Активная электронная нагрузка • Питание HamRadio
Активная электронная нагрузка регулируемое сопротивление нагрузки необходимо для реалистичного тестирования оборудования. Эта схема представляет собой электронную альтернативу от использования неудобных резисторов большой мощности. Активная электронная нагрузка, описанная здесь, имеет два режима работы. Она может функционировать как переменное сопротивление нагрузки. При напряжении от 0 В до максимума 100В ток стока может быть установлен в диапазоне от 0 А до 20 А. В качестве сопротивления нагрузки его можно установить на значения от 1 Ом до 100 кОм.
Максимальная рассеиваемая мощность находится в районе 100 Вт. Схема рассчитана на работу с напряжениями постоянного тока, но с добавлением выпрямителя также может использовать переменное напряжение. Тщательно сконструированный и откалиброванный блок может обеспечить линейность лучше, чем 0,5%. Давайте сначала рассмотрим схему активная электронная нагрузка как приемник тока (S2 в положении «CC» постоянный ток), первоначально игнорируя часть схемы, состоящую из трех операционных усилителей IC1.B, IC1.C и IC1.D и обвязки их. Цепь нагрузки состоит из силового полевого транзистора и резистора R2. Параллельно с ними подключен электролитический конденсатор, сглаживающий напряжение на полевом транзисторе и R2 и подавляющий пики. Транзистор регулируется операционным усилителем IC1. A.
Операционный усилитель отслеживает напряжение на своем инвертирующем входе (то есть напряжение на R2) таким же, как и на своем не инвертирующем входе. Последний в свою очередь равен напряжению на 10-поворотным потенциометре P1. Поэтому мы достигли того, к чему стремились достичь чтобы потребляемый ток был пропорционален настройке потенциометра P1. Это означает, что напряжение потенциометра должно быть постоянным, и это гарантируется опорным напряжением 2,5В D7.
На верхнем пределе потенциометра у нас есть напряжение 0,779 В (из-за R3), предполагая, что S1 отключен. Только первые пять оборотов потенциометра могут быть использованы до срабатывания ограничителя мощности. Если потребляемый ток должен использоваться в пределах своих мощностей, меньший диапазон напряжений на R2 более полезен, это функция R12 и подстрочника P2.
Когда S1 замкнут, они соединены параллельно с P1 и настроены так, что напряжение уменьшается в десять раз. Это позволяет устанавливать ток в диапазоне от 0 A до более чем 5 A. Если S2 переключается в положение «CR» (постоянное сопротивление), уже другое напряжение подается на P1. Источник больше не предоставляется опорным напряжением, а входным напряжением. Остальная часть цепи работает, как и раньше, это означает, что входной ток пропорционален входному напряжению, а коэффициент пропорциональности равен постоянному сопротивлению. При R4, равном 475 кОм, может быть достигнуто сопротивление нагрузки от бесконечности до 1 Ω.
Оставшиеся три операционных усилителя в LM348 образуют ограничитель мощности, чтобы обеспечить контроль рассеиваемой мощности в цепи. Аналоговый множитель в этой схеме не используется. R10 и R11 образуют делитель напряжения на входном напряжении, который работает линейно, пока диод D2 не проводит. Это происходит не внезапно, а скорее следует характеристической кривой диода, обеспечивая постепенный переход при повышении входного напряжения. IC1.C буферизует это напряжение и управляет инвертором IC1.D, который инвертирует характеристическую кривую диода и усиливает ее с коэффициентом усиления десять. Выходное напряжение операционного усилителя увеличивается на величину, равную прямому напряжению диода, через D3.
Рабочая точка D3 определяется опорным напряжением R10 и настройкой потенциометром P3. Наконец, компаратор IC1.B сравнивает выходное напряжение инвертора с напряжением на R2 и, если предел мощности превышен, понижает управляющее напряжение операционного усилителя IC1.A, выключает зеленый светодиод «ОК» и горит красный предупреждающий светодиод. Обратите внимание, что это только грубая схема защиты для ограничения мощности выше примерно 100 Вт. Она сильно зависит от изменений между диодами и от температуры, но полностью подходит для защиты от чрезмерного потребления тока, например, от автомобильного аккумулятора 12В.
Цепь в целом питается от сетевого источника питания, который, как обычно, состоит из сетевого трансформатора (от 15 В до 18 В, не менее 50 мА), мостового выпрямителя и стабилизатора постоянного напряжения 15 В. C2 сглаживает выпрямленное постоянное напряжение, а C3 подавляет переходные процессы. Поскольку операционные усилители работают вблизи более низкого входного напряжения, для них требуется отрицательный источник питания. С этой целью стабилитрон D1 обеспечивает отрицательное напряжение питания примерно на 5 В ниже нижнего входного напряжения.
Поскольку не показан макет печатной платы для этой схемы, несколько слов о конструкции. Схема не представляет огромных технических трудностей, и для ее построения будет достаточно простой макетной платы. Полевой транзистор должен рассеивать мощность 85Вт в пиковых условиях, а тепло должно отводиться с помощью большого радиатора. В качестве альтернативы, FET может быть оснащен современным вентилятором от компьютерного процессора. Устройство предназначено для использования в любительских условиях или для лабораторных испытаний, а не для непрерывного использования (например, 24-часовые тесты).
Если требуется дополнительная тепловая защита для транзистора, можно установить тепловое реле (замыкающееся при 105 ° C). Если вы не хотите устанавливать вентилятор, но, тем не менее, хотите работать либо при высоких нагрузках, либо постоянно, вы можете подключить до пяти полевых транзисторов параллельно (например, типа BUZ344). Активная электронная нагрузка также хорошо работает с мощными транзисторами мощностью от 150 до 200 Вт, такими как MJ11016 в корпусе TO3, но не в параллельном включении и только при входных напряжениях выше 1В. R2 также играет свою роль в рассеивании мощности. Можно использовать резистор мощностью 15 Вт, расположенный на расстоянии нескольких миллиметров от поверхности печатной платы, или резистор мощностью 10 Вт в металлическом корпусе с радиатором.
Полевой транзистор, силовой резистор R2 и электролитический конденсатор С4 должны быть расположены рядом друг с другом в центре на задней стенке. Компоненты должны быть соединены толстым проводом. Управляющая электроника должна быть расположена непосредственно рядом с полевым транзистором, и, в частности, соединение между выходом управляющего операционного усилителя IC1.A и затвором полевого транзистора должно быть коротким.
Сетевое напряжение поступает через предохранитель, что позволяет избежать включения сетевого выключателя на передней панели. Светодиод D5 служит индикатором питания. Проверьте цепь еще раз, вставьте ее в корпус, проверьте проводку и убедитесь, что радиатор изолирован от полевого транзистора. Теперь цепь управления можно откалибровать. Снова включите устройство и подайте напряжение 10В на вход. Напряжение на контакте 13 микросхемы должно быть таким же, как и на контакте 12 (P3). На выходе IC1.D должно быть измерено напряжение 0,95 В, и мы хотим, чтобы ток через полевой транзистор был ограничен примерно 10 А.
Настройте P4, чтобы установить напряжение на выводе 5 до 200 мВ. Это соответствует току 10 А при 10 В (или 100 Вт). Вы обнаружите, что для настройки P3 и P4 требуется немного терпения. Регулировка P2 была описана выше. Теперь калибровка завершена: установите крышку на корпус, и устройство будет готово.
Активная электронная нагрузка 100 В / 20А для настройки блоков питания | HamRadio
Всем здравствуйте. При настройке зарядных устройств, лабораторных источников питания и аналогичных приборов можно использовать активную нагрузку. Описанная ниже схема позволяет подключать источник напряжения до 100В, при максимальном токе ограничения до 20А. Однако общая рассеиваемая мощность не должна превышать 100Вт. Схема активной нагрузки приведена на рисунке.
Принципиальная схема активной электронной нагрузкиПринципиальная схема активной электронной нагрузки
В принципе, активная электронная нагрузка работает в двух режимах — как источник постоянного тока или как нагрузка с сопротивлением в диапазоне от 1 Ом до 100 кОм. Рабочий режим выбирается переключателем S2. В левом положении (к R11) схема работает как источник постоянного тока. Силовая цепь состоит из полевого МОП-транзистора IRF1310N (T1) с резистором R10.
Силовой транзистор зашунтирован конденсатором C3, который отфильтровывает любые скачки напряжения. MOSFET управляется операционным усилителем IC1D. Выход операционного усилителя зависит от согласования входных напряжений (напряжение на резисторе R10 и напряжение на ползунке потенциометра P3). Стабилизатор TL431 (IC2) служит эталонным источником напряжения.
Благодаря резистору R11 максимальное напряжение на потенциометре P3 составляет 0,78В. С помощью переключателя S1 мы можем уменьшить напряжение на потенциометре P3 и, следовательно, на резисторе R10 до 1/10. В режиме постоянного сопротивления переключатель S2 находится в правом положении (к резистору R12). В этом случае напряжение на потенциометре P3 задается не опорным стабилизатором IC2, а через резистор R12 напряжением на клеммах K1.
Таким образом, чем выше напряжение, тем выше ток. С помощью потенциометра P3 мы можем установить сопротивление нагрузки примерно от 1 Ом. Схема ограничения тока реализована на остальных усилителях микросхемы IC1. Напряжение на выводах К1 подается на резистивный делитель R2 / R13 с диодом D1. IC1B сравнивает напряжение на диоде D2, подаваемого из опорного источника, с напряжением на диод D1. Этот каскад имеет коэффициент усиления по напряжению 10.
Выходное напряжение ICB подается на компаратор, собранным на IC1C. Когда допустимая потеря мощности на T1 (примерно 100Вт) превышена, IC1C переворачивается, вместо светодиода LD2 (зеленый) загорается LD1 (красный), и в то же время напряжение на не инвертирующем входе IC1D уменьшается через диод D3. Это, конечно, приводит к снижению тока нагрузки и уменьшению рассеиваемой мощности.
Схема питается от сети напряжением 220В, подаваемое на разъем К2. После трансформатора напряжение выпрямляется диодным мостом D4 и далее на стабилизатор напряжения питания +15 В IC3. Благодаря стабилитрону D5 виртуальная земля схемы сдвинута на напряжение 5,1В в плюс для нормальной работы операционных усилителей.
Активная электронная нагрузка выполнена на двухсторонней печатной плате размером 100х48 мм. Расположение компонентов на печатной плате, а также разводка показано на рисунке.
Расположение компонентов на печатной платеРасположение компонентов на печатной плате
Печатная плата верхПечатная плата верх
Печатная плата низПечатная плата низ
В конструкции имеется несколько подстроечных резисторов (P1, P2 и P4), настройка которых во многом зависит от параметров используемых компонентов (особенно диодов D1 и D2). Установите подстроечный резистор P4 так, чтобы при переключении S1 разница тока составляла 1:10. Подстроечные резисторы P1 и P2 должны быть настроены на испытательный ток 10А и напряжение 10В, чтобы компаратор IC1C находился непосредственно перед ограничением тока.
Конструктивные особенности, мы должны разместить транзистор T1 на радиаторе достаточных размеров, и, если предполагаем более длительные режимы работы нагрузки, желательно использовать принудительное охлаждение с помощью вентилятора. Вместо транзистора T1 мы также можем использовать несколько параллельно включенных транзисторов.
Описанная активная электронная нагрузка предназначена для использования любительских или кратковременных лабораторных исследований. Упомянутое выше параллельное включение транзисторов и принудительное охлаждение необходимо для непрерывной работы на пределе мощности. С другой стороны, при относительно простом использовании мы получаем активную нагрузку в широком диапазоне входных напряжениях и токов. Вот на этом закончим, всем спасибо.
Активные нагрузки в схемах усилителей — дискретные полупроводниковые приборы и схемы
Активные нагрузки в схемах усилителей
Дискретные полупроводниковые приборы и схемы
Вопрос 1
Мы знаем, что ток в последовательной цепи может быть рассчитан по этой формуле:
|
Мы также знаем, что напряжение, падающее на любой резистор в последовательной цепи, может быть рассчитано по этой формуле:
Объедините эти две формулы в одну, таким образом, чтобы исключить I-переменную, оставив только E R, выраженную в терминах E total, R total и R.
Показать ответ
|
Последующий вопрос: алгебраически манипулировать этим уравнением, чтобы решить для общего числа E в терминах всех других переменных. Другими словами, покажите, как вы могли бы рассчитать величину общего напряжения, необходимого для создания заданного падения напряжения (E
Заметки:
Хотя эта «формула делителя напряжения» может быть найдена в любом количестве справочников электроники, ваши ученики должны понимать, как алгебраически манипулировать данной формулой, чтобы достичь этого.
вопрос 2
Определите, что произойдет с выходным напряжением (V out ) и током резистора R 1 (I R 1 ) в этой цепи, поскольку сопротивление R 2 увеличивается :
Показать ответПо мере увеличения сопротивления R
Заметки:
Здесь ничего особенного — просто качественный анализ очень простой цепи делителя напряжения.
Вопрос 3
Предположим, что мы должны сравнивать производительность двух цепей делителя напряжения бок о бок. Схема слева имеет один переменный резистор (R 2 ), в то время как схема справа имеет два переменных резистора (R 1 и R 2 ). Резисторы правой цепи объединены таким образом, что при увеличении одного сопротивления другой будет уменьшаться на ту же величину, сохраняя постоянное постоянное сопротивление схемы:
Зная, что напряжение, выводимое делителем напряжения, описывается следующей формулой: определите, какая цепь делителя напряжения дает наибольшее изменение выходного напряжения при заданном изменении сопротивления R
|
Разделитель напряжения с измененными реостатами приведет к наибольшему изменению выходного напряжения при заданном изменении сопротивления R 2, поскольку только числитель фракции в формуле делителя напряжения изменяется с R 2, а не знаменателем.
Последующий вопрос № 1: что происходит с величиной тока в каждой цепи для данного изменения сопротивления R 2 «заметки скрыты»> Примечания:
Понимание математической основы ответа может стать значительным скачком для некоторых студентов. Если они испытывают трудности с пониманием того, как формула делителя напряжения доказывает ответ, попросите их «мысленный эксперимент» с действительно простыми цифрами:
- •
- Первоначальные условия:
- R 1 = 1 Ом
- R 2 = 1 Ом
- V батарея = 1 вольт
Теперь увеличьте R 2 от 1 Ω до 2 Ω и посмотрите, какая цепь делителя напряжения испытала наибольшее изменение выходного напряжения. Как только эти примерные величины помещаются в соответствующие формулы, должно быть легко увидеть, как формула делителя напряжения объясняет более сильное колебание напряжения второй цепи делителя.
Укажите своим ученикам, что это пример практического решения проблем: проведение «мысленного эксперимента» с действительно простыми числами для численного изучения того, как две разные системы реагируют на изменения. Хотя в этой технике нет ничего особенно сложного, многие ученики избегают этого, потому что считают, что должен быть какой-то более простой способ (готовое объяснение, а не собственный мысленный эксперимент), чтобы понять концепцию. Привлечение студентов к этому барьеру отношения является трудным, но важным шагом в их развитии способности к самообучению.
Вопрос 4
Целью текущей схемы зеркала является поддержание постоянного тока через нагрузку, несмотря на изменения сопротивления этой нагрузки:
Если бы мы грубо моделировали поведение транзистора как автоматически изменяемый реостат — постоянно корректируя сопротивление по мере необходимости, чтобы поддерживать постоянный ток нагрузки — как бы вы описали реакцию реостата на изменения сопротивления нагрузки »// www.beautycrew.com.au/ /sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02656×02.png «>
Другими словами, по мере увеличения нагрузки R, что делает транзистор R — увеличивать сопротивление, уменьшать сопротивление или оставаться тем же сопротивлением, что и раньше? Как изменение значения
Показать ответ
По мере увеличения нагрузки R транзистор R будет уменьшаться в сопротивлении, чтобы поддерживать постоянный ток через нагрузку и постоянное значение R.
Заметки:
Эта модель поведения зеркального транзистора тока, хотя и неочищенная, служит хорошим введением в предмет активных нагрузок в схемах транзисторных усилителей. Здесь транзистор сконфигурирован для работы в качестве регулятора постоянного тока, а затем последовательно помещается в усилительный транзистор, чтобы обеспечить гораздо больший прирост напряжения, чем то, что возможно при пассивной (фиксированной резисторе) нагрузке.
Вопрос 5
Интересным методом получения чрезвычайно высокого напряжения от одноступенчатого транзисторного усилителя является замена активной нагрузки для обычного нагрузочного резистора (расположенного на коллекторном терминале):
Обычно эта «активная нагрузка» принимает форму текущей зеркальной схемы, которая ведет себя как регулятор тока, а не как истинный источник тока.
Объясните, почему наличие активной нагрузки приводит к значительному увеличению напряжения, чем простой (пассивный) резистор. Если активная нагрузка была идеальным регулятором тока, то постоянный ток коллектора был абсолютно постоянным, несмотря на любое изменение проводимости коллектора на основном усиливающем транзисторе, что бы получить усиление напряжения «# 5»> Показать ответ Скрыть ответ
Если активная нагрузка была идеальным регулятором тока, коэффициент усиления этого одноступенчатого усилителя был бы бесконечным (∞), поскольку эквивалентное сопротивление Тевена для источника тока было бесконечным.
Заметки:
Существует более одного способа понять этот эффект и почему он работает так, как он. Одним из наиболее сложных способов является рассмотрение того, что внутреннее сопротивление идеального источника тока: бесконечное. Спросите своих учеников, как они созерцали этот эффект, и что они используют, чтобы понять концепцию.
Вопрос 6
Определите как можно больше активных нагрузок на следующей (упрощенной) схеме схемы операционного усилителя LM324:
Показать ответКонечно, все источники тока являются активными нагрузками, но есть еще один в нижнем левом углу схемы. Я дам вам понять, где это!
Заметки:
Даже если ученики еще не знают, что такое схема «операционного усилителя», они все равно должны быть способны идентифицировать этапы, конфигурации и активные нагрузки транзисторов. В этом случае большая часть активных нагрузок очевидна (как показывают текущие исходные символы).
Не удивляйтесь, если некоторые из ваших учеников отмечают, что дифференциальная пара в этой цепи opamp выглядит «вверх ногами» по сравнению с тем, что они видели раньше для схем дифференциальных пар. Сообщите им, что это не проблема, и что дифференциальная пара работает одинаково в этой конфигурации.
Вопрос 7
Определите как можно больше активных нагрузок в следующей схеме схемы рабочего усилителя LM741 вместе с их соответствующими (усиливающими) транзисторами:
Показать ответ- Q 6 — активная нагрузка для Q 4
- Q 23 — активная нагрузка для Q 4
- Q 13 — активная нагрузка для Q 17 и Q 22
Заметки:
Даже если ученики еще не знают, что такое схема «операционного усилителя», они все равно должны быть способны идентифицировать этапы, конфигурации и активные нагрузки транзисторов.
← Предыдущая работа
Индекс рабочих листов
Следующая рабочая таблица →
Понятия активной и реактивной нагрузки, использование формул
Расчёты
Для вычисления полной мощности используют формулу в комплексной форме. Например, для генератора расчет имеет вид:
А для потребителя:
Но применим знания на практике и разберемся как рассчитать потребляемую мощность. Как известно мы, обычные потребители, оплачиваем только за потребление активной составляющей электроэнергии:
P=S*cosФ
Здесь мы видим, новую величину cosФ. Это коэффициент мощности, где Ф – это угол между активной и полной составляющей из треугольника. Тогда:
cosФ=P/S
В свою очередь реактивная мощность рассчитывается по формуле:
Q = U*I*sinФ
Для закрепления информации, ознакомьтесь с видео лекцией:
https://youtube.com/watch?v=MdbG1f-SIC4
Всё вышесказанное справедливо и для трёхфазной цепи, отличаться будут только формулы.
Определение
Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:
P=U*I
P=I2*R
P=U2/R
По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.
Нагрузку разделяют на два основных типа:
- Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
- Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).
Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.
Что это такое
Полная мощность (ВА, кВА) характеризуется потребляемой нагрузкой (например, ИБП) двух составляющих, а также отклонением формы электрического тока и напряжения от гармонической. С мощностью электротока человеку приходится сталкиваться и в быту и на производстве, где применяются электрические приборы. Каждый из них потребляет электроток, поэтому при их использовании всегда необходимо учитывать возможности этих приборов, в том числе заложенные в них технические характеристики.
Значение полной мощности — вычисление формулы
Чтобы определить работу мощности за одну секунду, на практике применяется формула для производительности постоянного тока. Следует отметить, что данная физическая величина меняется во времени и для выполнения практического расчета совершенно бесполезна. Для вычисления среднего значения производительности требуется интегрирование по времени.
Обратите внимание! С целью определения данного показателя в электрической цепи, где периодически происходит смена напряжения и тока, средняя ёмкость вычисляется по передаче мгновенной мощности в течение определённого времени. Как вычисляется ёмкость по другой формуле
Как вычисляется ёмкость по другой формуле
Есть определенная категория людей, которая интересуется вопросом, какая бывает мощность. Активная производительность делится на следующие категории: фактическую, настоящую, полезную, реальную.
Ёмкость, преобладающая в электрических цепях постоянного тока, которая при этом получает нагрузку постоянного тока, определяется простым произведением напряжения по показателям нагрузки и потребляемого тока. Данная величина вычисляется по формуле: P = U х I. Данный результат показывает, что фазовый угол между током и напряжением отсутствует в электрических цепях постоянного тока. То есть отсутствует коэффициент производительности.
Синусоидальный сигнал намного усложняет процесс. Так как фазовый угол между током и напряжением может значительно отличаться друг от друга. Поэтому среднее значение определяется по следующей формуле:
P = U I Cosθ
Важно! Если в соединениях переменного тока фиксируется активная (резистивная) производительность, тогда для вычисления данного показателя применяется формула следующего характера: P = U х I. Мощность трёхфазной цепи
Мощность трёхфазной цепи
Когда синусоиды напряжения и тока не совпадают?
Индуктивное сопротивление
Если мы включим в цепь вместо лампочки или обогревателя любое индуктивное сопротивление, например, электромагнит, то увидим странную картину. Ток волшебным образом начинает отставать от напряжения! Почему такое происходит?
Электромагнит — это электрическая катушка — сердечник с намотанным на него проводом. Мы где-то когда-то давно слышали, что при протекании тока через катушку вокруг неё образуется магнитное поле. Но физика этого процесса довольно примечательна.
Сначала, когда напряжение возрастает от нуля до +325 вольт, в катушке возникает ток, порождающий электромагнитное поле, которое, в свою очередь, порождает ток, обратный идущему из сети. Катушка сопротивляется проходящему по ней току (точнее, его изменению). Это можно сравнить с инерцией. Чем быстрее мы хотим изменить скорость стального ядра, тем сильнее ядро сопротивляется этому, причём как на разгоне, так и на торможении. Итак, напряжение растёт, а рост тока начинает отставать.
Когда напряжение замирает в верхней точке +325 вольт, катушка перестаёт сопротивляться (встречный ток в ней возникает только в момент изменения проходящего по ней тока, и чем резче меняется этот ток, тем выше значение встречного тока, а если изменений нет и ток постоянен — встречный ток не возникает). Итак, напряжение в пике, и ток начинает идти свободно, возрастая до своего пика.
Когда напряжение пошло вниз, ток начинает снижаться. Но мы помним, что у катушки есть инерция! Запасённая в магнитном поле энергия начинает порождать попутный ток, который начинает помогать сетевому току. Теперь катушка сопротивляется снижению тока. В результате, напряжение падает, а ток ещё держится. Падение тока начинает отставать.
То есть, катушка при возрастании напряжения сопротивляется росту тока, а при падении напряжения пытается удержать падение тока, отдавая его в цепь. В результате синусоида тока начинает отставать от синусоиды напряжения, например, на четверть периода:
График из статьи http://www.sxemotehnika.ru/zakon-oma-dlia-peremennogo-toka.html
При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду какая-то часть мощности забирается катушкой из сети, накапливается в её магнитном поле, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. При этом ток по цепи проходит, но безвозвратно в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток без толку греет провода.
Емкостное сопротивление
Помимо отставания тока от напряжения существует также цепи и с опережением тока от напряжения. Для этого вместо электромагнита включаем конденсатор (конденсатор — это емкостное сопротивление). При возрастании напряжения он нуля пустой конденсатор начинает заряжаться с максимальным током, хотя напряжение ещё не достигло максимума.
По мере заряда ток снижается, и во время максимума напряжения ток уже равен нулю.
Затем напряжение начинает падать, и конденсатор под действием всё увеличивающейся разности потенциалов между своим зарядом и напряжением сети начинает разряжаться, порождая всё возрастающий ток, который не прекращается с падением напряжения до нуля, поскольку тут же начинается его заряд обратной полярностью, когда напряжение становится отрицательным. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения.
То есть, конденсатор при возрастании напряжения сначала вызывает сильный ток, который падает до нуля при максимуме напряжения, а при последующем падении напряжения начинает вызывать сначала небольшой ток, а потом всё сильнее и сильнее, который достигает максимума при отсутствии напряжения сети. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения, например, на четверть периода:
График из статьи http://www.sxemotehnika.ru/zakon-oma-dlia-peremennogo-toka.html
При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду мощность забирается конденсатором из сети, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. То есть, как и в случае катушки электромагнита, ток по цепи проходит, но в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток точно так же без толку греет провода.
Нелинейная нагрузка
Имеет особенность в том, что напряжение и ток не пропорциональны. К нелинейной нагрузке относятся телевизоры, музыкальные центры, настольные электронные часы, компьютеры и его компоненты. Сама нелинейность обусловлена тем, что данное электронное устройство использует импульсные блоки питания. Для подзарядки конденсатора, которые стоят в импульсном блоке питания, достаточно вершины синусоиды.
В остальное время энергию из сети конденсатор не потребляет. В этом случае ток имеет импульсное качество. К чему это все приводит? Это приводит к тому, что синусоида искажается. Но не все электронные устройства работают с искаженной синусоидой. Эта проблема решается за счет применения стабилизаторов двойного преобразования, где сетевое питание преобразуется в постоянное. Затем из постоянного преобразуется в переменное нужной формы и амплитуды.
Пусковой ток
При расчете необходимо учитывать и пусковые токи устройства. Например, сопротивление нити накаливания в лампочке в момент включения в 10 раз меньше, чем в рабочем режиме. Следовательно, пусковой ток этой лампочки в 10 раз больше. Через некоторое время она начнет потреблять ту мощность, которая записана в данных этой лампочки. Поэтому, при включении она перегорает за счет больших пусковых токов.
В радиоэлектронной аппаратуре пока не зарядится конденсатор в блоке питания, также образуется пусковой ток.
В нагревательных приборах пусковой ток образуется, пока спираль не нагреется до дежурной температуры.
Чисто активная нагрузка
Чисто активные нагрузки, подключенные к безындуктивной питающей сети, желательно устранить, так как они дают наибольшую скорость нарастания тока при включениях.
Рассматривалась чисто активная нагрузка, характеризующаяся значениями k 0 5; 1 0 и 2 0 ( см. уравнение ( 4 — 52) ] и равная по величине 1 или 5 номинальным мощностям машины; нагрузка подключалась таким образом, что индуктивное сопротивление между ней и машиной составляло 0 1 или 0 3 о. Результат анализа показал, что влияние нагрузки на предел статической устойчивости незначителен, за исключением тех случаев, когда нагрузка очень велика по сравнению с номинальной мощностью машины ( в 5 раз больше) и расположена электрически близко от генератора ( л: 0 1 о. Этот результат показывает, что при анализе устойчивости генератора нет смысла учитывать влияние нагрузки, за исключением тех случаев, когда нагрузка значительно превышает мощность генератора и расположена электрически близко от него.
При чисто активной нагрузке времена спада tj и in практически не зависят от предшествующего прямого тока и от крутизны перехода тока через нуль. В основном они определяются параметрами самого вентиля. Для обычно применяемых управляемых вентилей их продолжительность составляет около 0 1 мксек.
При чисто активной нагрузке ( кривая /) увеличение нагрузочного тока сопровождается сравнительно небольшим уменьшением напряжения, происходящим, главным образом, за счет падения напряжения на собственном сопротивлении обмотки статора.
При чисто активной нагрузке ( ф0) показания обоих ваттметров одинаковы.
При чисто активной нагрузке напряжение и ток проходят через уль одновременно. В этом случае скорость восстановления напряжения будет целиком определяться уже не колебаниями, происходящими с относительно высокой частотой / о, а ростом напряжения, изменяющегося с частотой сети, что значительно облегчает условия гашения дуги.
При чисто активной нагрузке напряжение и ток проходят через нуль одновременно. В этом случае скорость восстановления напряжения будет целиком определяться не колебаниями, происходящими с относительно высокой частотой, а медленным ростом напряжения сети, что сильно облегчает условия гашения дуги.
При чисто активной нагрузке кривая тока повторяет кривую напряжения.
При чисто активной нагрузке все эти варианты ведут себя одинаково, поскольку это касается изменения напряжения на нагрузке в зависимости от величины угла задержки а. При индуктивной нагрузке каждая схема имеет свои особенности. Удобства ради данные о номинальных токах и напряжениях, требующихся для полупроводниковых приборов в этих схемах, приведены в табл. 8.1. Охарактеризуем вкратце все эти схемные варианты.
При чисто активной нагрузке ( рис. 3 — 35, а) поток реакции якоря направлен поперек полюсов и реакция якоря называется поперечной.
При чисто активной нагрузке ( Ха 0, fa 0) ур-ние (4.21) вырождается в уравнение прямой, что совпадает с полученными ранее результатами.
При чисто активной нагрузке ( / Ya 0 Ра0) ур-ние (4.21) вырождается в уравнение прямой, что совпадает с полученными ранее результатами.
| Кривые выпрямленного. |
При чисто активной нагрузке ( рис. 7.68, о), когда кривая выпрямленного напряжения иа содержит широкий спектр высших гармонических, высшие гармонические в кривой первичного тока / t отсутствуют. В другом предельном случае ( рис. 7.68, 6), когда кривая выпрямленного напряжения при Ха оо не содержит гармонических, в кривую первичного тока входит широкий их спектр. Эта закономерность сохраняется и при любом другом числе вторичных фаз.
При чисто активной нагрузке ( ф2 0) Ды ыа, % Вычисленные падения напряжения следует сопоставить с теми, которыми задались в (1.14), и уточнить число витков обмоток.
Активная нагрузка
К устройствам с активной нагрузкой причисляются нагревательные приборы (утюги, электроплиты, лампы накаливания, электрические чайники). Подобные приборы вырабатывают тепло и свет. Они не содержат индуктивности и емкости. Активная нагрузка преобразовывает электроэнергию в свет и тепло.
Реактивная нагрузка содержит емкость и индуктивность. Данные параметры имеют качество собирать энергию, а потом отдавать ее в сеть. Примером может служить электродвигатель, электрическая мясорубка, бытовой инструмент (пылесос, кухонный комбайн). То есть, все устройства, которые содержат электродвигатели.
Устройство компенсатора
Обычный компенсатор реактивной мощности представляет собой металлический шкаф стандартных размеров с панелью контроля и управления на лицевой панели, обычно открываемой. В нижней части его располагаются наборы конденсаторов (батареи). Такое расположение обусловлено простым соображением: электрические емкости довольно тяжелые, и вполне логично стремление сделать конструкцию более устойчивой. В верхней части, на уровне глаз оператора, находятся необходимые контрольные приборы, в том числе и фазоуказатель, при помощи которого можно судить о величине коэффициента мощности. Имеется также различная индикация, в том числе и аварийная, органы управления (включения и выключения, перехода на ручной режим и проч.). Оценку сравнения показаний измерительных датчиков и выработку управляющих воздействий (подключение конденсаторов нужного номинала) выполняет схема, основой которой служит микропроцессор. Исполнительные устройства работают быстро и бесшумно, они, как правило, построены на мощных тиристорах.
Смысл реактивной нагрузки
В электрической цепи с реактивной нагрузки фаза тока и фаза напряжения не совпадают во времени. В зависимости от характера подключенного оборудования напряжение либо опережает ток (в индуктивности), либо отстаёт от него (в ёмкости). Для описания вопросов используют векторные диаграммы. Здесь одинаковое направление вектора напряжения и тока указывает на совпадение фаз. А если вектора изображены под некоторым углом, то это и есть опережение или отставание фазы соответствующего вектора (напряжения или тока). Давайте рассмотрим каждый из них.
В индуктивности напряжение всегда опережает ток. «Расстояние» между фазами измеряется в градусах, что наглядно иллюстрируется на векторных диаграммах. Угол между векторами обозначается греческой буквой «Фи».
В идеализированной индуктивности угол сдвига фаз равен 90 градусов. Но в реальности это определяется полной нагрузкой в цепи, а в реальности не обходится без резистивной (активной) составляющей и паразитной (в этом случае) емкостной.
В ёмкости ситуация противоположна – ток опережает напряжение, потому что индуктивность заряжаясь потребляет большой ток, который уменьшается по мере заряда. Хотя чаще говорят, что напряжение отстаёт от тока.
Если сказать кратко и понятно, то эти сдвиги можно объяснить законами коммутации, согласно которым в ёмкости напряжение не может изменится мгновенно, а в индуктивности – ток.
Мощность электричества
Количество работы, совершаемой электрическим током за единицу времени, называется мощностью. Она преобразуется в различные виды энергий: механическую, тепловую и т. д. В цепях с постоянным и переменным токами она вычисляется различными способами. В большинстве случаев ее рассчитывать нет необходимости, поскольку она указывается на электрооборудовании (на корпусе и в документации). Расчет необходим только при проектировании устройств.
Основные соотношения
В цепи постоянного тока формула мощности записывается таким образом: P = I * U. Существуют и другие соотношения, получаемые из закона Ома (I = U / R):
- Для участка цепи: P = sqr (I) * R = sqr (U) / R.
- Для полной цепи (с учетом ЭДС — e) равенство записывается следующим образом: P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
- P = I * (e + (I * Rвн)).
Во втором случае формулу нужно применять при условии, что в цепи присутствует электрический двигатель или выполняется зарядка аккумулятора, т. е. происходит потребление электроэнергии. При наличии в электроцепи генератора или гальванического элемента, поскольку происходит отдача энергии, следует применять последнюю формулу. Эти соотношения невозможно применять для цепей, которые потребляют переменный ток. Основная причина — его характеристики, которые меняются с течением времени по определенному закону.
В физике существуют три вида мощностей, которые зависят от элементов: активная (резистор), реактивная (емкость и индуктивность) и полная. Активная мощность вычисляется при помощи следующей формулы: Pа = I * U * cos (a). В соотношении учитываются значения U и I, которые являются среднеквадратичными, а также косинус угла сдвига фаз между ними. Реактивная мощность находится аналогично, только вместо косинуса следует использовать синус: Qр = I * U * sin (a). При индуктивной нагрузке в цепи значение Qp>0, а при емкостной Qp<0. Единицей измерения мощности в международной системе исчислений (СИ) является ватт (сокращенно Вт).
Физический смысл ватта
Физический смысл ватта следующий: расход электроэнергии за определенное время. Следовательно, 1 Вт — расход 1 джоуля (Дж) электрической энергии за 1 секунду. Иными словами, киловаттный чайник потребляет 1000 Дж электрической энергии за единицу времени. Для удобства выполнения расчетов используются специальные приставки: милливатт (мВт, mwatt), киловатт (кВт или kwatt), мегаватт (МВт, Mwatt), гигаватт (ГВт, Gwatt) и т. д.
Ватт связан следующим равенством с другими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее значение является электрической лошадиной силой. Численные значения приставок можно найти в технических справочниках, а также в интернете. Например, 1 кВт равен 1000 Вт. Приставка «к» обозначает, что следует число, стоящее перед ней, умножить на 1000. Для того чтобы перевести 1 МВт, следует умножить число на значение приставки: 1 * 1000000 = 1000000 Вт = 1000 кВатт. Если необходимо перевести Вт в кВт, то нужно количество ватт разделить на 1000.
Для учета расхода количества электроэнергии принята единица, которая называется ватт-час (Втч). Величины Втч и Вт отличаются. Ватт — мощность, а Ватт-час расшифровывается, как количество электроэнергии, потребляемое за единицу времени
Очень важно правильно писать и расшифровывать последнюю величину Вт*ч (умножение, а не деление). Разницу между Вт и ВТч возможно определить и расчетным методом
Например, необходимо рассчитать потребление электроэнергии за 30 минут электроприбором мощностью 2,5 кВт. Порядок вычисления следующий:
- Следует перевести время в часы: 30/60 = 0,5 (ч).
- Выполнить расчет по формуле: Pч = P * t = 2,5 * 0,5 = 1,25 (киловатт-час пишется — кВт*ч).
Таким образом, мощность и количество потребляемой электрической энергии являются различными физическими величинами, которые довольно просто рассчитываются. Вычисления помогают определить количество электроэнергии и помогают в экономии денежных средств.
Коррекция коэффициента мощности
Коррекция коэффициента мощности при помощи конденсаторов
Коррекция коэффициента мощности (англ. power factor correction (PFC)) — процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам.
К ухудшению коэффициента мощности (изменению потребляемого тока непропорционально приложенному напряжению) приводят нерезистивные нагрузки: реактивная и нелинейная. Реактивные нагрузки корректируются внешними реактивностями, именно для них определена величина cosφ{\displaystyle \cos \varphi }. Коррекция нелинейной нагрузки технически реализуется в виде той или иной дополнительной схемы на входе устройства.
Данная процедура необходима для равномерного использования мощности фазы и исключения перегрузки нейтрального провода трёхфазной сети. Так, она обязательна для импульсных источников питания мощностью в 100 и более ватт[источник не указан 3367 дней]. Компенсация обеспечивает отсутствие всплесков тока потребления на вершине синусоиды питающего напряжения и равномерную нагрузку на силовую линию.
Разновидности коррекции коэффициента мощности
- Коррекция реактивной составляющей полной мощности потребления устройства. Выполняется путём включения в цепь реактивного элемента, производящего обратное действие. Например, для компенсации действия электродвигателя переменного тока, обладающего высокой индуктивной реактивной составляющей полной мощности, параллельно цепи питания включается конденсатор. В масштабах предприятия для компенсации реактивной мощности применяются батареи конденсаторов и других компенсирующих устройств.
- Коррекция нелинейности потребления тока в течение периода колебаний питающего напряжения. Если нагрузка потребляет ток непропорционально приложенному напряжению, для повышения коэффициента мощности требуется схема пассивного (PPFC) или активного корректора коэффициента мощности (APFC). Простейшим пассивным корректором коэффициента мощности является дроссель с большой индуктивностью, включённый последовательно с питаемой нагрузкой. Дроссель выполняет сглаживание импульсного потребления нагрузки и выделение низшей, то есть основной, гармоники потребления тока, что и требуется (правда, это достигается в ущерб форме напряжения, поступающего на вход устройства). Активная коррекция коэффициента мощности ценой некоторого усложнения схемы устройства способна обеспечивать наилучшее качество коррекции, приближая коэффициент мощности к 1.
Расчет и виды
Из-за прямой зависимости мощности от напряжения в сети и токовой нагрузки следует, что эта величина может появляться как от взаимодействия большого тока с малым напряжением, так и в результате возникновения значительного напряжения с малым током. Такой принцип применим для превращения в трансформаторах и при передаче электроэнергии на огромные расстояния.
Существует формула для расчета этого показателя. Она имеет вид P = A / t = I * U, где:
- Р является показателем токовой мощности, измеряется в ваттах;
- А — токовая работа на цепном участке, исчисляется джоулями;
- t выступает временным промежутком, на протяжении которого совершалась токовая работа, определяется в секундах;
- U является электронапряжением участка цепи, исчисляется Вольтами;
- I — токовая сила, исчисляется в амперах.
Реактивный показатель мощности способствует возникновению самоиндукционного явления. Такое преобразование частично возвращает энергетические потоки обратно в сеть, из-за чего происходит смещение токовых значений
и напряжения с отрицательным воздействием на электросеть.
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.
Активная нагрузка с измерением емкости аккумулятора
Представляем проект самодельной активной электронной нагрузки. Сама по себе активная нагрузка не является чем-то особенным, но здесь расширение базы представляет собой микроконтроллер, используемый для измерения тока, напряжения и мощности и тестирования емкости любых аккумуляторов от 100 мА/ч до 99 А/ч с функцией автоматического отключения нагрузки от источника после достижения установленного напряжения разряда. Дополнительным действием микроконтроллера является управление скоростью вентилятора в зависимости от температуры радиатора.
Схема измерителя ёмкости АКБ с электронной нагрузкой
Работа базовой схемы активной нагрузки довольно проста — силовой транзистор последовательно соединен с резистором измерения мощности источника с источником питания (например, блоком питания, аккумулятором). Транзистор управляется сигналом ошибки, генерируемым в измерительном усилителе на основе сигнала напряжения, получаемого с измерительного резистора, и сигнала напряжения, подаваемого с потенциометра управления. Разница этих сигналов заставляет транзистор открываться или закрываться через измерительный усилитель для их выравнивания. Это влияет на величину тока, протекающего через транзистор, и, следовательно на ток, поступающий от проверяемого источника. Напряжение, пропорциональное току протекающему через него в соответствии с законом Ома, подается на измерительный резистор.
Конечно, эта базовая схема имеет много различных модификаций, например более одного силового транзистора, дополнительные управляющие транзисторы, MOSFET-транзистор вместо биполярных, улучшенные версии операционных усилителей и так далее.
В данном проекте использован самый простой вариант с одним полевым транзистором STW20NB50 в корпусе TO-247. Транзистор напрямую управляется сдвоенным операционным усилителем LM358, питаемым от одного напряжения 9 В. Измеряемое напряжение от силового резистора (2 параллельных резистора 0R1 5 Вт) подается через простой RC-фильтр на инвертирующий вход первого усилителя, а на неинвертирующий вход другого операционного усилителя для усиления напряжения перед передачей в микроконтроллер — измерение тока.
Напряжение двух последовательно соединенных потенциометров управления также подается на вход неинвертирующего первого усилителя, создание системы грубой и точной регулировки, поглощенной текущей нагрузкой. В первом ОУ генерируется сигнал ошибки, управляющий силовым транзистором. Транзистор работает линейно, что несколько необычно для MOSFET, но совершенно нормально в данном случае.
Внимание: эта схема активной нагрузки может не выдержать обратного подключения проверяемого источника питания!
Проект основан на микроконтроллере ATtiny26. Он управляется внутренним генератором с частотой 8 МГц, который при первых нескольких срабатываниях калибруется «вручную» методом проб и ошибок, изменяя параметр, введенный в регистр генератора OSCCAL в начале программы (несколько раз корректируя, компилируя и программируя). Хотя в схеме есть функция измерения емкости батареи, которая заключается в подсчете принятой нагрузки как функции времени, не считаем необходимым стабилизировать время с помощью кварца, поскольку это не лабораторное оборудование, и небольшие отклонения отсчитываемого времени (после калибровки генератора) мало влияет на результат измерения АКБ. Если кто-то хочет стабилизировать таймер кварцем — можете сделать и так.
Программа была написана полностью на ассемблере и занимает доступную память процессора, всего 2 КБ.
АЦП подаются через блокирующий конденсатор в конце AVCC и в качестве источника использования эталонного напряжения внутреннее напряжение 2,56 В. Измерения проводятся циклически каждые 200 мсек в основном цикле программы.
Чтобы просмотреть ток и напряжение с точностью до 0,01, точность обработки АЦП была программно увеличена с 10 до 12 бит. Без этой процедуры точность индикации напряжения в предполагаемом диапазоне 30 В составляла 30 В / 1023 (АЦП) = ~ 0,03 В, что не очень.
Благодаря передискретизации до 12 бит точность показаний напряжения составила 30 В / 4095 (АЦП) <0,01 В. Для тока с предполагаемым диапазоном 10 А избыточная дискретизация была по существу ненужной, потому что 10 А / 1023 (АЦП) = ~ 0,01 А, что достаточно.
При каждом измерении делается много «быстрых» показаний с АЦП, из которых извлекается среднее значение, который затем попадает в «свободный» круговой буфер, который циклически заполняется при каждом измерении. Среднее значение этого буфера берется только для дальнейших правильных расчетов тока или напряжения. В результате показания достаточно стабильны и достаточно быстро реагируют на изменения измеряемых величин.
Температура радиатора измеряется схемой на датчике Dallas (это может быть 18B20 или 18S20 — программа распознает и настраивает) с точностью до ближайших градусов, и на этой основе определяется, как быстро крутить вентилятор радиатора — чем он горячее, тем быстрее вращение. При включении питания вентилятор запускается с высокой скоростью и через некоторое время достигает минимальной скорости согласно температуре.
Измерение емкости аккумулятора состоит в основном из суммирования текущих показаний через заданные временные интервалы (здесь 1 с) и последующего интегрирования этой суммы для интервалов определенного времени (здесь 1 ч = 3600 с). Например, пусть это будет текущее измерение 1 А; если мы суммируем его в течение часа каждую секунду, то получаем сумму показаний = 1 A х 3600 с = 3600 Ас; если разделим его на постоянный период интеграции, равный 3600 с (1 час), то получим 3600 Ас / 3600 с = 1 А в час.
Давайте проверим, будет ли ток = 4 А в течение 10 часов, тогда что получится? 4 A х 36000 с = 144000 Ас -> 144000/3600 = 40 Ач.
Чтобы измерить емкость аккумулятора он должен быть подключен к нагрузке с минимальными грубыми и точными потенциометрами (отключение нагрузки) и с максимальным потенциометром регулировки напряжения отсечки. На дисплее должно отображаться напряжение на аккумуляторе, например, 12,15 В и ток без нагрузки. Единица напряжения должна быть записана как «V» (с заглавной буквой), если это маленькая буква «v», следует кратковременно нажать кнопку, чтобы активировать функцию отключения нагрузки, чтобы вернуться к большому «V».
Теперь отрегулируем напряжение отсечки для потенциометра, например, для 12-вольтовой кислотной батареи это будет полное напряжение разряда 10,20 В (1,7 В / элемент, разные источники могут давать немного разные размеры, особенно в зависимости от его производителя). Нажимаем долго (более 3 секунд) функциональную кнопку отключения нагрузки, пока буква «V» не изменится на маленькую «v». Поверните потенциометр напряжение до максимального значения и оставить уже — с изолирующей нагрузкой вернутся в режим ожидания.
Теперь достаточно установить желаемый ток нагрузки, желательно на 20 часов (обычно в соответствии с рекомендациями для кислотных АКБ), например, 2,5 А для аккумулятора 50 А/ч, и ждать сигнала завершения — пикание. В зависимости от состояния АКБ, это может занять несколько часов. Благодаря функции отключения нагрузки не нужно беспокоиться о том, чтобы пропустить момент полной разрядки и повредить аккумулятор — нагрузка отключится автоматически. На дисплее можем прочитать значение емкости и времени измерения, которое прошло.
Измерение емкости активируется автоматически после обнаружения тока не менее 50 мА без какой-либо операции нажатием кнопки и регулировкой напряжения отключения, описанных выше — они служат только для активации режима контроля напряжения и отключения нагрузки.
На одном из выходов процессора имеется передача от программного обеспечения USART со скоростью 9600 8N1 в односекундном цикле, в которую включена информация, идентичная показанной на дисплее в виде кодов ASCII. Вы можете отправить передачу данных, например, на компьютер через любой адаптер RS232-TTL / USB и прочитать информацию непосредственно на любом терминале, указав соответствующий COM-порт адаптера. Переданные данные включают в себя коды ASCII, управляющие терминалом, а именно коды CR + LF на концах линии и код CLRSCR для очистки экрана в начале каждой передачи, благодаря чему данные отображаются в окне терминала в фиксированном месте (прокрутка окна при получении данных не производится).
Микроконтроллер напрямую управляет буквенно-цифровым ЖК-дисплеем 2×16 в 4-битном режиме. Дисплей отображает 6 параметров,
- в верхней строке: напряжение, ток, температура радиатора;
- в нижней строке: мощность, мощность, время измерения.
В схеме есть несколько потенциометров. Они используются для коррекции измерений напряжения и тока, а также контрастности дисплея и для регулировки уровня тока нагрузки (грубой и точной), а также для установки напряжения отсечки для измерений А/ч.
Источник питания служит силовой трансформатор мощностью 3 Вт и напряжением 12 В. Стандартный встроенный стабилизатор в версии SMD обеспечивает напряжение 5 В для питания всей схемы, в то время как стабилизатор 9 В в корпусе TO-92 для операционного усилителя припаян со стороны дорожек, напряжение отфильтровано несколькими электролитическими конденсаторами и керамикой.
Электронная схема была разделена на две печатные платы: плату процессора с взаимодействующими цепями и плату нагрузки с транзистором и резисторами. Они разработаны так, что их можно разделить на две части или оставить как одну большую плату. В случае разделения платы соединяются с помощью коротких отрезков проводов, предпочтительно кабелей, и размещаются в корпусе так, чтобы они были как можно ближе друг к другу (как можно короче соединительные провода). Силовой транзистор присоединен к достаточно большому радиатору с вентилятором.
Вся схема была размещена в типичном металлическом корпусе от блока питания компьютера АТХ. На одной из стенок прикреплена лицевая панель с отверстием для дисплея. В дополнение к дисплею имеются также бананы-разъемы для подключения проверяемого источника и потенциометров регулировки. Благодаря тому, что это корпус от БП компьютера, тут уже есть разъем для сетевого 220 В шнура питания.
ЭЛЕКТРОННАЯ НАГРУЗКА С РЕГУЛИРОВКОЙ ТОКА
Для чего нужно такое устройство, как электронная нагрузка, наверное все в курсе — она позволяет создать имитацию очень мощного резистора на выходе блоков питания, зарядок, усилителей, ИБП и других схем при их настройке. Данная электронная нагрузка может выдержать более 100 Ампер тока, рассеивая более 500 Вт непрерывно и выдерживая 1 кВт мощности в импульсном режиме.
Схема самодельной электронной нагрузки на 500 Вт
Схема в принципе несложная и тут используются два полевых транзистора с регулирующими ОУ. Каждый из двух каналов одинаков и включены они параллельно. Управляющие напряжения связаны между собой и нагрузка делится поровну между двумя мощными полевыми транзисторами. Здесь использованы для шунта 2 резистора на 50 А, формируя напряжение обратной связи 75 мВ. Очевидным преимуществом в выборе такого малого значения сопротивления (каждый шунт сопротивлением всего 1,5 миллиом) в том, что падение напряжения практически ничтожно. Даже при работе с нагрузкой 100 А, падение напряжения на каждом шунтирующем резисторе будет менее 0,1 В.
Недостатком использования такой схемы в том, что требуется ставить ОУ с очень низким входным смещением, так как даже небольшое изменение смещения может привести к большой погрешности в контролируемом токе. Например, при лабораторных испытаниях, всего 100 мкВ напряжения смещения приведет к изменению тока нагрузки на 0,1 А. Кроме того, трудно создать такие стабильные управляющие напряжения без использования ЦАП и прецизионных ОУ. Если вы планируете использовать микроконтроллер для управления нагрузкой, нужно будет либо использовать прецизионные ОУ для усиления напряжения с шунта, совместимые с ЦАП на выходе (например, 0-5 В) или использовать прецизионный делитель напряжения для создания управляющего сигнала.
Вся схема была собрана на куске текстолита методом упрощённого монтажа и размещена на верхней части большого алюминиевого блока. Поверхность металла отполирована для того, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность между транзисторами и радиатором. Все соединения с большим током — не менее 5 проводов толстого многожильного провода, тогда они смогут выдерживать не менее 100 А без существенного нагрева или падения напряжения.
Выше приведено фото макетки, на которой впаяны два операционных усилителя повышенной точности LT1636. А модуль DC-DC преобразователя используется для преобразования входного напряжения на стабильных 12 В для контроллера вентилятора системы охлаждения. Вот они — 3 вентилятора на боковой стороне радиатора.
Форум по схеме
Форум по обсуждению материала ЭЛЕКТРОННАЯ НАГРУЗКА С РЕГУЛИРОВКОЙ ТОКА
|
| |||||
Мощность в резистивных и реактивных цепях переменного тока | Коэффициент мощности
Рассмотрим схему для однофазной системы питания переменного тока, в которой источник переменного напряжения 120 В и 60 Гц подает питание на резистивную нагрузку: (рисунок ниже)
Источник переменного тока управляет чисто резистивной нагрузкой.
В этом примере ток нагрузки будет 2 ампера, среднеквадратичное значение. Мощность, рассеиваемая на нагрузке, составит 240 Вт.
Поскольку эта нагрузка является чисто резистивной (без реактивного сопротивления), ток находится в фазе с напряжением, и расчеты выглядят аналогично расчетам в эквивалентной цепи постоянного тока.
Если бы мы изобразили кривые напряжения, тока и мощности для этой схемы, это выглядело бы так, как показано на рисунке ниже.
Ток синфазен с напряжением в резистивной цепи.
Обратите внимание, что форма сигнала мощности всегда положительная, а не отрицательная для этой резистивной цепи.
Это означает, что мощность всегда рассеивается резистивной нагрузкой и никогда не возвращается к источнику, как это происходит с реактивной нагрузкой. Если бы источником был механический генератор, для вращения вала потребовалось бы 240 Вт механической энергии (около 1/3 лошадиных сил).
Также обратите внимание, что форма сигнала мощности не соответствует частоте напряжения или тока! Скорее, его частота составляет удвоенных частоты сигнала напряжения или тока.
Эта другая частота запрещает наше выражение мощности в цепи переменного тока с использованием тех же сложных (прямоугольных или полярных) обозначений, которые используются для напряжения, тока и импеданса, потому что эта форма математического символизма подразумевает неизменные фазовые отношения.
Когда частоты не совпадают, фазовые соотношения постоянно меняются.
Как ни странно это может показаться, лучший способ продолжить вычисления мощности переменного тока — это использовать нотацию скаляра и обрабатывать любые соответствующие фазовые соотношения с помощью тригонометрии.
Цепь переменного тока с чисто реактивной нагрузкой
Для сравнения рассмотрим простую цепь переменного тока с чисто реактивной нагрузкой на рисунке ниже.
Цепь переменного тока с чисто реактивной (индуктивной) нагрузкой.
Мощность не рассеивается в чисто реактивной нагрузке. Хотя он попеременно поглощается и возвращается к источнику.
Обратите внимание, что мощность одинаково чередуется между положительными и отрицательными циклами. (Рисунок выше) Это означает, что мощность поочередно поглощается и возвращается к источнику.
Если бы источником был механический генератор, для вращения вала не потребовалось бы (практически) никакой полезной механической энергии, потому что нагрузка не использовала бы никакой энергии.
Вал генератора легко вращается, а индуктор не нагревается, как резистор.
Цепь переменного тока с резистивной и чисто реактивной нагрузкой
Теперь давайте рассмотрим цепь переменного тока с нагрузкой, состоящей из индуктивности и сопротивления, как показано на рисунке ниже.
Цепь переменного тока с реактивным сопротивлением и сопротивлением.
При частоте 60 Гц индуктивность 160 миллигенри дает нам 60.319 Ом индуктивного сопротивления.
Это реактивное сопротивление в сочетании с сопротивлением 60 Ом образует полное сопротивление нагрузки 60 + j60,319 Ом, или 85,078 Ом 45,152 o . Если нас не интересуют фазовые углы (чего мы еще не достигли), мы можем рассчитать ток в цепи, взяв полярную величину источника напряжения (120 вольт) и разделив ее на полярную величину импеданса. (85,078 Ом).
При напряжении источника питания 120 В (среднеквадратичное значение) ток нагрузки равен 1.410 ампер. Это цифра, которую покажет амперметр RMS, если он подключен последовательно с резистором и катушкой индуктивности.
Мы уже знаем, что реактивные компоненты рассеивают нулевую мощность, поскольку они в равной степени поглощают мощность и возвращают мощность в остальную часть схемы.
Следовательно, любое индуктивное реактивное сопротивление в этой нагрузке также будет рассеивать нулевую мощность.
Единственное, что здесь осталось для рассеивания мощности, — это резистивная часть импеданса нагрузки. Если мы посмотрим на график формы волны напряжения, тока и полной мощности для этой схемы, мы увидим, как эта комбинация работает на рисунке ниже.
Комбинированная резистивно-реактивная цепь рассеивает больше мощности, чем возвращается к источнику. Реактивное сопротивление не рассеивает мощность; хотя резистор делает.
Как и в любой реактивной цепи, мощность с течением времени чередуется между положительными и отрицательными мгновенными значениями.
В чисто реактивной схеме чередование положительной и отрицательной мощности делится поровну, в результате чего рассеиваемая полезная мощность равна нулю.Однако в схемах со смешанным сопротивлением и реактивным сопротивлением, подобных этой, форма волны мощности по-прежнему будет чередоваться между положительной и отрицательной, но количество положительной мощности будет превышать количество отрицательной мощности.
Другими словами, комбинированная индуктивная / резистивная нагрузка потребляет больше энергии, чем возвращается обратно к источнику.
Глядя на график формы волны для мощности, должно быть очевидно, что волна проводит больше времени на положительной стороне центральной линии, чем на отрицательной, что указывает на то, что нагрузка потребляет больше мощности, чем возвращается в цепь.
То небольшое возвращение мощности происходит из-за реактивного сопротивления; Несбалансированность положительной и отрицательной мощности происходит из-за сопротивления, поскольку она рассеивает энергию за пределами цепи (обычно в виде тепла).
Если бы источником был механический генератор, количество механической энергии, необходимое для вращения вала, было бы суммой мощности, усредненной между положительным и отрицательным циклами мощности.
Математическое представление мощности в цепи переменного тока является сложной задачей, потому что волна мощности не имеет той же частоты, что и напряжение или ток.
Кроме того, фазовый угол для мощности означает нечто совершенно иное, чем фазовый угол для напряжения или тока. В то время как угол для напряжения или тока представляет собой относительный сдвиг по времени между двумя волнами на , фазовый угол для мощности представляет собой отношение между рассеиваемой мощностью и возвращаемой мощностью.
Из-за того, что мощность переменного тока отличается от напряжения или тока переменного тока, на самом деле легче получить значения мощности, вычислив с помощью скаляра величин напряжения, тока, сопротивления и реактивного сопротивления, чем пытаться получить их. из вектор или комплексных величин напряжения, тока и импеданса, с которыми мы работали до сих пор.
ОБЗОР:
- В чисто резистивной цепи вся мощность схемы рассеивается резисторами. Напряжение и ток синфазны.
- В чисто реактивной цепи мощность цепи не рассеивается нагрузкой (ами). Напротив, мощность поочередно поглощается и возвращается к источнику переменного тока. Напряжение и ток сдвинуты по фазе на 90 °.
- В цепи, состоящей из смешанного сопротивления и реактивного сопротивления, мощность, рассеиваемая нагрузкой (ами), будет больше, чем возвращаемая, но некоторая мощность определенно будет рассеиваться, а некоторая будет просто поглощаться и возвращаться.Напряжение и ток в такой цепи будут сдвинуты по фазе на величину где-то между 0 ° и 90 °.
СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:
Резистивная нагрузка — обзор
В частотной области алгоритм управления, предложенный Jain et al. [52,53], характеризуемая как «компенсация гармоник, генерируемых заказчиком», для управления SAPF. Он компенсирует гармоники и потребность в реактивной мощности нелинейных нагрузок и поддерживает искажения в компенсированном токе, аналогичные присутствию в напряжении сети.
Следовательно, нагрузка ведет себя как линейная / резистивная нагрузка, и результирующий ток источника будет иметь ту же форму волны, что и напряжение питания. Поддерживая одинаковые формы сигналов напряжения и токов, можно полностью компенсировать реактивную мощность и добиться работы с единичным коэффициентом мощности (UPF). Работа UPF также обеспечивает более эффективное снижение THD напряжения на сетевой шине и меньшие гармонические потери [54,55]. Эта схема обеспечивает следующие дополнительные функции:
- •
Она способна обеспечить только компенсацию гармоник в дополнение к компенсации как гармоник, так и реактивной мощности одновременно.
- •
Он способен поддерживать такой же уровень искажений в исходном токе, как и в сетевом напряжении, тем самым возлагая ответственность на потребителя и энергосистему в точке общего соединения (PCC).
- •
Эффективно работает при идеальных условиях сети по сравнению с другими алгоритмами.
- •
Также, в отличие от [7], он применим и к однофазным системам.
2.3.5.1 Математические выражения
Любой несинусоидальный сигнал можно выразить как сумму синусоидальных сигналов различных частот. Исходя из этого, напряжение и ток сети можно выразить как:
(2,17) vs (t) = ∑n = 1 кВнсин (nωt + θn) и
(2,18) iL (t) = ∑n = 1kInsin (nωt + ϕn)
, где
v s ( t ), i L ( t ) — мгновенные напряжение источника и ток нагрузки,
99 V 90 n , I n — амплитуды (пик) напряжения и тока n -го порядка,
θ n , ϕ n 900 — это разность фаз n частотной составляющей напряжения и тока, а
n — порядок гармоник.
Опорный ток, полученный от источника, должен быть частью тока, который сохраняет тот же уровень искажений, что и в напряжении, в то же время учитывающий всю составляющую основной частоты. Опорный ток должен иметь такую же графическую картину изменения, как и напряжение. Он может иметь временную опору / опережение или может быть в фазе с напряжением, в зависимости только от гармоник, или от обеих гармоник и возможности компенсации реактивной мощности.Таким образом, составляющая основной частоты опорного тока будет равна составляющей основной частоты тока нагрузки I 1 (плюс составляющая потерь, I Потери ) для компенсации гармоник, и I 1 cos ϕ 1 (плюс составляющая потерь) для компенсации как гармоник, так и реактивной мощности. Все остальные частотные составляющие будут в той же пропорции, что и их аналоги в напряжении, что может быть математически выражено как:
Для компенсации гармоник
(2.19) составляет * (t) = ∑n = 1k (I1V1) ⋅Vnsin (nωt + θn + n (ϕ1 − θ1)) (I1 = I1 + ILoss, forn = 1)
Для компенсации гармонической и реактивной мощности
(2.20) — это * (t) = ∑n = 1k (I1V1) ⋅Vnsin (nωt + θn) (I1 = I1cosΦ1 + ILoss, forn = 1)
где is * (t) — мгновенное значение расчетный эталонный ток.
Полная принципиальная схема предлагаемой схемы управления вместе с моделью контроллера Simulink показана на рис. 2.31. Тиристорный преобразователь с элементом R-L на его стороне постоянного тока используется в качестве нелинейной нагрузки, а преобразователь PWM источника напряжения с конденсатором промежуточного контура используется в качестве APF.Измеряются напряжения источника и токи нагрузки двух фаз и вычисляются их гармонические составляющие. Используя ток основной нагрузки ( I 1 ), основное напряжение ( В 1 ), гармонические составляющие напряжения ( В 3 , В 5 ,…) и их соответствующие углы ( ϕ 1 , θ 1 , θ 3 , θ 5 ,…), эталонные токи получены (для двух фаз) согласно формуле.(2.19) или (2.20) в зависимости от желаемой компенсации. Третий опорный ток получается путем использования схемы отрицательного сложения (в трехфазной трехпроводной системе). Напряжение промежуточного контура регулируется для получения составляющей потерь и добавляется к основной составляющей тока нагрузки. Расчетные эталонные токи и фактические токи источника затем обрабатываются в контроллере гистерезиса для получения сигналов переключения. Модель Simulink для получения различных частотных составляющих напряжения и токов, а также получения опорного тока представлена на рисунке 2.32 (А) — (С).
Рисунок 2.31. (A) Схема управления в частотной области. (B) Модель контроллера Simulink.
Имитационная модель: active_filter_frequency_domain.slx, R2014bРисунок 2.32. Имитационная модель для получения различных частотных составляющих напряжения и тока для (A) только компенсации гармоник, (B) компенсации гармоник и реактивной мощности и (C) имитационной модели для получения опорного тока.
На рис. 2.33 показаны результаты моделирования только для случая компенсации гармоник в установившемся режиме.На этом рисунке показаны трехфазные скомпенсированные токи источника с соответствующими напряжениями источника. Замечено, что APF допускает такой же уровень искажений в скомпенсированном токе источника, который присутствует в напряжении источника. Форма напряжений и токов источников одинакова (THD: V sa –9,23%, I sa –9,3%), но они не совпадают по фазе, поэтому реактивная мощность не компенсируется. В таблице 2.2 показаны различные компоненты мощности после компенсации, из которых видно, что реактивная мощность не компенсируется.Таким образом, мощность установленного ОВЧ снижается по сравнению со случаем компенсации как гармоник, так и реактивной мощности.
Рисунок 2.33. Трехфазные токи источника с соответствующими напряжениями источника (только компенсация гармоник при искажениях в сети).
Таблица 2.2. Компоненты мощности после компенсации (фаза «A») (только компенсация гармоник при искажении сети)
| Компонент мощности | Нагрузка | Источник | APF | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Активная мощность, P | 2477.9 | 2544,2 | 72,83 | ||
| Реактивная мощность, Q | 1804,0 | 1847,5 | 50,97 | ||
| ВА мощность | 3103 3183 | ||||
| 9037 | 2571,6 | 144,2 | |||
| Мощность гармоник | 43,98 | −27,37 | −71,36 |
Рис.2.34 показаны формы сигналов для трехфазных компенсированных токов источника с соответствующими напряжениями источника при искаженной сети, в установившемся режиме для компенсации как гармоник, так и реактивной мощности одновременно. Из результатов моделирования видно, что после компенсации формы напряжений и токов источника одинаковы, и они находятся в фазе друг с другом, так что реактивная мощность полностью скомпенсирована, и может быть достигнута работа UPF даже при искаженной сети.
Рисунок 2.34. Трехфазные токи источника с соответствующими напряжениями источника (компенсация как гармоник, так и реактивной мощности в сети с искажениями).
В таблице 2.3 показаны различные компоненты мощности после компенсации. Замечено, что реактивная мощность полностью компенсируется. В то же время APF допускает такой же уровень гармоник в скомпенсированных токах источника, что и в напряжениях источника (THD: V sa –9,23%, I sa –9,29%). Из-за искажений в сети ток нагрузки становится несимметричным.
Таблица 2.3. Компоненты мощности (фаза «A») (компенсация гармонической и реактивной мощности при искажении сети)
| Компонент мощности | Нагрузка | Источник | APF |
|---|---|---|---|
| Активная мощность, P | 24773 | 2990,6 | 512,7 |
| Реактивная мощность, Q | 1804,0 | −0,15 | −1805,0 |
| ВА мощность | 3109.6 | 2980,8 | 1959,6 |
| Основная мощность | 2433,9 | 2964,3 | 530,4 |
| Гармоническая мощность | 43,98 | ||
