Емкостная нагрузка это: Типы электрических потребителей. Активная и реактивная нагрузка, активно-индуктивная и активно-емкостная, в чем различия?

Типы электрических потребителей. Активная и реактивная нагрузка, активно-индуктивная и активно-емкостная, в чем различия?

Какие типы электрических потребителей бывают? Активная и реактивная нагрузка, активно-индуктивная и активно-емкостная, в чем различия?

В повседневной жизни и общениях с клиентами интернет-магазина Электрокапризам-НЕТ! мы выясняем множество технических вопросов и максимально точно подбираем оборудование под  инженерные задачи. Имея большой опыт работ и выбора технических решений  специалистами компании НТС-ГРУПП (ТМ Электрокапризам-НЕТ!) была собрана масса полезной информации, которую мы попытались структурировать и  в сжатом виде донести нашим клиентам путем публикации на сайте.  Ниже приведена своеобразная  классификация типа нагрузок с небольшими комментариями, а в следующей статье будут описаны особенности выбора мощности, запаса мощности и варианты использования источников бесперебойного питания, стабилизаторов напряжения и электрогенераторов в сетях с несбалансированным распределением потребителей, с различными видами активной и реактивной нагрузкок и др.

Применительно к выбору оборудования классифицируем типы нагрузок следующим образом

1. По типу электрического потребления нагрузки делятся на:

АКТИВНУЮ:  — Активная (или еще известную, как резистивная) нагрузка. В этом случае закон Ома выполняется в каждый момент времени и аналогичен закону Ома для схем постоянного тока. В качестве примеров : электрическая лампочка накаливания, нагревательный элемент (ТЭН), электрическая плита, бойлер и т.п.

РЕАКТИВНУЮ, которая также разделяется на такие:

—  Индуктивная нагрузка — нагрузка, через которую ток отстает от напряжения и нагрузка потребляет реактивную мощность. Примеры: асинхронные двигатели, электромагниты, катушки дросселей, трансформаторы, выпрямители, преобразователи построенные на тиристорах. Индуктивная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в магнитное поле, а течении следующей половины преобразует энергию магнитного поля в электрический ток. При этом в индуктивной нагрузке кривая тока отстаёт от кривой напряжения на ту же половину полупериода. Примером для данного вида нагрузок может быть дроссель или катушка индуктивности.

—  Ёмкостная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в электрическое поле, а течении следующей половины преобразует энергию электрического поля в электрический ток. При этом в ёмкостной нагрузке кривая тока опережает кривую напряжения на ту же половину полупериода. Примером данного вида нагрузок может быть конденсатор.

На практике  чистые реактивные нагрузки в электротехнике не встречаются. Вся электротехника работает с коэфициентом полезного действия ниже 100% вследствие рассеяния части энергии в виде тепловых потерь, потерь при излучении и др. побочных явлений. Таким образом в практической электротехнике применяется понятие активно-реактивной нагрузки. Активно-реактивная нагрузка также подразделяется на две: активно-индуктивная и активно-емкостная.

Активно-индуктивная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной индуктивности. Примером таких нагрузок может быть обмоточный электромагнитный трансформатор, электродвигатель, электромагнитное пускорегулирующее устройство для люминесцентных ламп, катушка зажигания в автомобиле. Для этого вида нагрузок характерен бросок напряжения в момент размыкания электрической цепи.

Активно-ёмкостная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной ёмкости. Примером таких нагрузок может быть конденсатор, электронные блоки питания галогенных или люминесцентных ламп. Для этих нагрузок характерен бросок тока в момент замыкания электрической цепи, особенно если он произошёл в тот момент, когда напряжение в сети максимально, или близко к максимальному.

При протекании тока через активно-реактивную нагрузку часть тока будет протекать через прибор, не производя никакой полезной работы. При этом максимумы и минимумы тока и напряжения будут достигаться в разное время, а кривые изменения по времени тока и напряжения будут не совпадать – оставаясь, при этом, периодическими функциями. Происходит сдвиг тока и напряжения по фазе.  Для обозначения зависимости такого сдвига применяется понятие Косинус угла между током и напряжением, и обозначается как cos(ϕ). Этот параметр является очень важным в электротехнике, которым не стоит пренебрегать при расчетах и выборе стабилизаторов напряжения, источников бесперебойного питания и электрогенераторов.

2. Фазность электропотребителей:

— однофазные –потребители рассчитанные на электропитание от 220/230В по схеме фаза-ноль-земля.

— трехфазные – потребители для которых необходимо подать напряжение 380В/400В в схеме с нейтралью и землей.

3. По способу распределения нагрузки (для трехфазных схем)

— Сбалансированные – сбалансированными считают такое распределение постребителей, когда на каждой фазе в трехфазной схеме мощности нагрузок распределены равномерно (с перекосом не более +/-20%). В качестве примера можно привести коттедж с трехфазным вводом электроснабжения, в котором при проектировании и монтаже электрических потребителей  15 кВт мощности равномерно распределили  по 5 кВт на каждую  фазу. Еще одним примером можно выделить промышленный цех, в котором преобладают трехфазные потребители и таким образом все три фазы будут нагружены равномерно.

— Несбалансированные – характеризуются как хаотично-нагруженные фазы, где нагруженность фаз может отличаться на 100% между собой. Примером может служить частный трехэтажный дом в котором на каждый этаж отводится одна фаза. Как показывает практика первый этаж дома (т.е. одна из фаз) обычно перегружена в силу того, что на первом этаже размещаются:  кухня, бойлерная и комната отдыха, а на остальных этажах спальни с бытовой техникой. В итоге одна фаза может быть  нагружена на 100%, а другие используются редко или не сильно нагружены. 

Емкостная и индуктивная нагрузка

В этой статье подробно рассмотрены три основных типа потребляемой мощности, которые используются в бытовых приборах и автомобилях.

Что это такое

Первым делом необходимо узнать, что такое активная энергия. Эта величина, расходуемая нагрузкой в обычном сопротивлении. Это относится к нагревательный устройствам (чайники, электрические камины, микроволновые печи и прочее). Расходуемая мощность данных устройств полностью активная. В таким устройствах используемая энергия навсегда и полностью трансформируется в другую группу энергии.

Мощность указывается символом P и обозначается в Ваттах (Вт).

Чтобы найти эту величину, необходимо воспользоваться формулой:

P = U * I;

В таком случае работа будет выполняться без изменений.

График индуктивной мощности

В цепях с переменным напряжением есть только активная энергия, потому что показатели мгновенной и средней мощности там сходятся.

Индуктивная работа — через нее проходит сила тока и отстает от напряжения. В результате будет расходоваться реактивная энергия.

Для примера, такая нагрузка используется в асинхронных двигателях, датчиках холостого хода, реакторах, трансформаторов тока, выпрямителях и прочих преобразователях.

Асинхронный двигатель индуктивного вида

Откуда появляется

Образование названия «реактивная мощь» относится к необходимости выделения энергии, которая расходуется нагрузкой, с формированием электромагнитных полей.

Этот компонент используется при индуктивном типе. Например, во время подсоединения электрических двигателей. Все бытовые приборы, а также некоторые промышленные и сельскохозяйственные объекты используют данный тип нагрузки.

Три основных вида на примере генератора

В электроцепях, когда работа будет активного вида, то внутри ток не отстает от показателей напряжения. Если энергия будет индуктивного вида, то ток будет запаздывать в отличии от напряжения. При емкостной, ток будет идти быстрее напряжения. Ниже подробно разобраны три типа работ, а также сфера их применения.

Виды энергии

Ниже представлены основные виды нагрузок, которые используются в повседневной жизни. Они могут быть как в бытовых приборах, как и в различных двигателях или датчиках.

Активная

Для данной работы используется закон Ома, который выполняется в каждую секунду времени и схож с правилом для переменного тока. Такой тип применяется в лампах для освещения или в электроплитах.

Активно емкостная нагрузка формула

Емкостная

Этот вид превращает в течении определенного времени энергию электрического тока в электрополе, а далее превращает ее в электрический ток. А также, здесь сила тока будет опережать напряжение.

В качестве примера может быть конденсатор. К сожалению, встретить полные реактивные нагрузки невозможно ни в одном приборе. Каждый вид не имеет коэффициент полезного действия 100%, потому что существуют потери энергии в воздухе и прочее. Потому чаще всего используется название активно-реактивной работы.

Индуктивная

Данный вид превращает энергию в магнитное поле, а далее меняет ее в электрический ток. Сила тока в этом случае будет отставать от напряжения. Для примера можно взять индуктивную катушку или датчик дросселя на автомобиле.

Функционирование выпрямителей

Как влияют нагрузки на функционирование выпрямителей и напряжение в цепи

В любой цепи выпрямителя, нагрузка будет иметь исключительно активное сопротивление.

На практике такие приборы достаточно редко функционируют на полном активном сопротивлении, потому что в большинстве вариантов их оснащают электрическими элементами, содержащими индуктивные и емкостные части.

Бывает, что работа содержит части с индуктивной мощностью (обмотки реле, дроссельные заслонки и так далее). Также выпрямители могут спокойно функционировать на встречной электродвижущей силе, например при зарядке АКБ для автомобилей. Также мощность может быть смешанного вида, в которой есть все три параметра.

График зависимости с выпрямителем

Емкостная и индуктивная нагрузка чаще всего встречаются в повседневной жизни и бытовых приборах.

На предприятиях также устанавливают конденсаторные установки, потому что они обладают рядом плюсов:

• уменьшение расходов электрической энергии;
• уменьшение расходов на ремонт и обслуживание промышленных приборов;
• сдерживание шумов в сети;
• снижение искажения фаз;
• увеличение возможности сети электроснабжения, благодаря чему можно подсоединять электрические приборы без увеличения стоимости питания;
• уменьшение сопротивления в сети;
• снижение уровня высокочастотных помех.

Данные установки достаточно дорого стоят, поэтому нет смысла использовать их в квартирах, домах или небольших офисах.

Конденсаторные установки

В заключении необходимо отметить, что такие нагрузки необходимо знать для того, чтобы правильно рассчитать мощность каких-либо приборов. Помимо всех перечисленных типов, существуют также резистивные и активные. Информацию о них можно найти на соответствующих форумах по электрике.

Электроэнергия | Центр энергоэффективности Министерства образования и науки РФ

Установка частотного регулируемого привода для насосов систем ГВС

 

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.

 

Компенсация реактивной мощности

 

Физика процесса и практика применения установок компенсации реактивной мощности

 

Чтобы разобраться с понятием реактивной мощности, вспомним сначала, что такое электрическая мощность. Электрическая мощность – это физическая величина, характеризующая скорость генерации, передачи или потребления электрической энергии в единицу времени.

Чем больше мощность, тем большую работу может совершить электроустановка в единицу времени. Измеряется мощность в ваттах (произведение Вольт х Ампер). Мгновенная мощность – это произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-то участке электрической цепи.

 

Физика процесса

 

В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за какой-то промежуток времени совпадают, а понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока так происходит только в том случае, если нагрузка чисто активная. Это, например, электронагреватель или лампа накаливания. При такой нагрузке в цепи переменного тока фаза напряжения и фаза тока совпадают и вся мощность передается в нагрузку.

Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели), то ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).

 

Активная и реактивная мощности

 

Часть полной мощности, которую удалось передать в нагрузку за период переменного тока, называется активной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус угла сдвига фаз между ними (cos φ ).

Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin φ).

Таким образом, реактивная мощность является величиной характеризующей нагрузку. Она измеряется в вольт амперах реактивных (вар, var). На практике чаще встречается понятие косинус фи, как величины характеризующей качество электроустановке с точки зрения экономии электроэнергии. Действительно, чем выше cos φ , тем больше энергии, подаваемой от источника, попадает в нагрузку. Значит можно использовать менее мощный источник и меньше энергии пропадает зря.

Способы компенсации реактивной мощности

Из сказанного выше вытекает, если нагрузка индуктивная, то следует компенсировать ее с помощью емкостей (конденсаторов) и наоборот емкостную нагрузку компенсируют с помощью индуктивностей (дросселей и реакторов). Это помогает увеличить косинус фи (cos φ) до приемлемых значений 0.7-0.9. Этот процесс называется компенсацией реактивной мощности.

Экономический эффект от компенсации реактивной мощности

Экономический эффект от внедрения установок компенсации реактивной мощности может быть очень большим. По статистике он составляет от 12 до 50% от оплаты электроэнергии в различных регионах России. Установка компенсации реактивной мощности окупается не более чем за год.

Выводы

Итак, установки по компенсации реактивной мощности приносят ощутимые финансовые выгоды. Они также позволяют дольше сохранять оборудование в рабочем состоянии.

Вот несколько причин, по которым это происходит.

• Уменьшение нагрузки на силовые трансформаторы, увеличение в связи с этим срока их службы.
• Уменьшение нагрузки на провода и кабели, возможность использования кабелей меньшего сечения.
• Улучшение качества электроэнергии у электроприемников.
• Ликвидация возможности штрафов за снижение cos φ.
• Уменьшение уровня высших гармоник в сети.
• Снижение уровня потребления электроэнергии.

 

Косинус φ и с чем его едят

Очень многих впервые столкнувшихся с электротехникой обывателей пугают страшные и непонятные аббревиатуры. Таких в данной сфере превеликое множество. В данной статье мы поподробнее остановимся на одной из таких аббревиатур. Итак, представляем вашему вниманию cos φ или по другому коэффициент мощности. Также вместо этой аббревиатуры можно увидеть символ λ . Отличие между ними в том, что если указано λ , значит значение будет выражено в процентах.

cos φ или коэффициент мощности указывает на наличие или отсутствие реактивной составляющей мощности у потребителя электрической энергии. При наличии такой составляющей переменный ток и напряжение не совпадают во времени по фазе. Ток или опережает напряжение или отстает от него, в зависимости от того, какая нагрузка — емкостная или индуктивная. Емкостная нагрузка возникает при наличии в электроустановке потребителя статических конденсаторов, выпрямителей и т. д. Индуктивная нагрузка возникает при наличии в электроустановке потребителя различных катушек, пускателей, электродвигателей. В общем, большинство электроустановок, которые находятся в пользовании потребителей приводят к возникновению реактивной мощности. Чем больше угол сдвига, тем больше доля реактивной энергии в электроустановке потребителя.

Для того, чтобы понять что такое коэффициент мощности, поговорим подробнее о том, что же это за мощность, из чего она состоит и как находится.

Итак, в цепи постоянного тока определить мощность потребителя не составляет большого труда. Зная напряжение и протекающий ток, мы просто умножаем эти величины.

В цепи переменного тока все немного сложнее. Как уже говорилось ранее, как правило, при синусоидальном переменном токе изменение напряжения и тока не совпадают во времени, то есть между ними происходит сдвиг по фазе. Только в частном случае, когда вся нагрузка полностью активная, напряжение и ток совпадают по фазе. При этом угол сдвига ( φ )=0°, следовательно cos 0° = 1. Получается, что вся энергия совершает полезную работу. Конечно это идеальный вариант. На самом деле, в подавляющем большинстве случаев электроприборы содержат в себе различные катушки, конденсаторы и т. д. В таких устройствах полная мощность раскладывается на активную и реактивную. Измеряется полная мощность в вольтамперах (ВА). Найти полную мощность можно путем умножения действующего значения напряжения на действующее значение тока.

Полная мощность определяет фактические нагрузки на систему электроснабжения, по этому пропускная способность линий электропередач, мощность трансформаторов, генераторов, стабилизаторов и т. д. указывается именно в вольтамперах, а не в ваттах.

В свою очередь полная мощность состоит из активной мощности ( Р ) и реактивной мощности ( Q ). Активная мощность – это та часть электрической энергии, которая расходуется непосредственно на совершение полезной работы (подогрев электроплиты, нагрев нити в лампе накаливания, вращение вала электродвигателя).

В этой формуле мы как раз и видим cos φ

Чем меньше угол сдвига между напряжением током, тем больше электрической энергии осуществляет полезную работу, то есть совершают нагрев воды в электрическом чайнике, или вращение вала электродвигателя. Повторимся еще раз, что в идеале угол сдвига φ = 0°, следовательно = 1. Однако, чаще всего для нормального функционирования электроустановок, в их составе присутствуют различные катушки, конденсаторы, обмотки. Характеристикой таких потребителей является реактивная мощность.

Реактивная мощность измеряется в вольтамперах реактивных (Вар). Данная энергия не совершает непосредственно полезную работу, но необходима для нормальной работы таких приборов, как пускатели, трансформаторы, электрические двигатели. Например, в работе трансформатора электрическая энергия с первичной обмотки передается на вторичную через электромагнитное поле. Для создания электромагнитного поля и используется реактивная энергия. При полностью индуктивной нагрузке (например, работа трансформатора в режиме холостого хода), угол сдвига фаз напряжения и тока равен 90° . Следовательно cos φ = cos = 90° = 0. Это означает, что активная мощность будет тоже равна нулю. Получается, что никакой полезной работы не производится. При этом, вследствие потерь в магнитопроводах, на нагрев, электрическая энергия все равно расходуется, значит расходуется сырье на электростанциях, нагружаются сети, трансформаторы и генераторы.

Условно считается, что потребители, которые имеют обмотки на магнитопроводах, то есть представляют собой индуктивность, потребляют положительную реактивную мощность. О приборах, в которых имеются конденсаторы, принято говорить, что они генерируют отрицательную реактивную мощность. Синхронные генераторы, двигатели, компенсаторы способны как производить, так и потреблять реактивную мощность, то есть они способны вести себя относительно электрической сети и как емкость и как индуктивность.

Примерное значение cos φ для различных электроустановок переменного тока : 0,05-0,1 – трансформаторы в режиме холостого хода; до 1 – для нагревательных приборов и ламп накаливания; для асинхронных электродвигателей 0,7-0,9 при номинальной нагрузке. С уменьшением нагрузки электродвигателя cos φ уменьшается.

Для того, чтобы уменьшить влияние реактивной мощности на электросеть, прибегают к искусственному завышению cos φ . Для этого непосредственно у потребителя электрической энергии устанавливаются батареи статических конденсаторов. Более подробно на способах компенсации реактивной энергии можно будет ознакомиться в следующих статьях.

Современные источники бесперебойного питания | Группа Русэлт

Журнал «Электронные компоненты» №9,2008

Валерий Климов, к.т.н., технический директор, «Русэлт»

При сравнении источников бесперебойного питания (ИБП) различных производителей следует, прежде всего, обращать внимание на их технические характеристики, отражающие потребительские свойства и качества. В статье рассматриваются  важные энергетические показатели ИБП и его перегрузочные характеристики.  Динамические характеристики отражают надежную работу ИБП при коммутации нагрузки, скачках сетевого напряжения, перегрузках и других возмущениях, возникающих в системе «сеть – ИБП – нагрузка». Приведены результаты экспериментального исследования динамических режимов однофазных ИБП с двойным преобразованием, рассмотренных в части 1 («ЭК» 6, 2008).

Классификация электрических характеристик ИБП

Требования к ИБП и классификация электрических характеристик современных ИБП наиболее полно представлены в новом международном  стандарте [3]. Действовавший ранее в нашей стране стандарт [4] не отражает всей полноты требований к современным структурам ИБП. Предлагаемый автором перечень электрических параметров ИБП дополнен рядом энергетических показателей:

— входные характеристики включают: номинальные значения мощностей, напряжений, токов и их допустимые отклонения, пусковые токи, входной коэффициент мощности, гармонический состав входного тока;

— входные характеристики отражают: статические и динамические показатели точности, коэффициент искажения синусоидальности, КПД, выходной коэффициент мощности, перегрузочную способность ИБП;

— переходные (системные) показатели характеризуют: синхронизацию по частоте, время резерва, время восстановления заряда аккумуляторной батареи (АБ), обобщенный энергетический коэффициент;

— параметры цепи постоянного тока характеризуют требования к номинальным значениям напряжения АБ [1, 2];

— эксплутационные требования (условия окружающей среды) отражают влияние температуры, влажности, высотности и т.д. на рабочие характеристики ИБП.

    Рассмотрим более подробно основные электрические характеристики ИБП.

Входные характеристики ИБП

Номинальные значения входного напряжения, принятые в нашей стране: для однофазных ИБП – 220 В; для трехфазных ИБП – 220/380 В, 50 Гц.

*Первая, вторая и третья части статьи были опубликованы в «ЭК» 6, 8, 9, 2008.

Допустимые отклонения входного напряжения характеризуют пределы изменения входного напряжения, при которых ИБП продолжает работать в сетевом режиме без перехода в автономный режим питания от АБ. Современные структуры ИБП с бустером обеспечивают диапазон +/–20% и более. Следует отметить, что для ряда однофазных моделей ИБП нижний предел входного напряжения расширяется с уменьшением нагрузки [1].

Номинальная входная полная мощность (Sвх.ном) – полная мощность, загружающая сеть при 100% коэффициенте нагрузки и стандартных условиях эксплуатации. Различают входную мощность, потребляемую при заряженной АБ (Sвх.мин), и мощность при форсированном заряде батареи (Sвх.макс), превышающую первое значение на 25 – 30%, в зависимости от величины емкости батареи и степени ее разряженности. Например, для ИБП с номинальной выходной мощностью 30 кВА и входным коэффициентом мощности 0,8 имеем: Sвх.мин = 32,8 кВА и Sвх.макс = 41 кВА.

Номинальная входная активная мощность (Рвх.ном) характеризует энергопотребление на входе ИБП при номинальной нагрузке:

Рвх.ном=КрвхSвх.ном

Входной коэффициент мощности (Крвх) характеризует отношение активной входной мощности к  полной при номинальном входном напряжении и 100% нагрузке.

Значения Крвх для различных моделей и мощностей ИБП могут изменяться от 0,8 до 0,99. Чем больше значение Крвх, тем ниже искажение синусоидальности входного тока. При этом входное сопротивление ИБП по отношению к сети будет чисто активным. Наиболее высокое значение Крвх = 0,99 достигнуто в структурах ИБП с входным ШИМ-преобразователем  на IGBT-транзисторах [2].

Составляющие токов реактивной мощности и мощности искажения во входной цепи преобразователя (мостовой схеме трехфазного выпрямителя) будут замыкаться во входном контуре системы и зависеть от параметров входного фильтра, реактивных параметров звена постоянного тока (так как это влияет на форму тока, потребляемого от сети) и степени загруженности системы.

Максимальный входной ток – параметр, определяющий выбор внешнего автомата защиты ИБП. Величина максимального тока определяется при 100% коэффициенте нагрузки, минимальном входном напряжении в режиме форсированного заряда АБ:

Iвх.макс=Sвх.макс/Uвх.мин

Величина пускового тока – характеризует бросок входного тока за счет заряда накопительных конденсаторов при включении ИБП. Для ограничения скачка тока в современных ИБП используют пусковые цепи или алгоритм мягкого старта ИБП.  

Выходные характеристики ИБП

Статическая точность выходного напряжения для однофазных маломощных ИБП двойного преобразования составляет +/–2%, для средней мощности и трехфазных ИБП достигает +/–1%, что позволяет обеспечивать параллельную работу 4 – 8 блоков на общую нагрузку [10]. Показатели динамической точности современных ИБП составляют +/–5% при 100% скачке нагрузки [2].

Внешняя характеристика ИБП характеризует степень статической точности выходного напряжения. В общем случае жесткость внешней характеристики определяется внутренним сопротивлением силовой цепи, включающей выпрямитель, корректор коэффициента мощности (ККМ), преобразователь постоянного напряжения (ППН) и инвертор. ККМ – ППН обладают стабилизирущими свойствами. Благодаря этому напряжение питания инвертора также стабильно, поэтому можно считать, что основным параметром, определяющим внешнюю характеристику ИБП, является выходное сопротивление инвертора. Современные инверторы на IGBT-транзисторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения обладают низким значением внутреннего сопротивления. По сравнению с силовыми трансформаторами инвертор обладает в 5 раз меньшим внутренним сопротивлением [5], что обеспечивает не только высокую точность стабилизации выходного напряжения (1 – 2)%, но и низкие значения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (менее 3%) при токах в нелинейных нагрузках с коэффициентом амплитуды до 3.

Номинальная полная выходная мощность (Sвых.ном) – предельная полная мощность, которую инвертор может отдать в линейную нагрузку с коэффициентом мощности (Крн), равным выходному коэффициенту мощности ИБП (Крвых) при стандартных условиях эксплуатации (температура, влажность, высотность).

Выходной коэффициент мощности (Крвых), указанный производителем, соответствует тому значению коэффициента мощности нагрузки, при котором обеспечивается максимальная эффективность потребления электроэнергии от ИБП. Значения Крвых для современных ИБП составляют 0,7…0,9 [6].

Номинальная активная выходная мощность (Рвых.ном) – максимальная активная мощность, отдаваемая в нагрузку:

Рвх.ном=КрвхSвх.ном

КПД и тепловые потери

КПД характеризует эффективность использования ИБП и представляет отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой ИБП из сети. Потери активной мощности (тепловые потери) в ИБП характеризуются рядом составляющих:

∆P=Pвх  Pвых=∆Pхх+∆Pсц+∆Pдоп

∆Pхх – постоянная составляющая потерь (потери холостого хода ИБП) не зависит от коэффициента нагрузки и определяется энергией, необходимой для обслуживания системы управления силовых узлов, питания вентиляторов охлаждения  и других вспомогательных блоков. В ИБП малой и средней мощности 1 – 10 кВА потери холостого хода составляют 20 – 30% от общих потерь. С ростом мощности ИБП относительная доля потерь холостого хода снижается.

∆Pсц – переменная составляющая потерь, которая зависит от коэффициента нагрузки

∆Pсц = ∆P1+∆P2+∆P3+∆P4 

∆P1 – потери в силовой цепи выпрямителя;

∆P2 – потери в силовой цепи корректора коэффициента мощности;

∆P3 – потери в силовой цепи преобразователя постоянного напряжения;

∆P4 – потери в силовой цепи инвертора.

Технические данные производителей ИБП содержат значения КПД отдельных силовых узлов ИБП (в основном выпрямителя и инвертора) и значения общего (системного) КПД, составляющего 85 – 88% для ИБП малой мощности и 90 – 94% для ИБП средней и большой мощности;

∆Pдоп – дополнительные потери на заряд АБ, являющиеся переменными во времени и зависящие от степени разряженности батареи и ее емкости. Наибольшие дополнительные потери возникают при форсированном заряде батареи. Например, потери при номинальной нагрузке в ИБП мощностью 30 кВА составляют: 2,8 кВт – при форсированном режиме заряда батареи и 2,2 кВт – при заряженной батарее.

Нагрузочная характеристика ИБП представляет нелинейную зависимость коэффициента передачи полной мощности от коэффициента мощности нагрузки  ФОРМУЛА 

Введем понятия коэффициента передачи полной мощности в нагрузку и нагрузочной характеристики инвертора [6].

Коэффициент передачи полной мощности в нагрузку – отношение предельно допустимой мощности нагрузки к номинальной полной мощности оборудования:  ФОРМУЛА  Коэффициент К5    коррелируется с понятием коэффициента снижения мощности Kd (derating factor), указывающим на процент величины активной составляющей мощности нагрузки, которую можно подключить к инвертору.

Коэффициент снижения мощности зависит от характера нагрузки. В таблице 1 приведен пример значений коэффициентов снижения мощности при выходном коэффициенте мощности инвертора 0,8 и различных значениях коэффициентов мощности нагрузки.

Таблица 1. Зависимость коэффициента снижения мощности от характера нагрузки.

Ток конденсатора выходного фильтра суммируется с током емкостной составляющей нагрузки, что снижает предельно допустимую нагрузку на выходе инвертора. Реактивная составляющая мощности и высокочастотные гармонические составляющие мощности искажения на выходе преобразователя будут обмениваться между нагрузкой, выходным фильтром инвертора и емкостью фильтра звена постоянного тока. Замыкаясь в указанном контуре силовой цепи преобразователя, их величины будут зависеть от коэффициента мощности нагрузки. Причем выходной коэффициент мощности может отличаться от коэффициента мощности нагрузки. Значение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку достигает 100% при равенстве коэффициента мощности линейной нагрузки индуктивного характера выходному коэффициенту мощности ИБП. На рисунке 1а приведены нагрузочные характеристики при различных типах линейной нагрузки RL, RC и нелинейной нагрузки RCD. При нелинейной нагрузке коэффициент передачи мощности снижается. Наиболее распространены однофазные нелинейные нагрузки типа RCD – неуправляемые выпрямители с емкостным фильтром. Коэффициент амплитуды тока такой нагрузки достигает 2,5 – 3 при коэффициенте мощности 0,7 – 0,6. На рисунке 1б

приведены зависимости коэффициента мощности и коэффициента амплитуды RCD-нагрузки в функции длительности импульса тока на полупериоде сетевого напряжения [7]. При работе ИБП на разнотипные нагрузки за эквивалентную нелинейную нагрузку принимают сумму нагрузок: 50% – RL – линейная нагрузка с Крн = 0,8 и 50% – RCD –нагрузка – неуправляемый выпрямитель с емкостью фильтра 2,5 мкФ/Вт. Коэффициент передачи мощности в нелинейную нагрузку при токе с коэффициентом амплитуды Ка = 3 не превышает значения Кs = 70 – 80%.     

Векторная диаграмма мощностей инвертора (см. рис. 2) наглядно отражает нагрузочные способности ИБП, и в последнее время приводится в каталогах ряда ведущих мировых производителей ИБП. Верхний квадрант диаграммы характеризует мощности при активно-емкостной нагрузке (кВАр-С), в нижний – при активно-индуктивной нагрузке (кВАр-L). Здесь приняты обозначения:

• горизонтальная ось соответствует относительным значениям активной мощности P ;
• О — центр окружности максимальной полной мощности при индуктивном характере нагрузки ;
• ОВ — вектор относительной максимальной полной мощности, отдаваемой в  нагрузку индуктивного характера (S_макс) при номинальной активной мощности ;
• О¹ — центр окружности максимальной полной мощности при емкостном характере нагрузки ;
• ВС – значение номинальной активной мощности на выходе преобразователя (P_ном) ;
• ОА – предельное значение относительной полной мощности, отдаваемой в индуктивную нагрузку при пониженной активной мощности ;
• ОD – предельное значение относительной полной мощности, отдаваемой в емкостную нагрузку при пониженной активной мощности.

Косинусы углов поворота векторов полных мощностей относительно действительной оси координат будут соответствовать коэффициентам мощности нагрузок на выходе инвертора. Положение вертикальной линии номинальной выходной активной мощности (P_ном) определяется выходным коэффициентом мощности инвертора  К_Рвых=Р_ном/S_ном.

При емкостном характере нагрузки происходит смещение центра максимальной полной мощности О¹ вниз относительно начала координат О и снижение границы полной мощности CD. Выход за указанные границы на векторной диаграмме мощностей (A-B-C-D-O) означает перегрузку инвертора. Современные системы управления инвертором в ИБП анализируют значения полной и активной составляющей мощностей, фиксируя превышения предельных значений.

Коэффициенты реактивных мощностей выходного фильтра инвертора

При выборе параметров фильтра рекомендуется принимать: Kc = Qc/Sном =  0,25 – 0,5; Kl = Ql/Sном =  0,07 – 0,2. Меньшие значения коэффициентов могут быть приняты для пониженных мощностей инверторов. Увеличение коэффициента емкостной мощности приводит к снижению расчетной мощности инвертора, обеспечивающего номинальные режимы работы в безопасной области векторной диаграммы мощностей [6].

Перегрузочные характеристики ИБП и ток короткого замыкания инвертора Различают перегрузочные способности инвертора и цепи «байпас». При значительных и длительных перегрузках ИБП переходит в режим автоматического байпаса, который характеризуется большой перегрузочной способностью. Однако современные инверторы на IGBT-транзисторах с ШИМ-регулированием тоже отличаются достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого замыкания (Iкз), достигающими 200 – 300% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 5 – 10% номинальной мощности, ИБП могут работать в инверторном режиме длительное время, не переходя в режим «байпас». На рисунке 3 приведены типичные перегрузочные характеристики ИБП. Допустимые области работы ИБП: 1– инверторный режим; 2 –  режим автоматического байпаса; 3 – область отключения ИБП. Следует иметь в виду, что количественные показатели приведенных токо-временных зависимостей у разных моделей ИБП могут отличаться. Знание перегрузочных характеристик позволяет оптимально выбирать необходимую номинальную мощность ИБП для нагрузок, обладающих большими пусковыми токами, исключая низкий коэффициент загрузки ИБП в статическом режиме при номинальных токах нагрузки.

Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным для  понимания перегрузочных свойств ИБП. При росте тока нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая максимальное значение тока на определенной величине Iогр. Чтобы искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке:
I_огр=1,5√2i_{вых.ном}
Соответственно, коэффициент амплитуды тока ограничения составляет: 
_{Ко.огр=Iогр}

Инвертор с ШИМ-регулированием выходного напряжения способен реагировать на изменения тока нагрузки, ограничивая его по амплитуде. При этом происходит увеличение длительности импульса тока на полупериоде выходного напряжения [8]. Так, например, инвертор с номинальной мощностью 5 кВА способен отдать 4 кВт активной мощности в RCD-нагрузку с искажением синусоидальности выходного напряжения не более 5%. Таким образом, выходной коэффициент мощности такого инвертора Крвых = 0,8.

В таблице 2 приведены типовые перегрузочные характеристики  ИБП малой и средней мощности.

Таблица 2. Типовые перегрузочные характеристики ИБП малой и средней мощности

Переходные характеристики ИБП

Эти характеристики носят так же название системных или «вход – выход». К ним относятся такие параметры, как энергетический коэффициент, показатели синхронизации, временные характеристики автономной работы ИБП и восстановление заряда АБ.

Энергетический коэффициент определяет соотношение полных мощностей — потребляемой ИБП из сети и отдаваемой ИБП  в нагрузку [8]:

ФОРМУЛА

Если выполняется условие Кэ ≥ Крн, то ИБП потребляет из сети полную мощность равную или меньше той, что ИБП отдает в нагрузку:

ФОРМУЛА

Данное положение распространяется на ИБП с высоким входным коэффициентом мощности при работе на нелинейные нагрузки с низким коэффициентом мощности. Это явление объясняется тем, что при нелинейной нагрузке ток реактивной мощности и высокочастотные гармоники тока мощности искажения замыкаются в контуре «инвертор – нагрузка» и не проявляются во входной цепи ИБП. Можно показать, что при заданном коэффициенте мощности нагрузки Крн и КПД активная мощность на входе ИБП будет составлять:

ФОРМУЛА 9

Полная мощность на входе ИБП будет определяться входным коэффициентом мощности:

ФОРМУЛА 10

При условии Uвх = Uвых, имеем:

ФОРМУЛА 11 

Рассмотрим пример использования ИБП со следующими показателями: Крвх = 0,95, КПД = 90%, при работе на нелинейную нагрузку с коэффициентом мощности Крн = 0,63.

Из соотношения (11) имеем: Iвх = 0,74 Iвых. Уменьшение действующего значения входного тока ИДП относительно выходного тока приводит к снижению загруженности сети по сравнению с тем, когда нагрузка подключена к сети напрямую. Так как потери мощности пропорциональны квадрату тока, то потери мощности в линиях электропередачи с использованием ИБП в нашем примере составят 54% от потерь при питании той же нагрузки от сети без ИБП. Это обстоятельство особо важно при наличии, так называемых, «мягких» линий электропередачи. Таким образом, обобщенный энергетический коэффициент является одним из важнейших показателей, определяющих целесообразность применения ИБП с двойным преобразованием не только для обеспечения бесперебойного электропитания нагрузки при пропадании или искажении сети, но и для оптимизации энергопотребления при нагрузках с низким коэффициентом мощности.

Временные характеристики автономной работы ИБП показывают предельные времена работы ИБП от энергии АБ при отсутствии или недопустимых отклонениях сети в зависимости от коэффициента нагрузки. Значительное увеличение времени резерва достигается внешним подключением дополнительных аккумуляторных модулей. Следует обратить внимание на нелинейную зависимость временных характеристик от значения коэффициента нагрузки [8].

Время восстановления заряда аккумуляторной батареи АБ характеризует возможность работы ИБП в повторных автономных режимах и зависит от используемой емкости АБ. Время заряда АБ от 20% до 90% емкости составляет в среднем 6 – 8 часов.

Показатели синхронизации характеризуют синхронную работу инвертора и цепи «байпас», которая должна поддерживаться при отклонениях частоты в пределах +/–8% от номинальной со скоростью изменения частоты в пределах 1 – 4 Гц/с. При автономной работе выходная частота инвертора должна поддерживаться с точностью +/–0,1% от номинальной.

Характеристики динамических режимов работы и спектральные характеристики ИБП

Данный раздел посвящен результатам экспериментального исследования динамических режимов и спектральных характеристик ИБП с двойным преобразованием мощностью 1 – 3 кВА [9]. При этих исследованиях определялись:

·        провалы и всплески мгновенных значений выходного напряжения и тока и время возврата в установившийся режим работы ИБП после скачков нагрузки;

·        реакция ИБП на скачки входного напряжения;

·        перегрузочные и защитные способности ИБП;

·        гармонический состав выходного напряжения и тока в установившихся процессах при различном характере нагрузок и форме входного напряжения.

Названный перечень динамических характеристик отражает общие требования к ИБП, изложенные в стандартах [3, 4]. Результаты исследования переходных процессов при скачках нагрузки приведены на рисунках  4 а, б. Анализ показывает, что при скачке линейной нагрузки до 100%  выходное напряжение снижается на 3,5% от величины установившегося значения и затем восстанавливается до исходного уровня за 60 мс (см. рис. 4а). Отметим, что статическая точность стабилизации ИБП составляет +/–2%. При скачкообразном сбросе 100% линейной нагрузки зарегистрировано увеличение выходного напряжения на 4% и возврат к установившемуся значению в течение 100 мс (см. рис. 4б).

На рисунке 5а приведены осциллограммы выходного напряжения и тока при включении двигательной нагрузки, суммарная мощность которой составила 150%  номинальной мощности ИБП. В связи с перегрузкой ИБП автоматически перешел в режим «байпас», а затем, по окончании режима пуска двигателя ИБП, вновь перешел в режим двойного преобразования. При этом видно, что переход из режима двойного преобразования в байпас и наоборот происходит мгновенно, без искажений кривых напряжения и тока.     

Процесс перехода на байпас и возврат в режим двойного преобразования был приведен на рисунке 5а. При превышении нагрузки более 110% инвертор продолжает работу в течение 30 с, а затем ИБП переходит на байпас. В случае увеличения нагрузки до 150% инвертор продолжает работать 0,2 с до перехода на байпас.

На рисунке 5б приведены осциллограммы выходного напряжения и тока ИБП 3 кВА при включении нелинейной нагрузки, коэффициент амплитуды (крест-фактор) которой равен 2,84, а полная мощность – 1,8 кВА. Первоначальный всплеск тока превысил в 2,4 раза пиковое значение тока в установившемся режиме. При этом выходное напряжение снизилось на 9% от установившегося значения и затем восстановилось до исходного уровня в течение 40 мс.

При исследовании поведения ИБП при скачках входного напряжения было отмечено, что он обеспечивает практически мгновенную реакцию на возмущения, и стабильность выходного напряжения остается в пределах статической точности +/–2%. Эффективность электронной защиты инвертора проверялась при автономной работе ИБП путем включения двигательной нагрузки с превышением 150% номинальной нагрузки (пуск двигателя). Через 0,22 с после включения двигателя ИБП был отключен электронной защитой от перегрузки (см. рис. 6). Эксперимент подтвердил паспортные данные о перегрузочной способности инвертора (200 мс) и надежность срабатывания электронной защиты ИБП.

Исследование гармонического состава выходного напряжения и тока при линейной и нелинейной нагрузках показало, что коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения не превышает допустимые значения [11] при любом характере нагрузки, как в сетевом, так и в автономном режимах.

В таблице 3 приведены результаты испытаний ИБП мощностью 3 кВА на состав высших гармоник в выходном и входном напряжениях и токах при нелинейной нагрузке мощностью 1,8 кВА.

Таблица 3. Спектральный состав токов и напряжений при нелинейной нагрузке   

Как следует из анализа гармонического состава выходного напряжения при использовании ИБП с двойным преобразованием имеем незначительный коэффициент искажения синусоидальности Ки = 3,8% при существенно нелинейной нагрузке и при допустимом содержании высших гармоник выходного напряжения инвертора не более 10% [9]. При существенно несинусоидальной форме входного напряжения, соответствующей  коэффициенту искажения синусоидальности 36 – 41% (прямоугольное напряжение со значительном коэффициентом третьей гармоники),  выходное напряжение ИБП имеет синусоидальную форму Ки вых = (0,6 – 1)%. Это обстоятельство особо важно при питании ИБП от дизель-генераторной установки (ДГУ) малой мощности, когда напряжение ДГУ имеет значительные искажения от синусоидальной формы.

Литература:
   1. Климов В. Современные источники бесперебойного питания: классификация и структуры однофазных ИДП. Часть1//Электронные компоненты, №6, 2008.
   2. Климов В. Структуры силовых цепей трехфазных ИБП. Часть 2//Электронные компоненты, №8, 2008.
   3. International Standard IEC 62040-3.1999, Uninterruptible Power Systems (UPS), part 3: Method of Specifying the Performance and Test Requirements.
   4. ГОСТ 27699-88. Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. Общие технические условия.
   5. Jean N. Fiorina Inverters and Harmonics, MGE UPS Systems, MGE 159, 1993
  6. Климов В., Москалев А. Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания//Силовая Электроника, №3, 2007.
   7.  Климов В., Смирнов В. Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания//Практическая силовая электроника, вып.5, 2002.
   8. Климов В., Климова С. Энергетические показатели источников бесперебойного питания переменного тока, Электронные компоненты,  №4, 2004.
   9. Климов В. и др. Однофазные источники бесперебойного питания серии ДПК: динамические и спектральные характеристики//Силовая Электроника, №2, 2007.
  10. Климов В. Многомодульные структуры ИБП и организация параллельной работы мономодульных ИБП. Часть 3//Электронные компоненты, №9, 2008.
  11. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

Сравнение некоторых характеристик источников питания класса DC-DC

К основным характеристикам источников питания класса DC-DC относятся такие, как:

• входное и выходное напряжение,
• выходная мощность,
• максимальный выходной ток,
• массогабаритные характеристики.

Однако при конкретных применениях стоит обратить внимание и на некоторые другие характеристики, которые могут быть определяющими при выборе того или иного источника.

1. Источник питания DC-DC. Режим работы.

Необходимо испытать источник в трех режимах работы:

• режим включения;
• режим холостого хода;
• режим работы с максимальным потреблением электроэнергии.

При включении начинает течь высокий пусковой ток в течение короткого промежутка времени, причиной которого, например, может быть заряд сглаживающих конденсаторов.

Это может привести к тому, что при одновременном включении сразу нескольких источников с высокой амплитудой пускового тока может произойти кратковременная просадка напряжения в первичной сети питания.

Не лишним будет испытать источник на возможность работы в режиме холостого хода (без нагрузки), а также посмотреть, на сколько изменится напряжение на выходе источника при увеличении тока нагрузки от холостого хода до номинального и максимального значения.

Условия работы при максимальном потреблении энергии могут значительно отличаться от номинальных рабочих условий. Такие ситуации также должны быть испытаны. Источник питания должен работать с максимально допустимым током продолжительное время.

ЗАО «РЕОМ» осуществляет производство источников питания серии ПНВ27 РВТК.436434.001 ТУ у которых при изменении выходного тока от холостого хода до максимального значения нагрузки, выходное напряжение изменяется не более чем на ± 0,6%.

Для примера, источники питания производства ООО «Александер Электрик» допускают работу без нагрузки (при холостом ходе), при этом выходное напряжение изменяется не более чем на 10% от Uном,  а у источников серии «МП» производства АО «НПП «ЭлТом» напряжение холостого хода изменяется не более чем на 5% от Uном.

      2. Работа источника питания на емкостную нагрузку.

В справочных данных, как правило, можно найти значение максимальной емкости, которую можно подключать к источнику питания.  Особенно полезно испытать работу источника на емкостную нагрузку, так как устройства, используемые в качестве нагрузки, как правило, содержат в своем составе накопительные емкости.

Чем больше таких устройств, тем больше суммарная емкость нагрузки. В момент подачи напряжения от источника питания незаряженная емкость воспринимается им как короткое замыкание.

Длительность этого замыкания тем больше, чем больше емкость нагрузки и выше сопротивление соединительных проводов. Испытать этот параметр можно, подключив к выходу источника питания электролитический конденсатор емкостью, соответствующей заявленной производителем.

Например, для источника типа МДМ-20-1Е05ВП БКЮС.430609.002 ТУ  производства ООО «Александер Электрик»  максимальная емкость составляет 4000 мкФ, а для источников питания серии ПНВ27 РВТК.436434.001 ТУ максимальная емкость не ограничена!

На рисунке 1 приведен график работы источника питания типа ПНВ27 на нагрузку емкостью 50000 мкФ.

 

  Рисунок 1.  График работы источника типа ПНВ27 на нагрузку емкостью 50000 мкФ.

      3. Влияние окружающей температуры.

Для обеспечения длительного срока службы источники не должны долгое время работать при температурах, соответствующих верхнему температурному пределу, так как от высокой температуры изменяются параметры элементов, входящих в их состав.

Довольно часто, после достижения температуры окружающей среды от +85 до 100ᵒС выходная мощность источников стремительно падает почти до нуля. Это означает, что режим полной выходной мощности может быть использован только до определенной окружающей температуры или при наличии радиатора.

Ниже приведены графики зависимости выходной мощности от температуры для источников серии «Мираж-ЕП» производства ООО «Александер Электрик» (рисунок 2) и источников серии «МП» производства АО «НПП «ЭлТом» (рисунок 3).

Рисунок 2. Зависимость выходной мощности от температуры окружающей среды для источников серии «Мираж-ЕП».

Рисунок 3. Зависимость выходной мощности от температуры окружающей среды для источников  серии «МП».

Источники вторичного электропитания серии ПНВ27 сохраняют номинальную выходную мощность неизменной, работая при температуре +100ᵒС в течение 1000 часов, что подтверждено протоколами испытаний АО «РНИИ «Электронстандарт».

     4. Шумы.

Любой DC/DC-источник генерирует шумы. Напряжение практически всех преобразователей имеет форму меандра, поэтому у преобразователей широкая спектральная полоса, начинающаяся с тактовой частоты и распространяющаяся до сотен мегагерц.

Не все источники имеют встроенные компоненты, снижающие генерируемый шум, во многих случаях для удовлетворения строгих требований стандартов для подавления излучаемых помех приходится покупать внешние фильтры, что увеличивает общую стоимость проекта.

У ИВЭП ПНВ27 фильтры для подавления излучаемых помех входят в состав источников.

Ведущий инженер
ЗАО «РЕОМ»

Внимание! Все материалы сайта охраняются законом об авторском праве. Любая перепечатка информации, изложенной в любом разделе допускается только со ссылкой на страницу, откуда взята перепечатанная информация.

<< Предыдущая  Следующая >>

Банки резистивной, индуктивной и емкостной нагрузки

Степень, в которой пики напряжения и тока в отдельные моменты времени количественно выражаются коэффициентом мощности . Для чисто резистивных нагрузок коэффициент мощности равен 1. Увеличение отклонения от этого значения указывает на уменьшение количества реальной мощности, доступной для работы.

Типы элементов банка нагрузки

Элементы резистивной нагрузки

В наиболее распространенных банках нагрузки используются резистивные нагрузочные элементы. Сопротивление возникает, когда ток проходит через проводники в элементе батареи нагрузки, выделяя тепло и помещая соответствующую электрическую нагрузку на источник питания.Резистивные элементы нагрузки могут создавать точные величины нагрузки при коэффициенте мощности равном 1.

Резистивные нагрузочные элементы выделяют большое количество тепла, которое необходимо быстро рассеивать, чтобы предотвратить перегрев. Следовательно, блоки нагрузки используют принудительный воздух для охлаждения резистивных элементов, который обеспечивается специальной силовой цепью и одним или несколькими вентиляторами.

Загрузка первичного двигателя, обычно дизельного двигателя, может выявить проблемы в его топливной, выхлопной, охлаждающей и других системах. Поскольку резистивные элементы работают с единичным коэффициентом мощности, они не проверяют реактивную мощность, вырабатываемую источником питания.Поскольку большинство систем распределения электроэнергии работают с запаздывающим коэффициентом мощности около 0,8, резистивный блок может прикладывать нагрузку до 100% номинальной мощности, указанной на паспортной табличке генератора, в кВт. Однако резистивные нагрузочные элементы не будут проверять генератор на индуктивную или реактивную нагрузку в цепи.

Индуктивные нагрузочные элементы

Известные также как элементы реактивной нагрузки, индуктивные элементы используют проволочные катушки для создания индуктивных полей. Мощность, используемая для создания и поддержания этих полей, нагружает тестируемый источник питания.По сравнению с резистивными нагрузками, ток индуктивной нагрузки достигает пика после напряжения. Следовательно, индуктивные катушки производят отстающие коэффициенты мощности.

Поскольку они производят отстающие коэффициенты мощности, элементы индуктивной нагрузки используются всякий раз, когда необходимо уменьшить коэффициент мощности испытательной нагрузки. Например, коэффициент мощности в системе электроснабжения больницы может быть около 0,8. Однако во время испытаний генератора вместо активной нагрузки здания можно использовать блоки нагрузки, чтобы избежать нарушения подачи электроэнергии на объект.Поскольку резистивные блоки нагрузки обеспечивают коэффициент мощности 1, они не могут тестировать источник питания при его номинальной мощности в кВА. Добавление блока индуктивной нагрузки может отрегулировать коэффициент мощности до значения, необходимого для тестирования полной мощности.

Емкостные нагрузочные элементы

В емкостных элементах нагрузки используются конденсаторы, накапливающие электрический заряд. Они сопротивляются изменениям напряжения, в результате чего ток достигает пика перед напряжением во время каждого электрического цикла. В результате элементы емкостной нагрузки обеспечивают ведущий коэффициент мощности и могут использоваться для повышения коэффициентов мощности цепей.

Комбинированные конструкции силовых элементов

Комбинированные блоки нагрузки обычно обеспечивают как резистивные, так и индуктивные элементы нагрузки в одном корпусе. Для генераторов это позволяет проводить испытания при 100% номинальной мощности кВА. Активными и индуктивными элементами нагрузки можно независимо управлять для создания чисто резистивных или индуктивных нагрузок или для регулировки коэффициента мощности по мере необходимости.

Примечательно, что блоки нагрузки с более чем одним типом элементов могут удовлетворить самый широкий спектр приложений.Комбинированные блоки нагрузки используются для тестирования турбин, распределительных устройств, роторных ИБП, генераторов и систем ИБП. Эти банки нагрузки могут быть особенно подходящими для использования компаниями по аренде, которые могут потребоваться для размещения различных типов нагрузки при перемещении оборудования с места на место.

Сводка

Нагрузочные батареи доступны с резистивными, индуктивными и емкостными элементами нагрузки. Резистивные блоки проверяют источники питания без изменения коэффициента мощности. Индуктивные и емкостные элементы нагрузки могут использоваться для моделирования неединичных нагрузок и для регулировки коэффициента мощности цепей.Банки нагрузки с комбинированными элементами банка нагрузки предлагают самый широкий набор функций, который может быть особенно подходящим для приложений, в которых банки нагрузки перемещаются с сайта на сайт. Дополнительные сведения о типах элементов нагрузки и их применении см. В официальном документе ASCO Power Technologies под названием Элементы банка резистивной, индуктивной и емкостной нагрузки — функции, конструкция, применение .

Емкостная нагрузка — обзор

7.6 Анализ устойчивости графика реактивного сопротивления эмиттер-повторитель

Каскады CC обычно используются для управления емкостными нагрузками, такими как линии передачи.Высокий коэффициент усиления по току CC-конфигурации позволяет ей обеспечивать высокие переходные токи, необходимые для быстрой зарядки емкостной нагрузки. Когда емкостная нагрузка сочетается с сопротивлением базы, может возникнуть высокочастотный резонанс.

На рисунке 7.14 показан усилитель CC с его ВЧ и общей схемой замещения эмиттерного узла. Результирующий график реактивного сопротивления для высокочастотной цепи показан на рис. 7.15. Обычно мы объединяем параллельные R s и C s перед построением графика.Здесь участки a и b высокочастотной схемы нанесены отдельно, поскольку элементы внутри них взаимозависимы. Участок a из Z _E является резистивным до f _T и емкостным со значением C _B выше f _T . Участок b является индуктивным до f _T , выше которого он резистивный со значением R _B . На диаграмме реактивного сопротивления были выбраны R _B и C _B , так что R _B C _B = τ _β ; они пересекаются в точке f _β . C _E намного больше, чем C _B , и пересекает график для участка b в резонансной точке r . На рис. 7.15 это параллельный резонанс; сопротивление меньше, чем полное сопротивление при r, Z _n , требуется для его гашения. График импеданса от участка до является резистивным и меньше Z _n при f _n ; он гасит резонанс. Поскольку это сопротивление уменьшается по мере увеличения C _B , увеличение емкости базы имеет тенденцию к стабилизации емкостного нагруженного эмиттерного повторителя.

РИС. 7.14. Общий коллектор (а), высокочастотная модель (б) и эквивалентная схема эмиттерного узла общего назначения (в).

РИС. 7.15. График реактивного сопротивления на рис. 7.14 с R _B C _B = τ _T .

Из графика реактивного сопротивления на рис. 7.15 мы можем увидеть, какое влияние оказывают изменения значений элементов схемы. Для участка a увеличение C _B заставляет резистивный сегмент графика a двигаться вниз и, таким образом, обеспечивает большее демпфирование при r .В то же время диагональная линия, представляющая C _B , перемещается влево. Частота разрыва не изменяется, но остается постоянной на уровне f _T , поэтому кривая a движется вниз по мере увеличения C _B . Аналогично, увеличение R _B увеличивает индуктивность ниже f _T на кривой b , в то время как частота прерывания f _T остается фиксированной. То есть R _B τ _T всегда пересекает R _B на f _T .Увеличение R _B перемещает кривую b вверх.

Из анализа диаграммы реактивного сопротивления мы можем заметить, что уменьшение C _E или увеличение R _B или C _B имеет тенденцию к стабилизации цепи, потому что Z _n увеличивается относительно демпфирующего сопротивления. C _E имеет диапазон, в котором может возникнуть нестабильность. По мере увеличения C _E его график перемещается влево, а r перемещается вместе с ним и вниз, пока не пересекает кривую a в точке f _β .Тогда 1/ sC _E = τ _T / C _B при f _β , и r исключается, поскольку инерция импеданса не возникает ниже f _β . Это также верно для f _T . Если C _E уменьшается до пересечения с R _B при f _T , r исчезает. Кроме того, усиление транзистора выше f _T может быть недостаточным для поддержания колебаний в любом случае.Поскольку графики реактивного сопротивления являются асимптотическими приближениями, ВЧ-эффекты распространяются несколько выше и ниже ВЧ-области.

Этот анализ предполагает, что C _B ≪ C _E и τ _T / C _B ≪ R _B . В более общем смысле, когда C _B увеличивается, возникают два эффекта: его β-вращательное сопротивление, τ _T / C _B , уменьшается (увеличивается демпфирование), и C _B также добавляет к C _E , убывающая Z _n .Адекватное демпфирование может иметь место только тогда, когда преобладает C _E . Если C _E становится пренебрежимо малым по сравнению с C _B , то резонанс не может быть подавлен лучше, чем ζ = 0,5. (См. Раздел 7.7.) Для максимальной скорости цепи желательно минимальное значение C _B , чтобы минимизировать базовую постоянную времени на входе.

Как емкостная нагрузка влияет на коэффициент мощности?

Все электрические нагрузки (включая кабели передачи энергии) представляют собой комбинацию резистивных (R), индуктивных (L) и емкостных (C) цепей.Все формы сигналов переменного напряжения и тока имеют некоторый угол между собой; косинус этого угла называется «коэффициентом мощности» и обычно выражается в единицах (или иногда в процентах).

Емкостная трехфазная нагрузка используется для увеличения коэффициента мощности, поскольку ток в емкостной цепи опережает напряжение питания. Показателем коэффициента мощности является реактивная мощность, а коэффициент мощности — это косинус угла, на который ток опережает или отстает от напряжения питания, поэтому, когда мы увеличиваем коэффициент мощности, мы фактически уменьшаем угол запаздывания между ток и напряжение питания, так как большинство нагрузок индуктивны, и сделать косинус этого угла больше i.е. приближаются к единице, кроме того, снижается реактивная мощность, которая не работает в цепи, за исключением того, что она течет туда-сюда, вызывая перегрев.

Чисто резистивные нагрузки вообще не изменяют форму волны переменного тока, подаваемой на них. Это означает, что напряжение и ток протекают вместе, и одна форма волны, наложенная на другую (без учета амплитуды), не будет отличаться. Фактически, «угол» между ними теперь равен нулю, а косинус нуля равен единице.

Чисто индуктивные нагрузки «замедляют» ток.Теперь две формы сигнала рассинхронизированы, что создает ненулевой угол между ними. Фактически угол составляет 90 градусов. Термин «запаздывание» обычно применяется к нагрузкам в этом состоянии, потому что форма волны тока «отстает» от формы волны напряжения.

Чисто емкостные нагрузки «замедляют» напряжение. Теперь две формы сигнала рассинхронизированы, что создает ненулевой угол между ними. Фактически угол составляет 90 градусов. Термин «опережающий» обычно применяется к нагрузкам в этом состоянии, потому что форма волны напряжения «отстает» от формы волны тока.(Также может быть указано как «текущее напряжение LEADS».)

Большая часть промышленного оборудования в основном представляет собой комбинацию резистивных и индуктивных элементов (например, двигатель). Это означает, что эти машины искажают соотношение между током и напряжением, «замедляя» форму волны тока. Чтобы противодействовать этому — то есть приблизить отношения к идентичным — используются емкостные элементы, чтобы «замедлить» напряжение и привести еще два в соответствие.

Если угол между напряжением и током становится ближе к нулю, то косинус угла становится ближе к единице, что означает «улучшение» коэффициента мощности.Улучшение — в данном случае — означает, что большая часть входной мощности идет на полезную работу (т. Е. На производство ватт), а не тратится впустую (на производство варов).

Питание высокоемкостных нагрузок с помощью преобразователей постоянного тока в постоянный

Емкость на входе преобразователя постоянного тока в постоянный играет важную роль в поддержании стабильности преобразователя и играет роль в фильтрации входных электромагнитных помех. Большая емкость на выходе преобразователя постоянного тока может создать серьезные проблемы для энергосистемы.Многим нагрузкам после преобразователя постоянного тока требуется емкость для правильной работы. Эти нагрузки могут быть импульсными усилителями мощности или другими преобразователями, которым требуется емкость на их входах. Если емкость на нагрузке превышает значение, на которое рассчитана система питания постоянного тока, система питания может превысить свой максимальный номинальный ток при запуске и во время нормальной работы. Емкость также может вызвать проблемы со стабильностью энергосистемы и привести к неправильной работе системы и преждевременному отказу энергосистемы.

В энергосистеме можно реализовать несколько простых методов для поддержания эффективной и надежной конструкции при питании нагрузок с высокой емкостью. Уменьшение времени нарастания напряжения на нагрузочном конденсаторе при запуске будет поддерживать энергосистему в пределах ее номинального тока, управление током заряда в конденсаторе во время работы будет поддерживать энергосистему в пределах ее номинальной мощности, а регулировка контура управления системы сохранит энергосистема стабильна и находится в пределах номинального напряжения системы.

Рекомендации по запуску

При запуске типичный преобразователь постоянного тока в постоянный имеет стандартное время нарастания, заданное нарастанием внутреннего опорного сигнала усилителя ошибки. Разряженный конденсатор, помещенный на выходе преобразователя, будет иметь низкое сопротивление нагрузки. При таком низком выходном сопротивлении несколько циклов переключения преобразователя могут вызвать изменение напряжения на конденсаторе, достаточно высокое, чтобы заставить преобразователь превысить номинальный выходной ток. Конденсатор может быть предварительно заряжен через цепь с более высоким импедансом на выходе преобразователя.Этот элемент с высоким импедансом будет ограничивать ток заряда в конденсаторе до тех пор, пока конденсатор не будет заряжен до заданного уровня напряжения. После достижения заранее определенного уровня напряжения путь с высоким импедансом может быть удален или закорочен с помощью устройства с низким импедансом, такого как полевой транзистор.

Преобразователь может передавать свой полный номинальный ток через этот путь с более низким импедансом. Когда полевой транзистор замыкает путь полного сопротивления, полное напряжение преобразователя позволяет заряжать конденсатор. Время включения полевого транзистора и разность напряжений между конденсатором и напряжением преобразователя будут определять ток заряда, необходимый для приведения конденсатора к полному напряжению, и, таким образом, важно установить предварительно определенный уровень напряжения до точки, в которой полевой транзистор включение не приводит к превышению номинального тока преобразователя.Блок-схему на рисунке 1 можно использовать для зарядки конденсатора до заданного минимума напряжения. U2 управляет полевым транзистором, который закорачивает импеданс Z, а схема U1 работает вместе с U2 для установки напряжения включения и разрешения нагрузки.

Рисунок 1: Блок-схема предварительного заряда конденсатора

Рисунок 1: Блок-схема предварительного заряда конденсатора

При запуске преобразователь будет видеть конденсатор как нагрузку, а также нагрузку системы после конденсатора.Если системная нагрузка требует тока от конденсатора во время предварительной зарядки с высоким импедансом, конденсатор может не достичь предварительно установленного напряжения заряда. Многие нагрузки, расположенные ниже по потоку от преобразователя постоянного тока в постоянный, имеют блокировку пониженного напряжения, при которой они потребуют небольшого тока. Если нагрузка не имеет блокировки при пониженном напряжении выше предварительно установленного напряжения заряда, следует использовать внешнее включение. Если нагрузка является резистивной по своей природе, можно использовать последовательный переключатель для включения напряжения на нагрузке после зарядки конденсатора.На рисунке 2 показаны напряжение и ток системы, заряжающей конденсатор 10 мФ.

Рисунок 2: Преобразователь 12 В _DC , заряжающий конденсатор 10 кФ

Рисунок 2: Преобразователь 12 В _DC , заряжающий конденсатор 10 кФ

После того, как конденсатор заряжен, нагрузка может начать потреблять ток от конденсатора и преобразователя постоянного тока. Существуют нагрузки, которые требуют тока быстро, и ток будет передаваться конденсатором, если спрос выходит за пределы полосы пропускания преобразователя.Как только через конденсатор подается ток, напряжение на конденсаторе падает:

где Vdrop — это падение напряжения на конденсаторе, I — потребляемый ток, C — емкость конденсатора, а dt — продолжительность потребляемого тока. Преобразователь зарядит конденсатор до его первоначального значения, и при этом преобразователь может превысить свой номинальный ток. Разность напряжений между преобразователем и разряженным конденсатором, деленная на сопротивление между двумя напряжениями, будет определять желаемый ток перезарядки.Сопротивление между двумя напряжениями обычно очень низкое, чтобы уменьшить потери в системе, и, таким образом, требуемый ток перезарядки может быть выше, чем максимум преобразователя. Поскольку напряжение конденсатора близко к уставке напряжения преобразователя, превышение максимального тока преобразователя также может привести к превышению максимальной мощности преобразователя.

Чтобы преобразователь не превышал номинальные значения тока и мощности во время нормальной работы, блок-схему управления током на Рисунке 3 можно использовать для управления током перезарядки после события высокого di / dt.Схема контролирует ток через шунтирующий резистор и ограничивает ток перезарядки, активно снижая напряжение преобразователя. Ограниченный перепад напряжения между преобразователем и конденсатором будет ограничивать ток перезарядки конденсатора, чтобы преобразователь оставался в пределах его тока и мощности. По мере увеличения напряжения конденсатора напряжение преобразователя повышается, пока не достигнет заданного значения.

Метод ограничения тока, показанный на Рисунке 3, может использоваться вместе с методом предварительной зарядки, показанным на Рисунке 1, что позволяет ускорить запуск.Предварительная зарядка может зарядить конденсатор до минимального напряжения подстройки преобразователя, а затем преобразователь может полностью зарядить конденсатор своим полным номинальным током. Управление скоростью нарастания выходного напряжения будет управлять током, заряжающим конденсатор. Однако большинство DC-DC преобразователей имеют узкий диапазон регулировки или подстройки от их номинального установленного напряжения. Типичный диапазон подстройки составляет +/- 10%. Есть некоторые производители, которые имеют более широкий диапазон настройки, в которой преобразователь может быть уменьшен до -90% от номинального установленного напряжения.Чем ниже диапазон подстройки напряжения, тем меньше потребность в цепи включения, поскольку нижестоящие нагрузки обычно имеют блокировку при пониженном напряжении, близкую к минимуму их рабочего напряжения.

Рисунок 3: Блок-схема внешнего ограничения тока

Рисунок 3: Блок-схема внешнего ограничения тока

Как только преобразователь удерживается в допустимых пределах при запуске и во время работы, мы должны теперь обеспечить стабильность системы.Большой конденсатор на выходе преобразователя постоянного тока может ухудшить запас по фазе системы и вызвать колебания. Чтобы преобразователь работал стабильно, последовательно с конденсатором должно быть минимальное сопротивление. Импеданс вывода или следа, ESR полевого транзистора и ESR конденсатора вносят вклад в этот импеданс. Лучший способ найти минимальное значение для этого импеданса — использовать анализатор цепей и запустить системный анализ для определения фазы и запаса по усилению. Если анализатор цепей недоступен, к системе можно применить ступенчатую нагрузку и проанализировать формы волны напряжения и тока преобразователя, чтобы убедиться в отсутствии чрезмерного звона, который является признаком плохой стабильности.

Как только контур напряжения стабилизируется, можно исследовать контур регулирования тока на Рисунке 3 на предмет его вклада в стабильность системы. Этот контур управления током находится внутри контура управления преобразователя постоянного тока и должен иметь полосу пропускания значительно ниже частоты кроссовера контура системы, чтобы два контура не взаимодействовали. В системах преобразователей, в которых компенсационная сеть силовой передачи заключена в преобразователь, производитель преобразователя может предоставить достаточно информации, чтобы установить подходящую частоту перехода для токового контура управления.Есть несколько производителей преобразователей, которые дают разработчикам возможность настраивать контур управления силовой передачей, чтобы оптимизировать производительность для конкретного приложения. На рисунке 4 показан преобразователь с внешним контуром управления. Контур управления можно оптимизировать для обеспечения максимальной производительности системы. Этот внешний контур управления может быть жизненно важным в тех случаях, когда время отклика энергосистемы критично для правильной работы системы. Это имеет место в случае применения периодической импульсной нагрузки, когда преобразователь должен перезарядить конденсатор перед следующим импульсом мощности.Стабильность системы следует проверять либо с помощью анализатора цепей, либо с помощью ступенчатого нагрузочного теста. В нестабильных системах могут наблюдаться скачки напряжения, превышающие номинальные значения компонентов энергосистемы, что в конечном итоге может привести к отказу энергосистемы.

Рисунок 4: Преобразователь с внешним контуром управления

Рисунок 4: Преобразователь с внешним контуром управления

Емкостная нагрузка

Входная емкость пробника приводит к уменьшению общего входного импеданса в зависимости от частоты.По этой причине входная емкость становится одним из наиболее важных параметров, влияющих на высокочастотные измерения. На следующем графике показано зависимость сопротивления пробника от частоты для двух пробников: a 1 M Ω , Датчик 6 пФ и датчик 54701A (100 кОм Ω , 0,6 пФ).

Вы заметите, что из-за более низкой входной емкости пробник 54701A на самом деле имеет более высокое входное сопротивление для частот выше 240 кГц. На частотах выше 2.65 МГц, он имеет сопротивление в 10 раз больше, чем 1 МОм. Ω зонд.

Входная емкость пробника образует постоянную времени RC с параллельной комбинацией импеданса источника и входного сопротивления пробника. Это может вызвать увеличение времени нарастания цепи и задержку фронта импульса. На следующем рисунке представлены графики трех симуляций SPICE, показывающих этот эффект нагрузки.

Схема, используемая на этом рисунке, смоделирована для системы с сопротивлением 50 Ом с источником 1 нс и оконечной линией передачи с задержкой 500 пс.На врезке показана модель SPICE с точкой подключения датчика. Поскольку сигналы достигают более короткого времени нарастания, требуются пробники с более низкой входной емкостью для точных измерений времени и времени нарастания.

Определения графиков

Номер участка	Время нарастания	Задержка
1 — показывает фронт сигнала перед зондированием	1 нс	0.0 пс
2 — показывает край после измерения пробником 6 пФ	1.067 нс	150 л.с.
3 — показывает край после измерения пробником 15 пФ	1.33 нс	340 л.с.

Вы заметите, что пробник 6 пФ не увеличил значительно время нарастания сигнала, но задержал его (относительно точки 50%) примерно на 150 пс. Пробник на 15 пФ не только замедлил время нарастания примерно на 33%, но и задержал фронт на 340 пс.

резистивных и емкостных нагрузок

резистивных и емкостных нагрузок
Далее: Упражнение по учебному модулю Up: Аналоговый и цифровой интерфейс Предыдущая: Механические переключатели

В этом разделе обсуждаются методы вождения резистивных и емкостные нагрузки от выходных контактов MicroStamp11.Некоторые необходимо соблюдать осторожность при подключении таких нагрузок к выходу штифт, чтобы предотвратить повреждение MicroStamp11. Чтобы увидеть как может произойти такой ущерб, давайте рассмотрим Схема показана ниже на рисунке 17.

Рисунок 17: Подключение светодиода к MicroStamp11

Выходной контакт MicroStamp11 можно смоделировать как независимый источник напряжения 5 В при логическом выводе состояние «высокое». Итак, давайте посмотрим, что произойдет, если мы воспользуемся левая схема на рисунке 17.Этот цепь напрямую соединяет выходной контакт с землей через светодиод (LED). Из-за диода ориентации, этот диод смещен в прямом направлении. Нападающий смещенный диод будет падать вольт (это пороговое напряжение диода и он находится где-то между 0,7 и 1,6 вольт в зависимости от тип полупроводникового материала, используемого в диоде). Но устройство с прямым смещением, по сути, короткое цепи, что означает, что его сопротивление по существу равно нулю. По закону Ома ток, проходя через диод будет задан уравнением

Вышеприведенное уравнение означает, что диод будет пытаться пройти бесконечный ток.На самом деле, конечно, MicroStamp11 не может обеспечить такой уровень тока для своего пиковый выходной ток ограничен примерно 10 мА. Тем не мение, устройство будет пытаться удовлетворить спрос и при этом вероятно, повредит хрупкую схему внутри ИС. Итак, левая схема, показанная на рисунке 17 крайне нежелательно. Если мы хотим чтобы управлять светодиодом, нам нужно найти способ ограничить текущий спрос на MicroStamp11.

Схема, ограничивающая потребление тока, показана в правая схема на рисунке 17.Поскольку резистор включен последовательно с диодом, ток, проходящий через диод, будет ограничен резистор. Ток, потребляемый этой схемой, будет задан по формуле

где — сопротивление токоограничивающего резистора в Ом. В качестве примера предположим, что вольт и предположим, что мы хотим сохранить текущий нарисованный из выходного контакта ниже 1 мА.Тогда нам потребуется

Переставляя термины, мы обнаруживаем, что

Другими словами, чтобы ток не выходил из выходной вывод ниже 1 мА, нам нужно поставить резистор 3,5 кОм последовательно со светодиодом.

Аналогичная проблема возникнет, если мы попытаемся использовать MicroStamp11 для управления конденсатором.Левая схема на рисунке 18 показан выходной контакт, подключенный к заземление через конденсатор,. Теперь мы знаем, что ток, проходящий через конденсатор, удовлетворяет связь

где — емкость (измеряется в фарадах) и — напряжение на конденсаторе. Итак, давайте подумаем о том, что происходит в схеме, показанной на рисунке 18. Обозначим через напряжение на выходном контакте и смотрим, что происходит когда мы «переключаем» состояние выходного контакта с низкого на высокий вовремя .Это означает, что форма волны является ступенчатой ​​функцией форма

Согласно уравнению конденсатора мы знаем, что ток пропорционален производной Напряжение. Производная равна нулю везде, кроме в . неограничен при и это означает, поэтому, когда мы включаем конденсатор, MicroStamp11 попытается обеспечить бесконечный ток через конденсатор на короткое время.Такой неограниченные токи, очевидно, могут повредить MicroStamp11 и поэтому нам нужно ограничить текущий поток, который может потенциально протекать через колпачок в ответ на шаг изменение приложенного выходного напряжения на контакте.

Рисунок 18: Подключение конденсатора

Еще раз, нам нужно использовать резистор последовательно с конденсатор для ограничения напряжения через конденсатор. Эта «более безопасная» схема показана на правой схеме в рисунок 18.Размер текущего ограничивающий резистор, снова определяется законом Ома. Обратите внимание, что в ответ на резкое изменение напряжения конденсатор кажется коротким замыканием. Итак, необходимая сопротивление можно получить из уравнения

Предполагая, как и раньше, мы хотим ограничить пик ток, потребляемый MicroStamp11, составляет менее 1 мА, Приведенное выше уравнение подразумевает, что нам нужно использовать сопротивление в килоомах.

Предыдущее обсуждение показало, как мы можем использовать токоограничивающий резистор для ограничения потребляемого тока из MicroStamp11 ниже указанного безопасного уровня. В в общем, однако, мы должны понимать, что эти текущие уровни очень маленькие, и в некоторых случаях они могут не быть достаточно большим, чтобы выдерживать нагрузку. Как Например, можно рассмотреть схему светодиода, показанную на рисунке 17. Яркость светодиода равна пропорционально протекающему через него току. Для достижения адекватный уровень яркости, мы можем захотеть проехать на этих Светодиоды показывают 10 мА, а не 1 мА.

Мы можем управлять нашими светодиодами более высоким током, если мы установите буфер между светодиодом и MicroStamp11. Две такие схемы показаны ниже на рисунке. 19. Левая схема использует npn биполярный транзистор как драйвер тока для светодиода. А Транзистор — это 3-контактный полупроводниковый прибор, который может действует как усилитель или электронный переключатель . Эти три клеммы называются базой , коллектором и эмиттером .Маркировка этих клеммы показаны на рисунке 19. Схема на рисунке 19 использует транзистор как переключатель. Выходной контакт подключен к базе вывод транзистора через ток 10 кОм ограничивающий резистор. Когда выходной контакт становится высоким (5 вольт), то транзистор выключается и тракт от коллектора к эмиттеру можно рассматривать как открытый схема. Когда выходной контакт становится низким (0 вольт), тогда транзистор включен и течет ток через светодиод. Достоинство этой схемы в том, что ток, управляющий светодиодом, поступает непосредственно от источника питания питание по тракту коллектор-эмиттер, а не через база-эмиттер путь.Итак, ток, взятый из MicroStamp11 маленький, и мы можем значительно уменьшить сопротивление для увеличения тока, протекающего через LED и, следовательно, увеличивают его яркость. Обратите внимание, что этот светодиод драйвер на самом деле является инвертором для установки высокого уровня входного сигнала. выключает светодиод.

Рисунок 19: Схемы драйверов светодиодов

Другой тип драйвера светодиода показан справа. схема на рисунке 19. В этой схеме используется интегральная схема, известная как драйвер тока Дарлингтона (ULN2001) управлять светодиодом.По сути, это то же самое, что и левая цепь за исключением того, что мы заменили одиночный npn-транзистор с помощью интегральной схемы, которая может обеспечить гораздо больший ток, чем мог бы был получен одним транзистором. Другой разница в том, что ULN2001 не работает как инвертор. чтобы светодиод включается, когда мы устанавливаем входную линию на высокий уровень.

---

Далее: Упражнение по учебному модулю Up: Аналоговый и цифровой интерфейс Предыдущая: Механические переключатели

Билл Гудвин 2002-09-29

(PDF) Влияние емкостных и индуктивных нагрузок на возможность обнаружения дуговых замыканий

В соответствии с I

N

автоматический выключатель

Компоненты распределительного устройства рассчитаны на

Токи выше номинального тока

кратковременно , но считаются недопустимыми

в более крупном масштабе времени.Выключатель тепловой защиты

защищает распределительное устройство от отключения питания

от сети.

Слаботочные дуговые замыкания — это неисправности в распределительном устройстве r

. Следовательно, общая защита

обнаруживает их, потому что они не требуют перегрузки по току

. Одним из основных отличий

является параллельное дуговое короткое замыкание

возможный ток короткого замыкания

короткое замыкание является потенциальным коротким замыканием, потому что

ограничено. Ток последовательного дугового короткого замыкания составляет

нагрузки, включенные последовательно к месту короткого замыкания.

определяется из этого:

Параллельное дуговое короткое замыкание является дополнительной нагрузкой i

Токовый путь не существовал до

Ток короткого замыкания добавляется к более чем

распределительное устройство. В зависимости от причины t

амплитуда тока дуги может изменяться, а c

— тока короткого замыкания. Следовательно, это может быть b

, потому что общий ток может превышать r

распределительного устройства.

Последовательное дуговое замыкание является дополнительным сопротивлением.

путь тока.

Из-за сопротивления дуги

потребление, последовательное дуговое замыкание снижает

подключенную нагрузку. Общий ток в

уменьшился из-за сопротивления дуги. Позиция

может только уменьшиться, но не должна иметь ту же точку

без дуги. Кроме того, как только дуга отключается

, дуга также гаснет. Повреждение

может иметь ограниченный ток дуги, но он должен быть обнаружен как можно раньше.

A. Отношение тока дуги к общему току

Может ли дуга легко обнаруживаться или n

соотношение между током дуги и распределительным устройством ove

. Если ток дуги мал в отн.

всех подключенных нагрузок, характеристики i

во временной и частотной области [6] могут использоваться в качестве надежного индикатора неисправности. Так как

, следовательно, особенность дуги cha

предсказуемо, уровень срабатывания дуги

должен быть достаточно высоким, чтобы избежать ложного срабатывания

уровень тока на определенной частоте sp

индикатор дуги, триггер для объявления дуги

до определенного уровня.Этот уровень может быть установлен при измерении

во время установки

Уровень запуска может быть установлен, например, на уровень измерения

без дугового замыкания.

Чтобы отличить дугу от нормальной нагрузки b

частот, также важно, как «

» уже есть токовый сигнал. Если есть серверы

, которые вызывают высокий уровень гармоник

частот, частоты, вызванные th

, находятся между другими. Для последовательных дуг выбран

, и все

несут этот ток.

допустимо для условия работы

ионной цепи

, влияющего на мощность

Ионный ток

ионных устройств не может привести к

, как правило, к

последовательной и

нулевой последовательности. Параллельная дуга

ее ток не

всегда ограничен

два правила может быть

распределительное устройство.

Произошла ошибка RC.

ll ток параллельной дуги

e,

uld даже приводит к

e, обнаруживаемым легче,

ted ток

ce в существующем

f и мощность

he ток к

КРУЭ

тока на дуге

выше, чем при нагрузке

е последовательно к

шес.Серийная дуга

также сбой, что

в переключателе

t сильно зависит от

весь ток в

ции до текущего

, определяя дугу в

е слишком мала, чтобы быть

е дуга тока и

характеристики не

устройство защиты

. Если, например,

ctra используется в качестве ошибки

, необходимо установить

, выполнив обнуление устройства защиты

.

шт., В два раза больше

, его характеристика

ontaminated »

нагрузки подключены

и мешающая

дуга может погаснуть

связь между током

и общим током I

дуга

положение дуги стабильно и t

при подключенной нагрузке. Для p

лучше, если дуга движется o

Вероятность срабатывания защиты

Ток дуги также составляет

дуговое короткое замыкание в переключателе

обнаруживаемость и будет обсуждаться

B.

Влияние положения дугового короткого замыкания

Обнаруживаемость последовательности

в выключателе

и, следовательно, в устройстве

, чем больше будет ток 1).

нагрузка течет через неисправность. I

ток распределительного устройства равен

току защиты

току. Область характеристик дуги

, определенная в [6], такая как

ноль, может использоваться для обозначения

. Чем дальше дуга fa

датчика тока и чем больше двух точек

, тем меньше она становится t

общий ток распределительного устройства.Mo

добавляется к убывающей дуге

, токовая характеристика основана на

дуге.

Если в нагрузке

происходит последовательное дуговое замыкание, ток дуги равен только

2). В зависимости от амплитуды

очень сложно обнаружить эту ки

, чем меньше ток по сравнению с

для распределительного устройства. Испытания показывают, что

меньше 100 А, ток дуги будет

до того, как расплавится достаточно коптильни

.

Так как параллельная дуга не является бесконечной

ток дуги не влияет на первичную

распределительное устройство.Это всегда

подключенных нагрузок (номер 3).

по импедансу дуги и

Рисунок 1: Схема распределительного устройства w

1: Последовательное дуговое замыкание в подключенной нагрузке busba

. 2: Последовательная дуга в шине

. 3: Параллельное дуговое замыкание между

параллельно источнику питания, независимо от распределительного устройства

.

/ I

сумма

не меняется, потому что

e ток дуги всегда ограничен

параллельные дуги, соотношение может достигнуть

, удельное сопротивление дуги станет ниже.

лед для обнаружения дуги становится лучше.

под влиянием позиции

r. Is имеет прямое влияние на

sed в следующем разделе.

n по обнаруживаемости

дуговое замыкание зависит от его

. Чем ближе неисправность к

к текущему измерению

пройти дугу. Самый сильный выключатель дуги

и первый исходящий ток

он каждого подключенного

дуга гаснет, весь

ero до повторного зажигания.Измеренный лед

состоит только из дуги

cs по времени и частоте

s текущий промежуток после тока

дуги.

lt от местоположения

t исходящих линий между этими

e отношение между током дуги и

e и более невозмущенным током

urre

t. Устройству защиты

становится сложнее обнаружить соединение

между шиной

d

sts тока нагрузки (номер

e тока нагрузки, это может быть

d неисправности.С другой стороны, дуга

e, менее опасна

d [6], что последовательное дуговое замыкание с

, скорее всего, погаснет само по себе

или серьезно повредит

, вызванное подключенными нагрузками, его

зависит от его положения в пределах

параллельно всем остальным

Ток дуги ограничен только

rc, вызывающим событие или объект.