройства подключены, они могут иметь разный потенциал земли или токи (обычно называемые паразитными токами), вызванные источником питания переменного тока. Блуждающие токи могут время от времени повредить устройство. Используя изолирующие трансформаторы, можно добиться гальванической развязки и избежать проблем.

Преобразование частоты вращения в статическое

В промышленной категории приложения можно разделить на использование в исследовательских лабораториях, автоматическое испытательное оборудование (ATE), испытательные лаборатории и другие. Часто каждому из них требуется выходная мощность переменного тока с разными, но стабильными частотами (25, 50, 60, 100 и 400 Гц). При наличии одного фиксированного источника питания переменного тока для этого необходимо выполнить преобразование.

Существует два различных конструктивных подхода к преобразованию частоты, а именно преобразование частоты вращения и преобразование статической частоты.Преобразование частоты вращения также известно как преобразование набора двигателя-генератора (M-G). В этом подходе двигатель и генератор прикреплены к одному валу. Комплект M-G получает электричество от источника питания. Двигатель преобразует энергию в механическую форму, чтобы включить генератор, который, в свою очередь, преобразует энергию в конечную электрическую энергию. После этого электромеханического-электрического преобразования конечным выходом будут желаемое напряжение и частота. Преобразование включает несколько форм:

• Переменный ток в переменный (с другой частотой)
• Переменный ток в переменный (фиксированный для выхода регулируемого и / или переменного напряжения)
• переменного тока в постоянный (используйте двигатель переменного тока и генератор постоянного тока)
• DC в AC (используйте двигатель постоянного тока и генератор переменного тока)

С другой стороны, статическое преобразование частоты использует твердотельные компоненты без каких-либо двигателей или генераторов.Этот тип испытательного оборудования называется либо статическим, либо твердотельным преобразователем частоты (SSFC), но они представляют собой испытательное оборудование того же типа. Система на основе SSFC сначала преобразует входной переменный ток в постоянный, а затем снова преобразует его в переменный ток, используя популярную технологию биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Результатом являются скорректированные частоты и напряжения, требуемые нагрузками устройства.

Традиционно набор M-G был предпочтительным решением до появления твердотельных растворов.Технология IGBT была впервые представлена ​​в 1980 году и является ключевой частью твердотельного решения. Но использование IGBT потребовало дорогостоящих первоначальных вложений и сопряжено с техническими проблемами. По мере развития БТИЗ статическое преобразование частоты начало получать признание. Из-за множества преимуществ статических решений по сравнению с вращающимися, все больше и больше приложений используется с источниками питания, в которых используется статическая конструкция.

Как работает IGBT? Это твердотельное устройство, которое использует МОП-затвор обычного силового устройства и сочетает его с минимальными потерями проводимости и идеально подходит для приложений с высоким током и напряжением.Он улучшает конструкцию силовых схем за счет создания N-канального силового МОП-транзистора с подложкой p-типа. В результате PPS на базе IGBT оказался очень эффективным. Поскольку твердотельные компоненты намного меньше и более эффективны, чем продукты типа мотор-генератор, общие затраты, включая капитальные вложения, размер и вес, были уменьшены. Кроме того, в статической конструкции нет движущихся частей, уровень шума намного ниже, и не требуется регулярный осмотр или замена подшипников, используемых в двигателях, что еще больше снижает затраты на техническое обслуживание.

Возможно, наиболее важным является воздействие на окружающую среду. Твердотельные IGBT PPS не загрязняют окружающую среду. В некоторых сельских районах, где дизельное топливо используется для выработки необходимых частот и напряжения, более экономично проложить силовой кабель к статическим источникам питания. Статическое решение с использованием технологии IGBT преодолевает недостатки, связанные с обычными роторными решениями.

Подводя итог, можно отметить следующие преимущества статического преобразования частоты:

• Снижение электрического шума, вызываемого двигателем и генератором (комплект M-G)
• Повышенная стабильность выходной частоты
• Больше подходит для удаленного мониторинга и управления
• Снижение затрат на техническое обслуживание: роторный агрегат M-G требует регулярной замены подшипников и ремней, в то время как статическое преобразование частоты требует только чистящих вентиляторов.
• Повышение общей эффективности системы

Преимущества преобразования статического напряжения включают:

• Предотвращает попадание гармонических шумов на конец электрической нагрузки
• Более быстрое время отклика для регулировки напряжения: поворотному набору M-G требуется больше времени для изменения числа оборотов.
• Гораздо лучшее регулирование и управление мощностью
• Снижение затрат на техническое обслуживание, аналогично тому, как описано выше: вращающийся комплект M-G требует регулярной замены подшипников и ремней, в то время как статический требует только чистки вентиляторов.

Наконец, если электрические нагрузки нуждаются в одновременной регулировке частоты и напряжения, использование поворотного подхода потребует от M-G набора и дополнительного регулируемого трансформатора, что увеличивает затраты. Статический подход может обеспечить 47 ~ 63 Гц для промышленного использования и 400 Гц / 800 Гц для использования в военных целях с напряжением 0 ~ 300 В.

PPS с конструкцией выходного трансформатора и без него

Проектирование PPS требует компромиссов при рассмотрении конструкций, которые включают выходной трансформатор, и тех, которые не включают.В случае PPS, спроектированного без выходного трансформатора, источник питания может обеспечить более широкий частотный диапазон и большее количество функций при испытании помех в линии питания (например, испытание переходных процессов или испытание смещения постоянного тока и т. Д.). , устройства могут быть повреждены в случае неисправности тестового блока или если обратный ток возвращается к источникам питания.

Важно отметить, что в некоторых приложениях должны быть трансформаторы, поскольку изоляция имеет решающее значение при тестировании оборудования, такого как холодильники, двигатели, компрессоры и кондиционеры.Программируемые источники питания, которые включают выходной трансформатор, также подходят для различных требований к диапазону выходного напряжения (например, 0-690VL-L или 0-400VL-N), поскольку они могут регулировать выход на втором конце трансформатора.

В целом, конструкция PPS, включающая выходной трансформатор, более устойчива к индуктивной нагрузке, в то время как модели без выходного трансформатора более точно соответствуют требованиям испытаний на переходные процессы, приложений с более широким диапазоном частот или испытаний на гармоники.

Рисунок 2: Пример программируемого источника питания с выходным трансформатором со статическим преобразованием частоты.

В таблице 1 сравниваются программируемые источники питания (PPS), которые включают выходной трансформатор, с теми, в которых его нет.

Характеристики программируемого источника питания	с выходным трансформатором, разработанный PPS	Без выходного трансформатора Разработано PP
Размер	Больше	Меньший
Вес	Тяжелее Пример: модель AFC-11005 (5 кВА) весит 89 кг	Зажигалка Пример: модель AFV-P-5000 (5 кВА) весит 61 кг
Выходное напряжение	Более широкий диапазон от 0 до 600 В переменного тока или 1000 В переменного тока	Диапазон пределов инвертора от 0 до 310 В переменного тока
Выходная частота	Трансформатор ограничивает частотный диапазон до 45 ~ 65 Гц.Или фиксировано 400 Гц.	Расширенный диапазон частот от DC ~ 2 кГц
Переходная характеристика выхода	Медленнее. Обычно 2 миллисекунды	Быстрее. Обычно 0,3 миллисекунды
Искажение формы выходного сигнала	1%	Лучше на 0,3%
Искажение стабильности выходного напряжения	1%	Лучше на 0,2%
Выход постоянного тока	Не доступен	Доступный выход включает постоянный или переменный ток + постоянный ток
Генерация сигналов произвольной формы	Не доступен	Доступен для проверки гармоник и переходных процессов
Мгновенный ответ на запуск	Среднее	Быстрее.Может выдерживать пусковой ток в 4,5 раза
Целевые испытания	Испытания под индуктивной нагрузкой: двигатель, компрессор, функциональные испытания, производственные испытания, приработка, лабораторные испытания, источники питания и т. Д.	Включает дополнительные области, помимо индуктивных нагрузок: нагрузку выпрямителя и тесты компонентов, таких как коммутируемая мощность, аккумулятор, конденсаторы и другие.
Приложения	Завод, лаборатория, испытательная камера EMI, машина и на лодках.	Более широкий ассортимент с дополнительными приложениями в исследованиях и разработках, тестах ATE и QA.

Таблица 1: Сравнение программируемых источников питания с выходными трансформаторами и без них

Важность соответствия стандартам

Помимо списка UL в отношении безопасности продукции, другими соответствующими стандартами являются IEC 61000-4-11 (от Международной электротехнической комиссии) и MIL-STD-704. Соответствие стандартам гарантирует качество продукции и характеристики, указанные в спецификации.Без таких ссылок будет труднее выбрать и оценить PPS с хорошим качеством электроэнергии и производительностью. Поэтому настоятельно рекомендуется выбирать PPS с таким соответствием.

(Для пояснения существует еще один стандарт EN 61000-4-11, выпущенный CENELEC, Европейским комитетом по стандартизации в области электротехники, который признан Европейской комиссией. Технические части этих двух спецификаций идентичны.)

IEC 61000-4-11 — это международный стандарт, который определяет набор методов тестирования, применяемых к оборудованию переменного тока 50/60 Гц, включая источники питания переменного / постоянного тока с входным током, не превышающим 16 А на фазу.(Ожидается, что испытания, относящиеся к 400 Гц, будут рассмотрены в будущей редакции стандарта.) Эти испытания охватывают параметры, относящиеся к провалам, прерываниям и колебаниям напряжения. PPS, соответствующий IEC 61000-4-11, сможет противостоять этим провалам, прерываниям и колебаниям напряжения. Другие требования включают определение пусковых токов. PPS должен обеспечивать пусковые токи до 500 А для 220 В / 240 В и 250 А для 110 В / 120 В соответственно.

MIL-STD-704 — это военный стандарт, разработанный Министерством обороны, чтобы гарантировать, что бортовое военное оборудование будет хорошо работать с PPS, совместимым со стандартом MIL.Хотя большинство людей называют MIL-STD-704 стандартом, это справочное руководство, в котором излагаются ожидания пользователей. Однако большинство производителей PPS будут следовать спецификации, чтобы обеспечить ожидаемые результаты.

Подобно спецификации IEC, 33-страничный документ MIL-STD-704 предоставляет подробную информацию, касающуюся режима выходной мощности. В документации MIL представлены рекомендуемые значения и формы колебаний переменного тока выходной мощности в установившемся и переходном режиме. Характеристики установившегося режима включают в себя установившееся напряжение, несимметрию напряжения, модуляцию, разность фаз и искажения, частоту установившегося режима и частотную модуляцию.Переходные характеристики включают пиковое напряжение, переходное напряжение и переходное напряжение частоты.

Ожидается, что PPS большую часть времени будет нормально работать. Когда есть условия, при которых выходная мощность находится в переходной стадии и ведет себя ненормально, будь то повышенное или пониженное напряжение, устройство бортовой системы не должно быть повреждено.

Резюме и выводы

В этой статье обсуждались рекомендации по выбору программируемого источника питания (PPS).Они включают вращательное преобразование частоты в статическое, преобразование частоты на основе трансформатора или без преобразования, а также важность соответствия стандартам. Для достижения одной и той же цели доступны два типа преобразования частоты. Обычным решением является преобразование частоты вращения. Статический метод, основанный на технологии биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), имеет много преимуществ по сравнению с традиционным ротационным методом, например, более низкие общие затраты, включая капитальные вложения и затраты на обслуживание.Продукция меньше по размеру и весу. Это «зеленый», не влияющий на окружающую среду. Несмотря на то, что IGBT существует уже много лет, пришлось преодолеть множество технических препятствий, чтобы сделать его жизнеспособным.

Теперь, когда технология развивается, статическое преобразование частоты с использованием твердотельных компонентов будет предпочтительной технологией. Выбор PPS с выходным трансформатором или без него будет зависеть от приложения. Трансформаторы обеспечивают согласование импеданса и изоляцию.Хотя он безопаснее, он больше по размеру и в целом дороже. Бестрансформаторный PPS, с другой стороны, меньше по размеру и дешевле, но ограничен по току. Наконец, были обсуждены два соответствующих стандарта, включая IEC-6100-4-11 и MIL-STD-704. PPS, соответствующие этим стандартам, будут обеспечивать измеримое качество электроэнергии и производительность и настоятельно рекомендуется.

Дэниел Ценг , менеджер по продукции Preen AC Power Corporation, отвечает за глобальную стратегию и маркетинг продукции, контролируя программируемые источники питания переменного и постоянного тока, преобразователи частоты и решения для автоматического тестирования.Область знаний г-на Цзэна включает приложения для программируемых источников питания для исследований и разработок, производства и автомобильных проверочных испытаний. С ним можно связаться по адресу [email protected]

.

Билл Дауд , региональный менеджер по продажамPreen AC Power Corporation, имеет более чем 30-летний опыт работы в отрасли электроснабжения. Он помог многим производителям с их требованиями к источникам питания. Он отвечает за продажи в западном регионе в Ирвине, Калифорния, и с ним можно связаться по счету[email protected]

Питание в цепях переменного тока — Electronics-Lab.com

Введение

Как общее понятие, мощность описывает скорость, с которой определенное количество энергии выделяется / передается системой. Эта энергия может иметь разные формы: кинетическую, магнитную, электрическую и т. Д.

Таким образом, в любой области мощность выражается как количество энергии в единицу времени. Международная единица измерения мощности — Дж / сек (Дж / с), которая также известна как Вт (Вт).

В электричестве мощность определяется произведением сигналов напряжения и тока. Гидравлическая аналогия обычно используется для лучшего понимания концепции и выявления сходства между двумя областями. Действительно, напряжение может быть связано с давлением жидкости, а ток — с движением жидкости. Если любое из этих значений увеличивается (соответственно уменьшается), мощность также увеличивается (соответственно уменьшается).

В этом руководстве мы сосредоточимся на мощности в цепях переменного тока, которые имеют другую форму, чем цепи постоянного тока.По этой причине в первом разделе мы обсуждаем, как определить мощность переменного тока и откуда она взялась.

Во втором разделе будет представлена ​​важная концепция, называемая коэффициентом мощности , которая имеет решающее значение для понимания мощности в цепях переменного тока.

Последний раздел посвящен концепции треугольника мощности , которая связана с некоторыми определениями. Мы увидим, что мощность в цепях переменного тока может иметь три различных вида.

Мощность синусоидального сигнала

Рассмотрим электрический синусоидальный сигнал переменного тока, который характеризуется своим напряжением V (t) = V _max × sin (ωt + Φ _V ) и током I (t) = I _max × sin (ωt + Φ _{). I} ), где V _max , I _max — пиковые значения, ω — общая угловая пульсация, а Φ _V , Φ _I — мгновенная фаза каждого сигнала.Следовательно, разность фаз может быть определена как ΔΦ = Φ _V -Φ _I .

рис 1: Изображение сигналов напряжения и тока

Мы определяем мгновенную мощность аналогично мощности постоянного тока как P (t) = V (t) × I (t) . При использовании выражений V (t), I (t), тригонометрической формулы sin (X) sin (Y) = 1/2 (cos (XY) -cos (X + Y)) , а также того факта, что (V _max × I _max ) / 2 = V _rms × I _rms , получается:

уравнение 1: Мгновенная мощность сигнала переменного тока

Первый член этой формулы является постоянным и зависит только от фазового сдвига между напряжением и током, он известен как активная мощность .Второй член меняется во времени, он зависит как от угловой пульсации, так и от фазового сдвига.

При получении среднего значения P (t) за период T сигнала остается только активная мощность, поскольку среднее значение зависящего от времени косинусного члена всегда равно нулю.

Наконец, мы можем сказать, что мощность, рассеиваемая в цепи переменного тока, определяется активной мощностью, которая соответствует средней мощности:

уравнение 2: Активная / активная мощность сигнала переменного тока

Термин cos (ΔΦ) известен как коэффициент мощности , это действительное число от 0 до 1, которое отражает, насколько эффективно компонент или схема потребляет мощность, подаваемую на Это.Более подробная информация о Equation 2 и коэффициенте мощности дана в следующем разделе.

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности часто называют λ = cos (ΔΦ) , он равен отношению P / S с S = V _{среднеквадратичное значение} × I _{среднеквадратичное значение} является полной мощностью , на которую мы обращаем больше внимания в Третий раздел о треугольнике власти.

Из уравнения 2 ясно, что коэффициент мощности определяет, насколько эффективна передача мощности в цепи, в зависимости от фазового сдвига между напряжением и током.Когда фазовый сдвиг (ΔΦ) не наблюдается, цепь или компонент называется чисто резистивным, , таким как идеальный резистор. В этом случае передаваемая мощность максимальна и равна V _{среднеквадратичное значение} × I _{среднеквадратичное значение} .

Пример чисто резистивной ситуации проиллюстрирован на Рис. 2 с V _max = 1 В и I _max = 2 A:

рис 2: Питание переменного тока в чисто резистивной цепи

Одновременное изменение V (t) и I (t) приводит к всегда положительному произведению P (t).Таким образом, средняя мощность строго положительна. Поскольку V _{среднеквадратичное значение} = 1 / √2 и I _{среднеквадратичное значение} = 2 / √2, мощность переменного тока определяется как P = 1 Вт (темная линия на рис.

С другой стороны, фазовый сдвиг на 90 ° по абсолютной величине может наблюдаться в чисто реактивных цепях или компонентах , таких как идеальный конденсатор или катушка индуктивности. Мы проиллюстрируем этот случай тем же примером, который был представлен ранее, но на этот раз с λ = 0:

рис. 3: Мощность переменного тока в чисто реактивной схеме

Как мы видим, из-за фазового сдвига сигналы напряжения и тока больше не синхронизируются.Результирующая мгновенная мощность P (t) представляет собой синусоидальную волну, которая чередуется между положительными и отрицательными значениями, среднее значение мощности P равно 0 (темная линия на рисунке 3 , ).

Для промежуточных случаев 0 <λ <1 мощность переменного тока находится между 0 и наилучшим значением V _{среднеквадратичное значение} × I _{среднеквадратичное значение} .

Треугольник мощности

В режиме переменного тока мы можем перечислить три различных определения мощности:

1. Полная мощность — комплексное число, обозначенное буквой S, его норма равна произведению V _{среднеквадратичное значение} × I _{среднеквадратичное значение} , а его аргумент равен ΔΦ.Это мощность, которая «очевидно» передается в цепь.
2. Активная мощность является действительным числом и ранее было определено в первом разделе. Это соответствует реальной мощности, которая действительно передается в цепь. Его выражение: P = | S | × λ .
3. Реактивная мощность — это мнимая часть полной мощности и отмеченная Q. Ее выражение дается как Q = | S | × sin (ΔΦ) .

Эти различные формы власти можно собрать в сложной диаграмме, известной как треугольник мощности :

Рис. 4: Треугольник мощности

Из Рис. 4 , мы можем понять, что эти величины связаны следующей формулой: S = P + jQ .

Активная мощность — это единственное определение, которое имеет прямой физический смысл в том смысле, что ее можно напрямую измерить.

Несмотря на то, что реактивная мощность — это мнимый термин, он имеет также физический смысл. Эта форма мощности может производиться емкостными компонентами или потребляться индуктивными компонентами.

Во многих странах поставщики электроэнергии выставляют счет потребителям реактивной мощности за определенные значения λ. Это связано с тем, что если электростанция производит для клиента определенную полную мощность S, но клиент потребляет только P, энергетические компании выставят счет P + Q, чтобы компенсировать потери в своей электрической линии и стимулировать клиентов для улучшения своей сети.

В качестве примера рассмотрим электростанцию, которая должна обеспечивать своих клиентов активной мощностью P. У клиента номер 1 есть эффективная линия относительно его реактивной мощности Q ₁ , у клиента номер 2 неадекватная электрическая сеть относительно его реактивной мощности Q ₂ . Таким образом, кажущаяся мощность, которую необходимо предоставить электроэнергетической компании, не одинакова для этих разных клиентов: Рис. 5: Треугольники мощности в примере

. Из Рис. 5 ясно видно, что мощность, которую электроэнергетическая компания должна генерировать для клиента 2, значительно выше, чем для клиента 1, чтобы они могли использовать тот же конечный результат. сумма П.

Таким образом, для клиента 2 возможны два варианта: либо он платит поставщику более высокий счет, либо улучшает его электрическую сеть. Один из возможных способов для клиента 2 снизить его реактивную мощность до Q ₁ — это емкостная компенсация .

Действительно, индуктивные компоненты имеют тенденцию увеличивать реактивную мощность (arg (Z _L ) = + 90 °), а емкостные компоненты, наоборот, уменьшают ее (arg (Z _C = -90 °). Таким образом, соответствующее значение последовательного конденсатора может вернуть реактивную мощность Q ₂ до приемлемого уровня.

Заключение

Мощность в цепях переменного тока не может быть описана только пиковыми значениями кривых напряжения и тока. Эти сигналы действительно не всегда синхронизированы из-за разности фаз, вызванной реактивными компонентами. Таким образом, на выражение мощности влияет член λ , называемый коэффициентом мощности , который зависит от значения фазового сдвига.

Коэффициент мощности может принимать значение только между 0 и 1 , и оба этих экстремума отражают, соответственно, чисто реактивное или резистивное поведение схемы.

Один из способов визуализировать влияние коэффициента мощности — использовать концепцию, представленную в последнем разделе, под названием треугольник мощности . Активная мощность , эффективно потребляемая схемой, действительно может рассматриваться как полная мощность (которая должна была быть передана), умноженная на поправочный коэффициент. Двойная активная мощность, которая также является мнимой частью полной мощности, — это реактивная мощность , , и она играет важную роль для поставщиков электроэнергии, которые отслеживают ее стоимость, чтобы корректировать счета своих клиентов и наблюдать за эффективностью своих линий.