Напряжение в цепи переменного тока
Аргумент синуса, т.е. (ωt + Ψ) определяется как фаза. Фаза характеризует состояние колебаний (численное значение) в данный момент времени t.
Содержание
Напряжение цепи переменного тока
Напряжение переменного тока – это напряжение, которое изменяется со временем. В дальнейшем мы будем рассматривать только гармонические напряжения переменного тока (которые изменяются синусоидально).
u = Umsin(2πt + Ψ ) = Umsin(ωt + Ψ )
Где u = u(t) – мгновенное значение переменного напряжения [В].
Um – максимальное напряжение (значение амплитуды) [В].
f – частота равна числу колебаний в секунду (единица измерения частоты f – герц (Гц) или с-1 )
ω – угловая частота (омега) (единица измерения угловой частоты – рад/с или с -1 )
ω = 2πf = 2π/T
Аргумент синуса, т.е. (ωt + Ψ) называется фаза. Фаза характеризует состояние колебаний (численное значение) в данный момент времени t.
U – Напряжение среднеквадратичное [В]:
Давайте рассмотрим параметры напряжения в домашней электросети.
Все мы знаем, что дома у нас переменное напряжение 220 В и частота 50 герц (при идеальных условиях), на самом деле допускается небольшая погрешность в большую или меньшую сторону, поэтому не удивляйтесь, если ваш вольтметр показывает не 220 В, а, скажем, 210 В или даже 230 В).
Большинство вольтметров измеряют среднеквадратичное значение переменного напряжения, тока и мощности, а не амплитудное значение, поэтому когда мы говорим, что напряжение в нашей сети 220 В, 380 В и т.
д., мы не измеряем амплитудное значение.
Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками в пространстве. Он измеряется в вольтах. Например, напряжение между плюсом и минусом батарейки составляет 1,5 вольта, а между землей и облаком молнии – миллионы вольт!
Линейное и фазное напряжения – разность и соотношение
Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками в пространстве. Он измеряется в вольтах. Например, напряжение между плюсом и минусом батарейки составляет 1,5 вольта, а между поверхностью земли и грозовой тучей – миллионы вольт!
Все мы знаем, что напряжение переменного тока в нашей розетке составляет 220 – 230 вольт. Трехфазная розетка, с другой стороны, имеет напряжение 380 вольт. Разница в том, что в первом случае мы получаем фазное напряжение, а во втором – линейное. Итак, что такое линейное напряжение, что такое фазное напряжение и какова взаимосвязь между ними? И по какой причине именно такие соотношения.
Электроэнергия передается от электростанций к домам и предприятиям по высоковольтным линиям (в нашей стране – 50 Гц).
В трансформаторных подстанциях высокое напряжение понижается и распределяется по потребителям. Но если у вас в квартире однофазная сеть (следует отметить, что в последние годы у бытовых потребителей появилась возможность подключения к трехфазной сети), а на заводе – трехфазная, давайте разберемся, в чем разница.
Среднеквадратичное и амплитудное напряжение
Когда мы говорим 220 или 380 вольт, мы имеем в виду среднеквадратичное значение напряжения, или эффективное напряжение. Фактически, амплитудное значение переменного напряжения всегда больше, чем фазное значение Umf или линейное значение Uml. Для синусоидального напряжения его амплитуда равна квадратному корню из 2-кратного среднеквадратичного значения (1414 раз).
Отсюда следует, что фазное напряжение 220 В соответствует амплитуде 310 В, а для сетевого напряжения 380 В амплитуда составит 537 В. Конечно, на практике напряжение в розетке часто не совсем 220 В, оно может быть выше или ниже, но оно должно быть в пределах допустимых параметров.
Что такое фазное напряжение в сети переменного тока?
На электростанции обмотки генератора соединены звездой, т.е. концы X, Y и Z соединены в одной точке, которая называется нейтралью или нейтральной точкой генератора. Это известно как четырехпроводная трехфазная схема. Клеммы обмотки A, B и C подключаются к линейным проводам, а нейтраль или нейтральная точка подключается к нейтральной точке.
Напряжения между клеммами A и нейтральной точкой, B и нейтральной точкой, C и нейтральной точкой называются фазными напряжениями и обозначаются Ua, Ub и Uc, но поскольку сеть симметрична, мы можем просто записать Uf как фазное напряжение.
Линейное напряжение трехфазной сети
Действующие напряжения между клеммами A и B, между клеммами B и C, между клеммами C и A называются линейными напряжениями, т.е. это напряжения между линейными проводниками трехфазной сети. Они обозначаются как Uab, Ubc, Uca, или вы можете просто написать Ul.
Напряжение в наших электросетях составляет примерно 380 вольт.
Соотношение между фазным и линейным напряжением в любой трехфазной сети с заземленным нейтральным проводником равно 1,732, что является квадратным корнем из 3. Хотя фактическое напряжение в сети может изменяться в диапазоне, зависящем от нагрузки, соотношение между фазным и линейным напряжением остается неизменным.
Напряженность электрического поля определяет, сколько энергии в нем запасено. Напряжение равно энергии, необходимой для перемещения заряда из одной точки в другую, деленной на величину этого заряда. В случае электрического поля энергия необходима, поскольку, согласно закону Кулона, на заряд действует сила, пропорциональная величине заряда. Таким образом:
Основные взаимосвязи между электрическим напряжением и другими физическими величинами
Для некоторых сред закон Ома верен. Считается, что такие среды обладают омическим сопротивлением.
[Электрический ток, A] = [Напряженность электрического поля, В] / [Сопротивление среды, V]
Закон Ома верен не для всех сред.
2 / [Сопротивление кабеля, Ом]
Мобильный интернет, модем, Wi-Fi карта зависают, компьютер выходит из строя.
Подключение мобильного модема или карты Wi-Fi к порту USB приводит к сбою в работе компьютера. Что.
Теоретические основы. Электрическое напряжение. Питание переменного тока, питание постоянного тока. Мощность. Эффективные, среднеквадратичные, амплитудные значения.
Думаю, нет смысла зацикливаться на формальном определении напряжения и тока. Я бы предпочел объяснить это на примерах.
Электрическое напряжение влияет на то, насколько тщательно должны быть изолированы провода. Чем выше напряжение, тем больше вероятность пробоя изоляции. Более высокие напряжения требуют более надежной изоляции. Оголенные провода при более высоком напряжении должны располагаться на большем расстоянии друг от друга, от других электропроводящих материалов и от земли. Электрическое напряжение измеряется в вольтах (В).
Более высокие напряжения более опасны. Однако не стоит полагать, что низкое напряжение абсолютно безопасно.
Ущерб здоровью, нанесенный электрическим током, зависит от силы тока, прошедшего через тело, и его траектории. А сила тока уже зависит от напряжения и сопротивления. Сопротивление человеческого тела определяется сопротивлением кожи. Внутренние органы и окружающая среда являются отличными проводниками электричества. Сопротивление кожи может меняться десятки раз в зависимости от эмоционального состояния, физических нагрузок, влажности и десятка других факторов. Сообщалось о случаях смертельного поражения электрическим током напряжением 12 вольт..
Сила электрического тока определяет, какие провода необходимо использовать. Чем выше сила тока, тем толще провод. Сила электрического тока измеряется в амперах (A).
Переменный и постоянный ток
В первые дни появления электричества потребители пытались использовать постоянный ток. Но возникла проблема. Передавать электричество напряжением 220 вольт на большие расстояния было невозможно. С другой стороны, опасно вводить в дома напряжение в несколько тысяч вольт, а проектировать и производить оборудование, работающее при таком напряжении, сложно и дорого.
Вопрос был о преобразовании напряжения. Они должны были провести напряжение в 10 000 вольт в деревню, а затем получить 220 вольт в деревне и распределить его между домами. В результате они перешли на переменный ток. Переменное напряжение легко преобразовать. Это делается с помощью трансформатора. Генерировать такое напряжение тоже несложно. Генераторы переменного тока были даже проще, чем генераторы постоянного тока.
Больше нет проблем с преобразованием постоянного напряжения. Однако экономически не имеет смысла переходить обратно на постоянный ток.
Сегодня бытовая электросеть питается переменным напряжением 50 Гц. Напряжение изменяется синусоидально. Это означает, что сетевое напряжение совершает следующий маневр 50 раз в секунду. Он постепенно увеличивается от нуля до амплитуды 310 В, затем уменьшается до нуля, затем до -310 В, а затем снова увеличивается до нуля. Этот цикл постоянно повторяется. В этом случае напряжение в сети составляет 220 В. Почему это не 310, мы обсудим позже.
За рубежом вы найдете напряжение в сети 220, 127 и 110 В и частоту 50, 60 Гц.
Мощность, среднеквадратичное (эффективное) и пиковое напряжение и ток
Электричество необходимо нам для выполнения определенных действий (вращение двигателей, нагрев батарей и т.д.). Количество работы, которую электрический ток может совершить за одну секунду, можно определить, умножив напряжение на силу тока. Например, если мы скажем, что электронагреватель, рассчитанный на напряжение 220 вольт, имеет мощность 2,2 кВт, это означает, что он будет потреблять электрический ток 10 А. Наша лампочка мощностью 100 Вт будет потреблять 0,45 А.
Мощность измеряется в ваттах (Вт). Электрический ток силой 1 А при напряжении 1 В дает мощность 1 Вт.
Приведенная формула верна как для постоянного, так и для переменного тока. Но для переменного тока все сложнее. Вы должны умножить ток на напряжение в каждый момент времени, сложить их и разделить на продолжительность этого момента. При переменном токе напряжение и сила тока постоянно меняются.
Такие расчеты не сложны, но требуют времени – нужно составить интеграл. Поэтому было введено понятие среднеквадратичного значения напряжения и тока.
Среднеквадратичное значение – это, приблизительно, среднее значение тока и напряжения, поэтому при подключении нагрузки рассеиваемая мощность равна их произведению.
В случае переменного тока мы говорим об амплитудных и среднеквадратичных значениях напряжения и тока. Амплитудное значение – это максимально возможное значение, до которого увеличивается напряжение (ток). Для синусоидально переменного тока амплитудное значение равно среднеквадратичному значению, умноженному на квадратный корень из двух. Именно отсюда берется напряжение 310 и 220 В. 310 – амплитудное значение напряжения, а 220 – среднеквадратичное значение.
Нередко напряжение в бытовой сети варьируется от 220 вольт. Некоторые приборы чувствительны к этому, в этом случае используются стабилизаторы переменного тока.
Способность пробивать изоляционные материалы и причинять вред зависит от величины амплитуды напряжения.
Способность производить полезную работу или выделять тепловую энергию зависит от среднеквадратичного значения напряжения.
Требования к электрическим проводам и соединениям определяются среднеквадратичным значением.
К сожалению, в статьях иногда встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются и готовятся новые статьи. Подпишитесь на рассылку новостей, чтобы быть в курсе последних событий.
Если что-то непонятно, пожалуйста, спрашивайте!
Задайте вопрос. Обсудите статью.
Задать вопрос электрику онлайн Здесь вы можете задать мне вопрос о проводке, электрике и других деталях электромонтажа. Читать далее.
Сварочный ток. Положение электрода. Резка металла с помощью сварки.
Оптимальный сварочный ток и положение электрода. Резка с помощью сварки.
Для предотвращения замерзания наружной водопроводной трубы. Правильная конструкция, скважина.
Установка сантехники своими руками. Внешний, морозоустойчивый. Прокладка труб своими руками.
Отказы мобильного интернета, модема, Wi-Fi карты, сбои в работе компьютера.
Подключение мобильного модема или карты Wi-Fi через USB выводит компьютер из строя. Что.
Почему бетон в фундаменте, подъезде, …
Летом я залил подъездную дорогу и фундамент. После зимы можно увидеть, заметить серьезные повреждения.
Заземлите свой ноутбук или телевизор, чтобы вас не ударило током.
Как заземлить пластмассовые корпусные бытовые приборы: ноутбук, телевизор и другие.
Электростанция, генератор, автономный генератор. Дизельный генератор.
Как установить и подключить автономный резервный генератор. Практический опыт.
Значение периодического тока, равное тому значению постоянного тока, который за один промежуток времени произведет такой же тепловой или электродинамический эффект, как и периодический ток, называется эффективная стоимость
Каково среднее значение переменного напряжения?
Другим параметром, характеризующим переменное напряжение, является среднее значение переменного напряжения.
В отличие от среднеквадратичного значения переменного напряжения, которое описывает действие переменного напряжения, среднее значение напряжения описывает количество электрической энергии, которая перемещается из одной точки цепи в другую под действием переменного напряжения. Среднее напряжение за определенный период времени задается следующим выражением
где T – период переменного напряжения,
fu(t) – функциональная зависимость напряжения от времени.
Таким образом, среднее значение переменного напряжения будет численно равно высоте прямоугольника с основанием T, площадь которого равна площади, ограниченной функцией fu(t) и осью Ox для периода T.
Среднее значение напряжения переменного тока.
В случае синусоидальной функции мы можем говорить только о среднем значении за полупериод, поскольку на протяжении всего периода положительная полуволна компенсируется отрицательной полуволной, и тогда среднее напряжение за период будет равно нулю.
Таким образом, среднее значение полупериода T/2 синусоидального переменного напряжения составит
где Um – максимальное значение напряжения или амплитуда,
ω – угловая частота, скорость изменения аргумента (угла).
Это означает, что значение амплитуды в 1,414 раза больше эффективного значения.
Как найти значение амплитуды напряжения
Все мы знаем, что дома у нас в розетках напряжение 220 В. Но не все знают, что это за напряжение. Давайте разберемся с этой ситуацией.
Для упрощения рассматриваемого примера мы предположим, что тип напряжения – синусоида, которая представляет собой переменное напряжение (изменяющееся от положительного к отрицательному с определенной периодичностью).
Рисунок 1 – Тип переменного напряжения
На рисунке 1 показана форма идеального синусоидального напряжения с одним периодом Т. Существует несколько значений напряжения, о которых обычно говорят и которые используются, рассматриваются:
| Значение амплитуды напряжения (U m ) – это максимальное мгновенное значение напряжения, т.е. амплитуда синусоидальной волны. |
Сейчас правильнее говорить о токе.
| Среднеквадратичное значение переменного тока – это количество постоянного тока, которое может совершить ту же работу (тепло). |
Отн.м.с. значение напряжения (U) обозначается латинской буквой без индекса, в литературе также можно встретить термин отн.м.с. значение напряжения.
Для периодически изменяющегося сигнала среднеквадратичное значение напряжения находится в период T:
Сведем формулу к простой форме, взяв в качестве переменного сигнала синусоиду. Между этими двумя параметрами существует взаимосвязь, которая выражается формулой:
Это означает, что значение амплитуды в 1,414 раза больше эффективного значения.
Вернемся к бытовым розеткам 220 В. Это среднеквадратичное значение напряжения, которое можно измерить с помощью тестера. Определим значение амплитуды его напряжения:
Среднее значение синусоидального тока, напряжения будет равно нулю. Поэтому, говоря о среднем значении переменного тока, рассматривайте его как половину периода.
Примечания
На рисунке 1 показана идеальная форма сетевого напряжения. Она описывается мгновенными значениями. Um – амплитуда (максимальное мгновенное значение). Но работу в электрооборудовании выполняет среднеквадратичное (эффективное) значение, величина которого находится по формуле, приведенной в статье. Я только что вывел приблизительную функцию, которая описывает вид напряжения, вот график:
Теперь подставим полученное в формулу для расчета эффективной стоимости:
Из формулы видно, что функция дает интеграл, или поле, и здесь не имеет значения, какой знак (+ или -) имеет напряжение.
В сети есть “Фаза” и “Ноль”, первая имеет положительный потенциал по отношению к земле, т.е. на ней присутствует напряжение 220В, а ноль – это просто “провод”, пока вы не подключите прибор, по нему не течет ток. Включите прибор: ток протекает от фазы через прибор до нуля.
Проверьте по индикатору, “все еще горит”, как выполняется работа по эффективному значению. Поставьте диод перед индикатором, он будет работать только на полволны, и вы заметите мерцание.
Читайте далее:
- Значение слова ЭЛЕКТРОТЕХНИКАЦИЯ. Что такое ЭЛЕКТРОТЕХНИКА?.
- Трехфазные электрические цепи; Студопедия.
- Среднеквадратичное значение переменного тока следующее. Каково среднеквадратичное значение переменного тока?.
- Значение переменного тока (ЭДС, напряжения), соответствующее любому моменту времени, называется его мгновенным значением; Студопедия.
- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
- Значение аббревиатуры BSC.
- Переменный электрический ток и его характеристики.
|
Random converter |
Калькулятор мощности переменного токаЭтот калькулятор определяет активную, реактивную, полную и комплексную мощность, потребляемую устройством, подключенным к источнику переменного тока, по известным напряжению, току и коэффициенту мощности или фазовому сдвигу, а также характеру нагрузки (емкостная или индуктивная). Пример: Рассчитать активную, реактивную, полную и комплексную мощность, потребляемую устройством, включенным в сеть переменного тока, если известно, что эффективные значения тока и напряжения Urms = 3 V, Irms = 2 A и коэффициент мощности PF = 0.5 или φ = –60° (емкостная нагрузка). Входные данные Действующее значение напряжения Urmsвольт (В)киловольт (кВ)мегавольт (МВ) Действующее значение тока Irmsампер (А)килоампер (кА) НагрузкаКоэффициент мощности PF Или Фазовый сдвиг φ ° Тип нагрузки ИндуктивнаяЕмкостная Поделиться Поделиться ссылкой на этот калькулятор, включая входные параметры Twitter Facebook Google+ VK Закрыть Выходные данные Пиковое значение напряжения Up В Пиковое значение тока Ip А Активная мощность P Вт Реактивная мощность Q Вар Полная мощность |S| ГВ·А Комплексная мощность S ГВ·А Для расчета всех четырех видов мощности введите действующие значения напряжения и тока, коэффициент мощности или фазовый сдвиг и тип нагрузки, и нажмите кнопку Рассчитать. Нажмите на ссылки ниже, чтобы посмотреть как работает калькулятор в различных режимах:
По этим трехфазным высоковольтным линиям электропередачи передается электроэнергия, выработанная на АЭС Пикеринг, расположенной на оз. Онтарио в 13 км от Торонто. Высокое напряжение используется для повышения эффективности передачи электроэнергии в результате уменьшения тепловых потерь в проводах. Определения и формулы Переменный ток Напряжение Мощность Активная и реактивная мощность Комплексная и полная мощность Коэффициент мощности Определения и формулыЭтот калькулятор используется для расчета мощности переменного тока и все, о чем говорится ниже, относится к переменному току. Если вы хотите рассчитать мощность по постоянному току, воспользуйтесь нашим Калькулятором мощности постоянного тока. В отличие от постоянного тока, который течет только в одном направлении, переменный ток периодически изменяет направление и амплитуду с течением времени. Следовательно, этот калькулятор, который считает мощность переменного тока, значительно сложнее калькулятора мощности постоянного тока. Вместо просто мощности постоянного тока в схемах постоянного тока, здесь мы будем говорить сразу о четырех видах мощности: активной мощности, P, реактивной мощности, Q, комплексной мощности, S, and полной мощности, |S|. Похоже, что четыре мощности вместо одной — слишком сложно? Ничего, мы попробуем разобраться. Переменный токУстановленный на столбе в жилой зоне в Канаде однофазный распределительный трансформатор, подающий потребителю ток напряжением 120 V. Переменный ток может быть не только синусоидальной формы, как в сетевых розетках. Он может иметь любую форму, в том числе и не периодическую. Примером такой сложной формы может быть звук гитарной струны, в которой одновременно возникают колебания нескольких собственных частот струны. В результате кажется, что одновременно слышен звук нескольких частот. Однако, в описании этого калькулятора мы будем говорить только о синусоидальных колебаниях. Для уменьшения тепловых потерь в проводах линий электропередачи, которые переносят энергию от электростанции потребителям, используется высокое напряжение до сотен киловольт. Это высокое напряжение преобразуется в более безопасное напряжение 110 или 220 В. Использовать высокое напряжение без понижения было бы очень неудобно и опасно. Исторически сложилось так, что частота электросетей в разных странах различная, причем чаще всего встречаются частоты 50 и 60 Гц. В морской, авиационной и космической технике используется частота 400 Гц, так как она позволяет уменьшить вес оборудования, такого как трансформаторы и электродвигатели, а также увеличить скорость работы электродвигателей. Подробнее об электрическом токе — в нашем Конвертере электрического тока. НапряжениеМгновенное напряжение u(t) представляется функций времени: где Up — пиковое значение напряжения (максимальная амплитуда) в вольтах, ω — угловая частота в радианах в секунду и f — частота в герцах. Для описания напряжения используется также величина размаха напряжения или двойная амплитуда (англ. peak-to-peak amplitude) Upp = 2Up. Здесь мы используем для обозначения напряжения нижний регистр u(t), чтобы показать, что это выражение для изменения мгновенного напряжения в зависимости от времени t. Величиной размаха напряжения удобно пользоваться, например, при оценке максимального пробивного напряжения изоляции и конденсаторов. Соотношение между действующим (RMS) и амплитудным значением (А) для часто используемых периодических функций хорошо известно и получено в результате интегрирования одного периода этих функций по времени:
Подробную информацию о напряжении можно найти в нашем Конвертере электрического потенциала и напряжения МощностьВ типичной цепи переменного тока энергия передается по линии электропередачи от источника, например, электростанции или портативного генератора, к нагрузке, например, к лампе или телевизору. Электрическая мощность P представляет собой скорость передачи энергии в нагрузку или ее преобразования: Здесь U — напряжение в вольтах, I — ток в амперах. В Европейских странах для обозначения напряжения обычно используют букву U. В Северной Америке для обозначения напряжения обычно используют V, потому что V — сокращение для вольта. Конечно, это неудобно, но все привыкли, так же как к фунтам, футам и дюймам. Из закона Ома мы знаем, что Поэтому мощность на резистивной нагрузке можно выразить как где R — сопротивление в омах. В нашем Конвертере единиц мощности, описано, что мощность измеряется в ваттах (Вт). Процесс преобразования электрической энергии в тепловую обычно называется джоулевым нагревом. Для установившегося синусоидального сигнала мгновенное напряжение u с фазовым углом φu и мгновенный ток i с фазовым углом φi можно выразить в виде Для удобства мы предположим, что φi = 0, когда ток проходит положительный максимум. Тогда разность фаз между током и напряжением становится равной просто φu. Теперь можно преобразования функции для тока и напряжения к виду Мгновенная мощность определяется произведением тока и напряжения Преобразуем эту формулу, используя тригонометрическое тождество для произведения двух косинусов: Теперь воспользуемся тригонометрическим тождеством для косинуса суммы двух аргументов: Мгновенное напряжение, ток и мощность чистого синусоидального процесса в индуктивной нагрузке. На рисунке выше показано соотношение между мгновенными значениями напряжения, тока и мощности в индуктивной нагрузке в предположении, что фазовый сдвиг φu = 60°. Для чисто резистивной нагрузки мощность определяется так: или Среднеквадратичное значение называют также эффективным значением синусоидального тока или напряжения. Активная и реактивная мощностьМы можем переписать формулу для мгновенной мощности в виде или где величина называется активной, P. Это часть полной мощности, которая преобразуется в нагрузке в тепло и другие виды энергии и измеряется в ваттах (Вт). называется реактивной мощностью, Q. Это часть полной мощности, которая в течение каждого цикла возвращается к источнику энергии и измеряется в реактивных вольт-амперах (вар). Эту единицу можно использовать с десятичными приставками для образования дольных и кратных единиц, например, мвар, квар, Мвар (мегавар), ТВА (теравар), ГВА (гигавар) и т. д. Можно преобразовать выражение для активной и реактивной мощности с использованием среднеквадратичных значений напряжения и тока: Мгновенное значение напряжения и тока в емкостной нагрузке; ток опережает напряжение; фазовый угол отрицательный. Щелкните для просмотра этого примера в калькуляторе. Конечно, в реальной жизни все нагрузки не только резистивные, но также емкостные или индуктивные. Даже электронагреватель имеет определенные емкость и индуктивность (спираль — катушка индуктивности, а отдельные витки образуют конденсаторы). Трансформаторы и электродвигатели являются примерами индуктивных нагрузок. Если нагрузка чисто реактивная (индуктивная или емкостная), то разность фаз между напряжением и током равна 90° (подробнее об этом поведении RLC цепей). В этом случае энергия в нагрузку вообще не передается. В то же время, электроэнергия течет от источника в нагрузку и возвращается назад по линиям электропередачи, которые в результате нагреваются и нагревают окружающую среду. В связи с тем, что реальные нагрузки всегда имеют некоторую индуктивность и емкость, в них всегда имеется активная и реактивная составляющие мощности. Комплексная и полная мощностьВозможно для того чтобы всё усложнить, а может быть, наоборот, чтобы упростить, инженеры придумали еще два вида мощности: комплексную мощность, S, измеряемую в вольт-амперах (ВА) и полную мощность, |S|, которая является векторной суммой активной и реактивной мощностей и также измеряется в вольт-амперах. Комплексная мощность, S — комплексная сумма активной и реактивной мощностей: Мы увидим, что комплексная мощность объединяет активную и реактивную мощности, а также коэффициент мощности. Полная мощность, |S| — модуль (абсолютная величина) комплексной мощности: Треугольник мощностей показывает комплексную мощность, которая является векторной суммой активной P и реактивной Q мощностей; полная мощность |S| является абсолютной величиной (модулем) комплексной мощности. Из треугольника мощностей имеем: Используя тригонометрическое тождество, являющееся следствием теоремы Пифагора и приведенные выше формулы для P и Q, можно записать: То есть, полная мощность |S| является произведением действительных значений напряжения и тока. Комплексная мощность учитывается при разработке и эксплуатации энергетических систем, потому что линии электропередач, трансформаторы и генераторы должны быть рассчитаны на полную мощность, а не только на мощность, которая выполняет полезную работу. Если реактивной мощности недостаточно, это может привести к понижению напряжения и даже, в свою очередь, к большой аварии в электросистеме (блэкауту), например, такой, как авария в энергосистеме США и Канады в 2003 году, в результате которой 55 миллионов человек на северо-западе США и в канадской провинции Онтарио остались без электроэнергии. Электродвигателя являются примерами индуктивных промышленных нагрузок Коэффициент мощностиКоэффициент мощности определяется как отношения реальной (активной) мощности, поглощенной нагрузкой P к полной мощности |S| в системе. В русскоязычной литературе коэффициент мощности обычно обозначается λ (в процентах) или cos φ, где φ — угол сдвига фаз между током и напряжением. Коэффициент мощности представляет собой безразмерное число в интервале –1 ≤ PF ≤ 1 и часто выражается в процентах. Отрицательный коэффициент мощности указывает, что «нагрузка» в действительности таковой не является (поэтому в кавычках) и реально представляет собой генератор, вырабатывающий электроэнергию, которая отправляется назад в систему. Одним из примеров такой энергии является энергия, получаемая от установленных на крыше жилого дома солнечных батарей. Блок управления солнечными батареями измеряет напряжение, частоту и фазу в сети, синхронизирует свою работу с сетью и выдает в нее лишнюю энергию. В таких случаях современные цифровые электросчетчики показывают отрицательную величину коэффициента мощности. Если нагрузка чисто резистивная, то напряжение и ток находятся в фазе, коэффициент мощности равен единице и реактивная мощность, которая может быть опережающей или отстающей, равна нулю. Из приведенных выше формул для P и S следует, что для чисто синусоидального напряжения, PF = cos ϕu: Здесь φu — сдвиг фаз между током и напряжением. Коэффициент мощности уменьшается, если активная мощность уменьшается с увеличением сдвига фаз между напряжением источника питания и током. Коэффициент мощности чисто активной (резистивной) нагрузки равен единице. Отрицательный сдвиг фаз указывает, что нагрузка емкостная, в которой ток опережает напряжение. Такая нагрузка «отдает» реактивную мощность в систему. Положительный сдвиг фаз показывает, что нагрузка имеет индуктивный характер, ток отстает от напряжения и нагрузка «потребляет» реактивную мощность. В промышленности коэффициент мощности имеет очень важное значение, так как энергосбытовые компании повышают цены на электроэнергию, если коэффициент мощности падает ниже определенного предела. Работу ведь выполняет активная мощность, а реактивная просто движется туда-сюда между нагрузкой и источником энергии. Образующиеся при этом большие токи повышают потери энергии при передаче. В результате требуется более мощное оборудование для ее получения, а также более толстые провода для передачи, в которых энергия бесполезно нагревает окружающую среду. Если вам интересно как реальные нелинейные нагрузки искажают форму тока и как описанный выше классический треугольник мощностей превращается в объемную фигуру, откройте наш калькулятор для пересчета вольт-амперов в ватты. В 50-х и в начале 60-х гг. прошлого века в Европе родители могли подарить на Рождество своему чаду набор для сборки лампового радиоприемника с питанием от сети 220 В… Не по теме. Когда я писал эту статью, мне попалось мнемоника, которую преподаватели часто используют для облегчения запоминания материала по электротехнике: УЛИЦА (U на L, I на C). Зазубрить, конечно, проще, да и преподавателю проще проверить зубрежку, чем вникать в тонкости и тому, и другому. Студентам легче, потому что не нужно понимать проблему, достаточно зазубрить простое мнемоническое правило. Преподавателям намного быстрее и, главное, дешевле для самого университета просто проверить ответы на вопросы с несколькими вариантами ответов вместо того, чтобы оценить как студенты поняли материал во время разговора на экзамене. Не знаю кто как, а я никогда не помнил кто кого опережает и если нужно об этом сказать, то я вспоминаю стрелку мультиметра в режиме измерения сопротивления, которая, если подключить конденсатор достаточно большой емкости, резко отклоняется вправо и потом медленно возвращается назад. Интересно, что в 50-х и в начале 60-х гг. прошлого века в Европе родители могли подарить на Рождество своему чаду набор для сборки радиоприемника на двух лампах с питанием от сети 220 В и никто не боялся, что ребенок получит травму. Может быть потому, что в 50-х и начале 60-х еще были живы воспоминания об ужасной войне и по сравнению с бомбардировками (я хорошо помню мамины рассказы об этом) опасность розетки на 220 вольт не казалась достаточно серьезной? Я в девять лет собрал двухламповый приемник и хорошо помню, что делал это один, без присмотра взрослых. Автор статьи: Анатолий Золотков Вас могут заинтересовать и другие калькуляторы из группы «Электротехнические и радиотехнические калькуляторы»:Калькулятор резистивно-емкостной цепи Калькулятор параллельных сопротивлений Калькулятор параллельных индуктивностей Калькулятор емкости последовательного соединения конденсаторов Калькулятор импеданса конденсатора Калькулятор импеданса катушки индуктивности Калькулятор взаимной индукции Калькулятор взаимоиндукции параллельных индуктивностей Калькулятор взаимной индукции — последовательное соединение индуктивностей Калькулятор импеданса параллельной RC-цепи Калькулятор импеданса параллельной LC-цепи Калькулятор импеданса параллельной RL-цепи Калькулятор импеданса параллельной RLC-цепи Калькулятор импеданса последовательной RC-цепи Калькулятор импеданса последовательной LC-цепи Калькулятор импеданса последовательной RL-цепи Калькулятор импеданса последовательной RLC-цепи Калькулятор аккумуляторных батарей Калькулятор литий-полимерных аккумуляторов для дронов Калькулятор индуктивности однослойной катушки Калькулятор индуктивности плоской спиральной катушки для устройств радиочастотной идентификации (RFID) и ближней бесконтактной связи (NFC) Калькулятор расчета параметров коаксиальных кабелей Калькулятор светодиодов. Калькулятор цветовой маркировки резисторов Калькулятор максимальной дальности действия РЛС Калькулятор зависимости диапазона однозначного определения дальности РЛС от периода следования импульсов Калькулятор радиогоризонта и дальности прямой радиовидимости РЛС Калькулятор радиогоризонта Калькулятор эффективной площади антенны Симметричный вибратор Калькулятор частоты паразитных субгармоник (алиасинга) при дискретизации Калькулятор мощности постоянного тока Калькулятор пересчета ВА в ватты Калькулятор мощности трехфазного переменного тока Калькулятор преобразования алгебраической формы комплексного числа в тригонометрическую Калькулятор коэффициента гармонических искажений Калькулятор законов Ома и Джоуля — Ленца Калькулятор времени передачи данных Калькулятор внутреннего сопротивления элемента питания батареи или аккумулятора Калькуляторы Электротехнические и радиотехнические калькуляторы |
Измерение напряжения в цепях переменного тока
Измерение напряжения в цепях переменного тока
Рисунок 1. |
Существует три различных показателя напряжения переменного тока:
Где измерять?
В большинстве цепей переменного тока контрольной точкой является заземление цепи. В схемах SPARKS отрицательный осциллограф щуп уже подключен к цепи заземления — так же, как функция заземление генератора.
Рассмотрим простой переменный ток схема на рисунке 1. Мы можем подключить щуп вольтметра к трем возможным точкам:
- Точка 1: Будет считано напряжение источника питания (функциональный генератор).
- Точка 2: Будет считано падение напряжения на резисторе.
- Точка 3: Будет показан постоянный ноль, так как он имеет тот же потенциал, что и земля.
В осциллографе SPARKS, Канал А автоматически показывает сигнал в точке 1 — источнике питания. Итак, размещение датчик канала B в точке 2 (или аналогичной) является единственным другим значимым измерение.
Хотя пример здесь использует схему резистор-индуктор (RL), те же принципы применимы к другим Цепи переменного тока в SPARKS.
Измерение цепи RL
Рисунок 2. Напряжение питания опережает напряжение В R по фазовому углу φ . |
Рассмотрим схему в Рисунок 1 и измерение в точке 2, показанное на рисунке 2. Уведомление что:
- Резистор R соединен с землей, поэтому…
- Щуп осциллографа, помещенный в точку 2, измеряет падение напряжения, В R .
- Кривая В R показывает меньшее напряжение, чем напряжение питания E .
- Напряжение питания E опережает V R на разность фаз
Использование вольт/дел. значения и вертикальное положение пиков, мы можем вычислить меру напряжения для каждого канала. Здесь оба отображаются с масштабом по вертикали 5,00 В/дел. Канал B показывает, что В R имеет пиковое напряжение около 1,1 деления × 5,00 В/дел = 5,5 В.
Что вызывает напряжение В R на рисунке 1? Это результат тока в цепи. Таким образом, при измерении V R , по Закону Ома узнаем кое-что о цепи переменного тока ток: I = В R /R .
Например, мы можем наблюдать разность фаз тока этой цепи. Смотрите расстояние между двумя похожими точки, где кривые поднимаются и пересекают горизонтальную ось? Здесь мы видим, что напряжение источника
Как и ожидалось, в последовательной индуктивной цепи напряжение Е опережает
ток I. Как, по вашему мнению, будут отличаться кривые при использовании емкостной схемы серии ?
Выполнение измерений напряжения и тока сети переменного тока [Analog Devices Wiki]
Эта версия (09сен 2021 19:59) был одобрен Дугом Мерсером.
Содержание
Измерение напряжения и тока сети переменного тока
Фон:
Измерение формы сигнала сетевого напряжения
Метод понижающего трансформатора напряжения
Метод трансформатора тока 1:1
Электронная нагрузка, преобразователь I в V
Измерение формы сигнала сетевого тока
Трансформатор измерения тока
Проверка частотной характеристики
Электронная нагрузка, преобразователь I в V
Выполнение реальных измерений
Дополнительные тесты в реальных условиях
Измерение формы сигнала сетевого напряжения
Заключение
Приложение: Другое готовое оборудование
Дополнительный материал
Первичное/вторичное соотношение оборотов
Фазовый сдвиг
В других документах обсуждались функции измерения напряжения и тока ADALM1000 (SMU). В этом документе обсуждаются методы безопасного измерения напряжения и тока в сети переменного тока с использованием активных обучающих модулей.
ADALM1000.html
Фон:
Каналы SMU M1k могут измерять постоянный ток от -200 мА до +200 мА. Из-за частоты дискретизации 100 KSPS он также может измерять переменный ток. Но измеряемый ток должен втекать или вытекать из канала SMU. Это ограничивает диапазон напряжений, к которым должен быть «привязан» ток, от 0 до +5 В. Для измерения тока в более широком диапазоне напряжений можно использовать микросхему монитора токового шунта, такую как AD8210 из набора аналоговых деталей ADALP2000.
ad8541.html EVAL-ADALP2000.html
Каналы SMU M1k используют этот же чип для измерения тока. Диапазон рабочих входных синфазных напряжений AD8210 составляет от −2 В до +65 В относительно контакта заземления микросхемы. Больший диапазон напряжения, но все же недостаточный для безопасного измерения тока бытового прибора или осветительного прибора, работающего от 120 В переменного тока. Итак, что мы можем использовать для этого? Введите понижающий трансформатор напряжения для измерения напряжения в сети и трансформатор измерения тока для измерения тока в линии.
Измерение формы сигнала сетевого напряжения
Метод понижающего трансформатора напряжения
Для отображения формы сигнала сетевого напряжения переменного тока используется понижающий трансформатор напряжения, который гальванически развязывает и уменьшает (понижает) напряжение перед его измерением с помощью входа M1k канала B. Напряжение сети 120 В RMS должно быть уменьшено, чтобы соответствовать диапазону от 0 до 5 вольт M1k. Трансформатор, выбранный для этого примера, имеет номинальное вторичное напряжение 9 В Среднеквадратичное значение при нагрузке 250 мА . Вторичное напряжение p-p без нагрузки составляет около 35 Общее общее снижение напряжения должно быть не менее 100:1. .
Рис. 1. Понижающий трансформатор и резистивный делитель
Рис. 2. AC-AC понижающий настенный адаптер-трансформатор
Этапы калибровки
Понижающий коэффициент для комбинированного трансформатора и резистивного делителя измеряется путем подключения выходов каналов A и B AWG M1k к первичной обмотке трансформатора. Два канала AWG сконфигурированы как комплементарные синусоидальные сигналы с частотой 60 Гц от 0 до 5 3. В то же время мы можем измерить разность фаз (сдвиг) от входа к выходу комбинированного путь прохождения сигнала, рис. 4.
Рисунок 3. Измеренные входные/выходные сигналы тестового напряжения
Знание этого фазового сдвига (ошибки) измерения будет важно позже при расчете реальной и мнимой мощности и коэффициента мощности.
Рис. 4. Измеренное тестовое напряжение на входе/выходе, фаза
Теперь, когда понижающий трансформатор подключен к розетке переменного тока, мы можем измерить форму сигнала сетевого напряжения переменного тока. Чистая синусоида 60 Гц от генератора сигналов произвольной формы проходит через трансформатор с небольшими искажениями, как мы видели на рис. 3, однако фактическая форма волны переменного тока 60 Гц демонстрирует значительные искажения, как показано на рис. 5. Пики формы сигнала измеряются при +/- 175 В и среднеквадратичное напряжение 124,7 В .
Рис. 5. Измеренная кривая напряжения переменного тока в сети.
Метод трансформатора тока 1:1
Альтернативный метод измерения сетевого напряжения переменного тока состоит в том, чтобы сначала преобразовать напряжение в малый ток с помощью резисторной нагрузки с большим сопротивлением. В этом примере мы используем 5 мА RMS в качестве номинального целевого тока. Два последовательно соединенных резистора 12 кОм используются для распределения тепла (мощности) и напряжения между ними. В каждом из них около 1/3 Вт, поэтому следует использовать резисторы мощностью ½ Вт или выше. 5 9Затем ток 0287 мА подается через небольшой трансформатор 1:1. Хорошим выбором является синфазный дроссель, часто используемый для фильтрации линий электропередач импульсных источников питания. Два типичных примера показаны ниже на рисунке 6. Схема показана на рисунке 7.
Рис. 6. Пример трансформаторов с синфазным дросселем 1:1
Рис. 7. Метод преобразования напряжения в ток
Для изоляции высоковольтных соединений и из соображений безопасности трансформатор и резисторы монтируются в пластиковом корпусе от другого (умершего/бывшего в употреблении) штепсельного адаптера, как показано на рис. 8. Затем крышку можно приклеить обратно, чтобы предотвратить случайное прикосновение к сети переменного тока. высокое напряжение. Использование такого старого корпуса штепсельного адаптера, как этот, также обеспечивает удобный способ подключения к розетке переменного тока.
Рис. 8. Трансформатор и резисторы, установленные в корпусе штепсельного адаптера.
Этапы калибровки
Первым шагом является измерение фактических значений резисторов с помощью точного цифрового мультиметра. Отношение первичного тока к вторичному в идеале должно быть 1:1, но в любом реальном трансформаторе оно будет меньше 1. Установка для калибровочного испытания показана на рис. поступает от SMU канала B в режиме SIMV. Вторичный ток измеряется SMU канала А в режиме SVMI, установленном на то же значение 2,5 В Напряжение постоянного тока в качестве фиксированного источника питания 2,5 В . Общее сопротивление и коэффициент трансформатора тока будут использоваться для преобразования измеренных данных о форме волны тока в напряжение.
Рис. 9. Тест отношения входного/выходного тока
Рисунок 10. Измеренные входные/выходные сигналы тестового тока
Знание этого фазового сдвига (ошибки) измерения будет важно позже при расчете реальной и мнимой мощности и коэффициента мощности.
Рисунок 11. Измеренная амплитуда и фаза входного/выходного тока теста
Чтобы сравнить метод трансформатора напряжения и метод трансформатора тока, измеряющие формы сигналов напряжения сети переменного тока, они показаны на рисунке 12. Среднеквадратичное значение тока измерено при 4,96 мА , что согласуется с используемыми резисторами 24 кОм.
Рис. 12. Сравнение форм сигналов трансформатора напряжения и тока.
Используя функцию построения математического графика, мы можем преобразовать сигнал трансформатора тока обратно в напряжение, умножив эффективное (откалиброванное) напряжение на сопротивление тока (~ 24 кОм) и построить его в том же вертикальном масштабе, что и сигнал трансформатора напряжения, как показано на рисунке. 13.
Рис. 13. Сравнение форм напряжения и расчетного напряжения.
Электронная нагрузка, преобразователь I в V
M2k не имеет возможности измерения тока, как в M1k SMU. Решение состоит в том, чтобы построить операционный усилитель I в схему преобразования V .
Операционный усилитель AD8542 Dual CMOS с одним источником питания и одним источником питания используется в качестве преобразователя I в V , как показано на рис. 14. Виртуальная земля в суммирующем соединении, вывод 2, представляет очень низкоимпедансную нагрузку на вторичной обмотке. Резистор обратной связи 350 Ом преобразует ток в напряжение, которое измеряется каналом осциллографа M2k на выводе 1.
Рис. 14. Схема преобразователя операционного усилителя I в V для M2k.
Измерение формы сигнала сетевого тока
Трансформатор измерения тока
Трансформатор измерения тока — это трансформатор, оптимизированный или предназначенный для выработки переменного тока во вторичной обмотке, который пропорционален току, который «ощущается» или измеряется в первичной обмотке. Как и любой трансформатор, трансформаторы тока гальванически изолируют измерения токов в цепях высокого напряжения от гораздо более низкого напряжения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в высоковольтной линии электропередачи переменного тока. В нашем случае это может быть SMU M1k.
Принцип работы базового трансформатора тока несколько отличается от обычного трансформатора напряжения. В отличие от силового трансформатора, используемого для повышения или понижения напряжения, трансформатор тока часто состоит только из одного или нескольких витков в качестве первичной обмотки. Эта первичная обмотка может состоять из одного плоского витка, катушки из прочного провода, обернутого вокруг сердечника, или просто провода, вставленного через центральное отверстие, как показано на фотографии трансформатора с токоизмерительными клещами (модель LCTC- 0250) рис. 15. У этого токоизмерительного «пробника» зажимы открываются, так что его можно зажать вокруг проводника, по которому течет измеряемый ток, без необходимости отсоединения проводника. Такие пробники тока предназначены для использования в сетях с питанием от сети 50/60 Гц. Датчик LCTC-0250 имеет диапазон измерения тока до 100 А и встроенный резистор тока к напряжению (нагрузки), поэтому выходное напряжение указано как 15 мВ/А.
Рис. 15. Накладной трансформатор тока, модель LCTC-0250.
Многие производители предлагают ряд индукторов для измерения тока, которые представляют собой тороидальную катушку с отверстием в центре, через которое пользователь пропускает провод (или петли провода) для измерения переменного тока, рис. 16. В зависимости от конкретной модели и спецификации эти типы трансформаторов тока предназначены для использования в импульсных системах управления электропитанием и работают в диапазоне частот от 20 кГц до 200 кГц . Показана версия PE-51718 с центральным отводом, 100 витков, 20 мГн. Размер, без учета выводов, составляет 20 мм в высоту, 11 мм в ширину и 10 мм в глубину, что достаточно мало, чтобы поместиться на макетной плате без пайки.
Преимущество использования такой катушки в качестве трансформатора чувствительности заключается в том, что вы можете выбрать любое количество витков для вторичной обмотки. До тех пор, пока центральное отверстие не будет заполнено в зависимости от калибра используемой проволоки.
Рис. 16. Пример Pulse Engineering Center с отводом 100:1 20 мГн
Трансформатор тока со встроенной первичной обмоткой от CoilCraft показан на рисунке 17. Поскольку он полностью герметизирован, мы не можем сказать, как он устроен. Расчетный диапазон частот для этого примера 200:1, 80 мГн составляет от 1 кГц до 1 МГц .
Рисунок 17, CoilCraft 200:1 80 мГн, пример CS4200V-01
На рис. 18 показан токоизмерительный трансформатор поверхностного монтажа от Wurth Elektronik. В этом примере первичная обмотка — это просто широкая металлическая полоса, которая проходит вверх и вокруг центральной вторичной обмотки. Производитель указывает индуктивность для этого примера 200:1, 20 мГн на частоте 10 кГц, поэтому он, вероятно, также не предназначен для применения в низкочастотных линиях электропередач.
Рисунок 18, пример Würth Elektronik 200:1 20 мГн из семейства MID-SNS
Тестирование частотной характеристики
Для проверки этих трансформаторов тока использовался трансформатор M1k, а испытательная схема показана на рис. 19. Синусоидальный сигнал 4 V с пиковым значением генерируется каналом AAWG. Затем сигнал передается по переменному току через большой конденсатор на нагрузочный резистор 10 Ом, который преобразует напряжение в пиковый ток 400 мА . Ток воспринимается первичной обмоткой, которая соединена с землей. На вторичной стороне к обмотке катушки подключается нагрузочный резистор 100 Ом, и результирующее напряжение измеряется каналом B в режиме Hi-Z. Другой конец катушки привязан к неподвижному 2,5 V , чтобы центрировать его во входном диапазоне канала B.
Для накладного щупа и катушки защитного заземления одна из более длинных проволочных перемычек из комплекта Analog Parts вставляется через центральное отверстие и используется в качестве первичной обмотки.
Рисунок 19. Схема тестирования полосы частот с использованием M1k
Входная частота изменяется от 20 Гц до 1 кГц во всех следующих тестах. Первая диаграмма Боде предназначена для датчика с зажимом LCTC с одним проводом, проходящим через зажим. Помните, что клещи имеют встроенную нагрузку, поэтому внешний резистор на 100 Ом не был включен в этот тестовый пример. Отклик магнитуды очень плоский, в пределах дБ до 20 Гц, как показано на рисунке 20.
Рис. 20. Диаграмма тела токового датчика LCTC.
Далее идет PE-51718. Как видно из отклика, показанного на рис. 21, ниже 1 кГц он совсем не плоский, чего и следовало ожидать, учитывая минимальную частоту 20 кГц. Более светлый набор кривых относится к одному проводу в качестве основного, а более темный набор — к 4 виткам в качестве основного.
Рисунок 21, график Боде PE-51718
Далее CoilCraft CS4200V-01 и Würth Elektronik 750316796 примеров протестированы на рисунке 22. Оба имеют соотношение витков 200:1. Более темные кривые относятся к устройству CoilCraft на 80 мГн, а более светлые кривые — к устройству Würth на 20 мГн. Как и ожидалось, более высокая индуктивность устройства CoilCraft дает лучшую низкочастотную характеристику. Устройство CoilCraft соответствует спецификации минимальной частоты 1 кГц и даже превышает ее, а устройство Würth, вероятно, работает ровно только выше нескольких кГц при использовании этого значения нагрузочного резистора.
Рисунок 22, CoilCraft CS4200V-01 и Würth Elektronik 750316796 бод участок
Электронная нагрузка, преобразователь I в V
Одним из способов улучшить частотную характеристику любого трансформатора тока является замена резистивной нагрузки электронным решением, , то есть операционным усилителем I в схему преобразования В . Как показано на рис. 23, операционный усилитель AD8542 CMOS типа «рейка-рейка» с одним источником питания может использоваться в качестве преобразователя I в V . . Резистор обратной связи 1 кОм преобразует ток в напряжение, которое измеряется каналом B на выводе 6.
Рис. 23. Схема преобразователя операционного усилителя I в В .
Чтобы проверить частотную характеристику с помощью операционного усилителя, CoilCraft CS4200V-01 (темная кривая) и Würth 750316796 (светлая кривая) снова сравниваются на рисунке 24. Обратите внимание, что масштаб по вертикали теперь равен 3 дБ /дел. Наблюдается значительное улучшение ровности отклика по сравнению с цифрой 8 со спадом менее 90 465 дБ 90 272 на частоте 60 Гц. Отклик CoilCraft теперь примерно такой же плоский, как у токового пробника LCTC на рисунке 18.
Рисунок 24, диаграмма Боде для CoilCraft CS4200V-01 и операционного усилителя Würth 750316796 I до V .
Также обратите внимание, что канал SMU M1k, установленный на SVMI, эквивалентен схеме преобразователя операционного усилителя I/ V на рис. 23, как мы видели на рисунках 7 и 9.
Проведение реальных измерений
В качестве примера реальных испытаний накладной датчик тока модели LCTC-0250, показанный на рис. 1, и M1k используются для измерения формы волны тока светодиодной цепочки праздничного света. Пробник LCTC-0250 имеет встроенный резистор тока к напряжению (нагрузки), поэтому выходное напряжение указано как 15 мВ/А. Цепочка состоит из 35 последовательно соединенных белых светодиодов. Было раскручено около фута провода и одна ножка была обмотана примерно 5 раз вокруг хомута. Теперь чувствительность будет около 75 мВ /А (5 * 15 мВ /А).
Пробник подключается напрямую ко входу M1k без дополнительного усиления или фильтрации. Как показано на рис. 25, ток представляет собой простое полуволновое выпрямление, а пиковый ток составляет от 35 до 45 мА . Трудно точно измерить с шумом, а сигнал слишком мал для правильного запуска и применения усреднения трассы.
Рис. 25. Форма сигнала тока без какой-либо обработки сигнала.
Применяя некоторую математическую цифровую фильтрацию, мы можем очистить шум и сделать «сигнал» достаточно большим (в 10 раз), чтобы включить запуск и использовать усреднение трассы. К захваченной трассе сигнала применяется простой цифровой фильтр с 20 отводами и общим коэффициентом усиления 10, а также используется усреднение трассы (установлено среднее значение 8). Форма сигнала теперь красивая и чистая, а ток размаха составляет 42 мА .
]
Рисунок 26, отфильтрованная кривая тока
Дополнительные тесты в реальных условиях
Чтобы измерить свет с помощью стандартного винта в основании Эдисона, розетка была подключена к вилке и шнуру длиной несколько футов. Около фута провода было расстегнуто, и одна ножка была 6 раз обернута вокруг зажима LCTC-0250. Чувствительность будет около 90 мВ /А (6 * 15 мВ /А). Были измерены шесть различных лампочек. На всех следующих снимках экрана осциллограммы формула измерения пользователя канала A использовалась для отображения рассчитанного полного размаха тока (в амперах), а формула измерения пользователя канала B использовалась для отображения рассчитанного (истинного) среднеквадратичного значения тока (в амперах). ). Не обращайте внимания на кривую напряжения канала B. Он нужен только для включения отображения пользовательских измерений канала B.
В качестве первого эксперимента была измерена лампа накаливания. Спецификация для этой лампы составляет 390 люмен и 40 Вт. На упаковке этих ламп написано «Двойной срок службы», поэтому светоотдача, вероятно, ниже, чем у других аналогичных ламп мощностью 40 Вт.
Измеренное среднеквадратичное значение тока составляет 0,33 А. Предполагая среднеквадратичное значение напряжения сети 120 В , получаем среднеквадратичную мощность 39,6 Вт. Измеренная потребляемая мощность почти точно соответствует ожидаемой. Поскольку нить накаливания в лампе накаливания является почти чисто резистивной, форма волны тока, показанная на рисунке 27, представляет собой относительно чистую синусоиду. Шкала вертикального напряжения 20 мВ /дел (20/90 или 0,222 А/дел).
Рисунок 27. Форма кривой тока для лампы накаливания мощностью 40 Вт.
Затем тестируется вторая лампа накаливания с яркостью 770 люмен и мощностью 60 Вт. Измеренное среднеквадратичное значение тока составляет 0,498 А. Опять же, если принять среднеквадратичное значение сетевого напряжения 120 В , среднеквадратичное значение мощности составит 59,7 Вт. Измеренное энергопотребление почти точно соответствует ожидаемому. быть. Опять же, чисто резистивная форма волны тока, как показано на рисунке 28, представляет собой такую же чистую синусоиду.
Рисунок 28. Форма кривой тока для лампы накаливания мощностью 60 Вт.
Теперь мы можем предположить, что тестовая установка, вероятно, дает точные результаты.
Затем измеряется компактная люминесцентная лампа CFL, которая продается в качестве замены лампы накаливания мощностью 40 Вт. Перечисленные характеристики: 700 люмен, 11 Вт и 140 мА . 11 Вт и 140 мА мА кажутся несовместимыми? Измеренное среднеквадратичное значение тока составляет 0,130 А. При среднеквадратичном напряжении сети 120 В среднеквадратичная мощность составляет 15,6 Вт. Измеренная мощность на 4,6 Вт или на 42 % выше, чем указано в спецификации. Электронный балласт, используемый в CLF, приводит к довольно неприятному виду кривой тока, показанной на рис. 29.. Он потребляет ток на положительной и отрицательной половинах переменного напряжения, но имеет огромный коэффициент амплитуды.
Рис. 29. Форма кривой тока для первой КЛЛ-лампы.
Затем измеряется еще одна КЛЛ, которая продается как замена лампы накаливания мощностью 60 Вт. Перечисленные характеристики: 15 Вт и 230 мА . 15 Вт и 230 мА мА тоже кажутся несовместимыми? Измеренное среднеквадратичное значение тока составляет 0,175 А. При среднеквадратичном напряжении сети 120 В среднеквадратичная мощность составляет 21 Вт. Измеренная мощность на 6 Вт или на 40 % выше, чем указано в спецификации. Текущие формы сигналов согласуются между двумя примерами CLF, если мы сравним рисунки 29. и 30. Лампа большей мощности, конечно, имеет больший пиковый и среднеквадратический ток.
Рис. 30. Форма кривой тока для второй лампы CFL.
Затем измеряют светодиодную лампу, продаваемую в качестве замены лампы накаливания мощностью 60 Вт. Перечисленные характеристики: 800 люмен, 9 Вт и 90 мА . Измеренное среднеквадратичное значение тока составляет 0,077 А. При среднеквадратичном напряжении сети 120 В среднеквадратичное значение мощности составляет 9,24 Вт. Измеренное значение мощности намного ближе к указанному значению и всего на 2,5 % выше. Как мы видим на гораздо более плавной кривой тока на рис. 31, он потребляет ток на положительной и отрицательной половинах переменного напряжения без каких-либо неприятных всплесков, характерных для КЛЛ. Обратите внимание, что вертикальный масштаб на 10 мВ /дел вдвое меньше, чем на предыдущих снимках экрана формы волны.
Рис. 31. Форма кривой тока для светодиодной лампы
В качестве другого примера светодиодной лампы измеряется 40-градусный светодиодный прожектор. Перечисленные характеристики: 840 люмен, 12 Вт и 130 мА . Измеренное среднеквадратичное значение тока составляет 0,108 А. При среднеквадратичном напряжении сети 120 В среднеквадратичная мощность составляет 12,96 Вт. Измеренная мощность намного ближе к указанному значению и всего на 8 % выше. Как видно из формы сигнала тока на рисунке 32, он потребляет ток на положительной и отрицательной половинах переменного напряжения, но с очень прямоугольными импульсами, которые могут быть двумя разными уровнями по сравнению с более округлой формой сигнала на рисунке 29.. Также отсутствуют неприятные всплески электронного балласта в КЛЛ. Обратите внимание, что масштаб по вертикали составляет 10 мВ /дел, как и на предыдущем снимке экрана с осциллограммой.
Рисунок 32. Форма кривой тока для светодиодного прожектора
Меньший коэффициент амплитуды сигналов светодиодов, вероятно, объясняет, что измеренная мощность близка к указанной мощности. Производители КЛЛ, вероятно, не использовали оборудование с высокой пропускной способностью, такое как M1k, для измерения истинного среднеквадратичного тока своих ламп и упустили высокий коэффициент амплитуды потребляемого тока. Здесь, вероятно, важно отметить, что результаты измерений, показанные до сих пор, не учитывают разность фаз между сигналами напряжения и тока (коэффициент мощности).
Измерение формы сигнала сетевого напряжения
Теперь мы добавим отображение кривой напряжения сети переменного тока, используя технику понижающего трансформатора напряжения. Для проверки установки правильной фазы между напряжением и током используется лампа накаливания мощностью 40 Вт. На рис. 31 показано, что две формы волны совпадают по фазе, как и должно быть для резистивной нагрузки. Обратите внимание, что среднеквадратичное напряжение для линии переменного тока составляет 117,75 Вольт, что кажется правильным.
Рисунок 33. Кривые тока и напряжения для лампы накаливания мощностью 40 Вт.
Теперь на рис. 34 измеряется относительная фаза между током и напряжением для второй лампы КЛЛ.
Рис. 34. Кривые тока и напряжения для второго КЛЛ
Мы оставляем читателю интерпретировать, что это значит. Такие вещи, как мгновенная поточечная мощность, могут быть рассчитаны по двум формам сигнала, а затем, например, по рассчитанному среднеквадратичному значению.
Заключение
Для измерения сетевого напряжения и тока сети переменного тока понижающий трансформатор напряжения и измерительный трансформатор тока могут надежно изолировать высокое линейное напряжение от измерительной схемы. Это очень важное соображение безопасности. Широкий динамический диапазон и относительно высокая частота дискретизации/полоса пропускания 16-разрядного АЦП в M1k позволяют использовать сильноточные (100 А) пробники, такие как LCTC, для измерения токов всего в несколько десятков из мА напрямую без какой-либо обработки сигнала.
Для дальнейшего чтения
Импульсные трансформаторы
Гальваническая развязка
Приложение: Другое готовое оборудование
Зажим Seeed Technology Co., Ltd для датчика тока, номер продукта 1019, можно заказать через Digikey. Он имеет номинальный вход 0-60А, номинальный выход 0-1 В и соотношение витков N=1:1800.
Зажим на датчике тока
Зажим на датчике тока от SparkFun имеет соотношение витков Np:Ns=1:2000 и соотношение входного/выходного тока 30A/15mA.
ECS1030-L72 Неинвазивный датчик тока — 30 А
Этот модуль датчика сетевого напряжения на базе трансформатора тока ZMPT1010B имеет встроенную электронную схему нагрузки (операционный усилитель). Он имеет открытые винтовые клеммы для подключения к входной линии переменного тока, поэтому он может представлять опасность поражения электрическим током, если он не установлен в изолирующем корпусе.
Рис. A2. Модуль датчика сетевого напряжения переменного тока
Из-за такого типа устройства трансформатор тока часто называют «последовательным трансформатором», поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, включена последовательно с проводником, подающим ток на нагрузку.
Вторичная обмотка будет иметь большое количество витков, намотанных на сердечник из магнитного материала с малыми потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, поэтому создаваемая плотность магнитного потока является низкой при использовании провода с гораздо меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, насколько ток должен быть уменьшен, поскольку он пытается выводить постоянный ток, независимый от подключенного нагрузка.
Вторичная обмотка будет подавать ток либо в короткое замыкание, в виде амперметра, либо в резистивную нагрузку до тех пор, пока напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать выход из строя из-за пробоя чрезмерного напряжения.
В отличие от применения трансформатора напряжения цель состоит в том, чтобы первичный ток трансформатора измерения тока не зависел от вторичного тока, а вместо этого управлялся внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно рассчитан на стандартный 1 ампер или 5 ампер для более высоких значений первичного тока.
Первичное/вторичное соотношение оборотов
Трансформаторы измерения тока обычно имеют передаточное отношение витков от 1:10 до 1:2000. Чем выше коэффициент витков (r = Nsec/Npri), тем выше разрешение текущего измерения. Однако следует соблюдать осторожность, так как слишком высокое отношение витков потребует увеличения распределенной емкости и индуктивности рассеяния, что может снизить точность трансформатора и его способность работать на более высоких частотах (из-за собственного резонанса). Однако, если количество витков слишком мало (более низкая индуктивность), выходной сигнал может искажаться или «провисать» (при положительном наклоне однополярного входного сигнала), что также может вызвать нестабильность в цепи управления и неточности в измерениях.
Трансформаторы тока бывают трех основных типов: намоточные, тороидальные и стержневые.
Вторичная нагрузка трансформатора тока называется «нагрузкой», чтобы отличать ее от первичной нагрузки.
Фазовый сдвиг
В идеале мы хотим, чтобы первичный и вторичный токи трансформатора тока были в фазе. На практике это невозможно, но при обычных частотах мощности достижимы фазовые сдвиги в несколько десятых градуса, тогда как более простые ТТ могут иметь фазовые сдвиги до шести градусов. Для измерения среднего и среднеквадратичного значения тока фазовый сдвиг не учитывается, поскольку амперметры отображают только величину тока. Однако для мощности, энергии и коэффициента мощности (измерения реальной мощности и реактивной мощности) фазовый сдвиг приводит к ошибкам. Для измерений мощности и энергии ошибки можно считать незначительными при единичном коэффициенте мощности, но они становятся более значительными по мере приближения коэффициента мощности к 0. При нулевом коэффициенте мощности любая указанная мощность полностью обусловлена фазовой ошибкой трансформатора тока.
