Индуктивная нагрузка: особенности работы и влияние на электрические системы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое индуктивная нагрузка. Как она влияет на работу электрических систем. Каковы особенности работы индуктивной нагрузки с различными типами источников питания. Какие проблемы может вызывать индуктивная нагрузка в электрических цепях.

Содержание

Что такое индуктивная нагрузка и где она встречается

Индуктивная нагрузка — это тип электрической нагрузки, которая создает магнитное поле при протекании через нее электрического тока. Основным элементом индуктивной нагрузки является катушка индуктивности.

Наиболее распространенные примеры индуктивных нагрузок:

Электродвигатели
Трансформаторы
Электромагниты
Дроссели в осветительных приборах
Катушки реле и контакторов

Индуктивные нагрузки широко используются в промышленности, бытовой технике, системах освещения и других областях, где необходимо создание магнитного поля или преобразование электрической энергии.

Особенности работы индуктивной нагрузки

Основные особенности индуктивной нагрузки:

Сдвиг фазы между током и напряжением на 90 градусов
Накопление энергии в магнитном поле
Противодействие изменениям тока в цепи
Возникновение ЭДС самоиндукции при изменении тока

Как это влияет на работу электрической цепи с индуктивной нагрузкой?

Ток отстает по фазе от напряжения, что снижает коэффициент мощности
При включении ток нарастает постепенно, а при выключении стремится поддерживаться
Возникают скачки напряжения при коммутации индуктивной нагрузки
Искажается форма тока при питании от несинусоидального источника

Влияние индуктивной нагрузки на источник питания

Индуктивная нагрузка оказывает существенное влияние на работу источника питания:

Увеличивается полная мощность, потребляемая от источника
Снижается коэффициент мощности электроустановки
Возрастают потери в линиях электропередачи

Искажается форма напряжения при работе от автономных инверторов

Для компенсации негативного влияния индуктивной нагрузки применяются различные технические решения, такие как компенсация реактивной мощности, использование корректоров коэффициента мощности и др.

Работа индуктивной нагрузки с различными типами инверторов

При питании индуктивной нагрузки от автономных инверторов возникают дополнительные особенности:

Трансформаторные инверторы

Высокие потери из-за прохождения реактивного тока через все элементы
Искажение формы выходного напряжения
Сложности с обеспечением стабильности выходного напряжения

Инверторы с ШИМ-модуляцией

Меньшие потери за счет рекуперации энергии в звено постоянного тока
Возможность формирования синусоидального выходного напряжения
Высокая стабильность выходного напряжения

Инверторы с синусоидальным выходным напряжением обеспечивают наилучшие условия для работы индуктивной нагрузки, близкие к работе от промышленной сети.

Проблемы, вызываемые индуктивной нагрузкой в электрических системах

Основные проблемы, связанные с индуктивной нагрузкой:

Снижение коэффициента мощности электроустановки
Увеличение потерь в системе электроснабжения
Падение напряжения в линиях электропередачи
Искажение формы напряжения при питании от автономных источников
Сложности с коммутацией индуктивной нагрузки

Для решения этих проблем применяются различные технические и схемотехнические решения, такие как:

Компенсация реактивной мощности
Использование корректоров коэффициента мощности
Применение специальных схем коммутации индуктивной нагрузки
Выбор инверторов с синусоидальным выходным напряжением

Методы измерения параметров индуктивной нагрузки

Для правильного выбора оборудования и решения проблем с индуктивной нагрузкой необходимо точно измерять ее параметры. Основные методы измерения:

Измерение полного сопротивления нагрузки
Определение коэффициента мощности
Измерение активной и реактивной составляющих тока
Анализ гармонического состава тока нагрузки

Современные измерительные приборы позволяют быстро и точно определить все необходимые параметры индуктивной нагрузки для оптимизации работы электрической системы.

Способы уменьшения негативного влияния индуктивной нагрузки

Существует ряд эффективных способов снижения негативного влияния индуктивной нагрузки на электрическую систему:

Установка компенсирующих конденсаторов
Применение активных фильтров гармоник
Использование синхронных компенсаторов
Внедрение систем динамической компенсации реактивной мощности
Оптимизация режимов работы электрооборудования

Выбор конкретного метода зависит от параметров нагрузки, требований к качеству электроэнергии и экономической целесообразности.

2.4. Индуктивная нагрузка.

Подключим к сети переменного напряжения катушку индуктивности L с малым активным сопротивлением (R = 0) (см.рисунок 5). Когда по катушке идет переменный ток, в ней возникает ЭДС самоиндукции, которая по закону Ленца противодействует приложенному напряжению: .

Решение этого дифференциального уравнения относительно тока имеет вид:

Видно, что в цепи с индуктивной нагрузкой ток отстает по фазе от напряжения на 90⁰, поэтому средняя мощность, выделяющаяся на чисто индуктивной нагрузке, тоже равна нулю: .

Сопротивление индуктивности переменному току найдем на основании закона Ома: . Видно, что постоянному току (ω = 0) чистая индуктивность

L не оказывает сопротивления (X_C = 0), а ее сопротивление переменному току растет пропорционально частоте.

2.5. Полное сопротивление последовательной цепи переменному току.

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую последовательно соединенные нагрузки трех видов (рисунок 6). Для цепи постоянного тока ее полное сопротивление определялось бы как сумма сопротивлений всех последовательно включенных составляющих. Но в цепи переменного тока, где подаваемое напряжение изменяется по закону , сила тока на активной нагрузке совпадает по фазе с напряжением на ней, на емкостной – опережает фазу напряжения на 90^о, а на индуктивной – отстает на 90^о. Поэтому при определении полного сопротивления электрической цепи, представленной на рисунке 6, необходимо учитывать фазовые соотношения между током и напряжением, зависящие от вида нагрузки. Полный ток в такой цепи в общем случае определяется выражением:

, (2.5)

где амплитуда тока находится по формуле: Величина Z называется полным сопротивлением (импедансом) цепи переменного тока и определяется соотношением:

. (2.6)

Видно, что импеданс Z рассматриваемой цепи зависит не только от параметров нагрузок R,C и L, но и от частоты ω переменного напряжения.

Сдвиг фаз φ между полным током и напряжением в этой цепи определяется из соотношения:

. (2.7)

Таким образом, амплитуда тока в рассматриваемой цепи определяется по закону Ома:

(2.8)

Сопротивление Z такой цепи минимально и равно активной нагрузке R, если . В этом случае сила тока в цепи становится максимальной, т.е. в цепи наступает явление электрического резонанса. Поэтому частота , на которой наблюдается это явление, называется резонансной частотой данной цепи. Отметим, что на этой частоте импеданс цепи наименьший и равен ее активному сопротивлению

Z=R, а сдвиг фаз между током и напряжением φ=0, т.е на этой частоте цепь ведет себя как чисто активная нагрузка R. На рисунке 7 приведены графики зависимости сопротивлений разных нагрузок от частоты переменного тока.

3. Электропроводимость биологических тканей для переменного тока.

Импедансные методы в биологических и медицинских исследованиях

3.1. Сопротивление живой ткани переменному току

И змерения полного сопротивления (импеданса) живой ткани, проведенные на разных частотах, показывают, что сопротивление ткани максимально и равно R₁на постоянном токе (ω = 0), а с увеличением частоты переменного тока импеданс сначала быстро уменьшается, а затем, достигнув некоторого значения Z₂, остается практически постоянным, как показано на рисунке 8. Такая зависимость импеданса от частоты указывает на то, что в живой ткани нет элементов, обладающих индуктивностью, но есть элементы, обладающие свойствами емкости. Простейшая электрическая схема, эквивалентная живой ткани и дающая такую же частотную зависимость, представлена на рисунке 9. Полное выражение импеданса такой цепи, а значит и импеданса живой ткани, на любой частоте дается формулой:

или (3.1)

Здесь емкостное сопротивление ткани определяется ее диэлектрическими структурными составляющими (клеточные мембраны, жировая клетчатка, эпидермис), а величина сопротивлений R₁ и R₂ (причем R₁>>R₂) определяется омическими составляющими проводящих структур биологической ткани (кожа, тканевая жидкость, кровь, цитоплазма и др. ).

В представленной на рисунке 9 эквивалентной схеме постоянный ток может идти только через сопротивление

R₁, т.к. сопротивление емкости С для него бесконечно велико. Но для переменного тока сопротивление емкости уменьшается с увеличением частоты, а с ним уменьшается и полное сопротивление цепи. На очень высоких частотах сопротивление емкости стремится к нулю (Х_с 0) и импеданс стремится к наименьшему значению

. (3.3)

Следует иметь в виду, конечно, что каждая ткань характеризуется своими значениями параметров R₁, R₂ и С эквивалентной схемы. Например, для кожи активное сопротивление на постоянном токе очень велико и составляет R₁~ 10⁴ – 10⁶ Ом, а на высоких частотах падает в 10-20 раз. Для мягких кровенаполненных тканей R₁ мало (R₁~ 10² Ом) и меньше их емкостного сопротивления на низких частотах, поэтому часто эквивалентные схемы мягких тканей представлены только их активным сопротивлением

R₁.

На средних и высоких частотах, для которых Х_с<<R₁,сопротивление нижней ветви цепи (см. рисунок 9), состоящей из R₂ и Х₂, будет значительно меньше R₁, и основной ток будет идти по нижней ветви, поэтому на этих частотах импеданс цепи можно приближенно выразить более простой формулой:

(3.2)

Для постоянного тока ( = 0) и низких частот эта формула неприменима, но на средних и высоких частотах она дает удовлетворительные результаты, если R₁>> R₂ и Х_С. Видно, что значение сопротивления R₂ определяет наименьшее значение импеданса ткани на высоких частотах.

Зависимость импеданса ткани от частоты переменного тока определяется физиологическим состоянием и морфологическими особенностями ткани, что позволяет использовать измерения их электропроводности в биологических и медицинских исследованиях. Методы измерения электропроводности тканей осуществляются при достаточно низких напряжениях (менее 50 мВ) и слабых токах, которые не вносят изменений в физико–химические процессы в тканях и не повреждают их.

При действии повреждающих факторов (повышенная температура, мощный ультразвук, ионизирующие излучения и др.), а так же при отмирании ткани происходит увеличение проницаемости мембран, их частичное или полное разрушение, что приводит к уменьшению роли емкостного сопротивления ткани и зависимость ее импеданса от частоты становится слабой. Для «мертвой ткани» она, практически, исчезает вообще.

Для иллюстрации на рисунке 10 представлена частотная зависимость импеданса для трех образцов одной и той же ткани: 1 – образец не подвергался никаким внешним воздействиям; 2 – ткань подвергнута кратковременному нагреванию, приводящему к частичному разрушению клеточных мембран; 3 – образец ткани, подвергнутой длительному кипячению, вызывающему полное разрушение мембран («мертвая ткань»). Видно, что сопротивление мертвой ткани практически не зависит от частоты.

Поэтому по частотной зависимости импеданса можно оценивать жизнестойкость тканей организма. Это существенно, в частности, для оценки качества трансплантанта при пересадке тканей и органов. По предложению Б.Н.Тарусова жизнестойкость ткани можно количественно характеризовать с помощью коэффициента К, называемого коэффициентом поляризации (см. рисунок 11), представляющего собой отношение импеданса ткани Z_Н, измеренного на низкой частоте (порядка 10³Гц), к ее импедансу на высокой частоте Z_В(10⁶ –10⁷Гц):

(3.3)

Для живой ткани этот коэффициент значительно превышает единицу (К>>1) и зависит от способности ткани к обмену веществ. Так, для печени млекопитающих он равен 9–10 и выше, чем для мышц того же организма.

Трекеры — системы ориентации солнечных батарей

Различные типы инверторов для сети переменного напряжения 220В и анализ их работы с разными видами электроприборов.

1.Вступление.

Описание рассматриваемых типов инверторов: трансформаторный, модифицированный синус, чистый синус

Инвертор- прибор преобразующий постоянное напряжение в переменное. Потребность в инверторах существует для решения задачи питания устройств для бытовой сети 220В 50Гц от источников постоянного напряжения, например аккумуляторов. С развитием электроники эта задача решалась все более сложными методами, дающими более качественные параметры выходной электроэнергии. Однако на практике применяются как современные, так и более архаичные приборы, поэтому рассмотрим основные типы инверторов в историческом порядке.

Первыми появились инверторы на основе трансформаторов работающих на частоте сети 50Гц. Блок-схема инвертора приведена на рис. № 1.

Рис. № 1. Блок-схема трансформаторного инвертора.

Источник энергии постоянного тока, в самом распространенном случае аккумулятор 12В, подключается к трансформатору через трехпозиционный коммутатор. Коммутатор представляет собой набор электронных ключей, обеспечивающий 3 состояния: к первичной обмотке трансформатора подключен источник питания положительной полярностью, к первичной обмотке трансформатора подключен источник питания отрицательной полярностью и состояние когда первичная обмотка закорочена. Последовательно переключая эти состояния, на первичной обмотке формируется переменное напряжение частотой 50Гц и амплитудой 12В. На вторичной обмотке трансформатора при этом формируется напряжение с той же частотой и формой, однако эффективное напряжение составляет 220В. Графики напряжения на трансформаторе приведены на рис. № 2. Выходное напряжение снимается с вторичной обмотки, поэтому имеет такие же параметры.

Рис. № 2. Графики напряжения на трансформаторе

Данная форма напряжения называется «модифицированная синусоида» и широко применяется в инверторах для сети 50Гц, поэтому параметры, описывающие ее, рассмотрены более подробно. Вообще параметры, задающие форму модифицированной синусоиды, это амплитуда выходного напряжения и коэффициент заполнения, показывающий отношение длительности импульса к периоду сигнала. Эти параметры задаются при конструировании инверторов. Из соображений того, что инвертор должен заменять сеть 220В 50Гц, обычно выбирается амплитудное значение напряжения модифицированной синусоиды такое же, как и в сети, то есть 311В. При этом, чтобы обеспечить эффективное напряжение 220в, такое же как и в сети, коэффициент заполнения получается 0.5. Однако в инверторе этого типа амплитуда выходного напряжения получается зависящей прямо пропорционально от
напряжения источника. Если в качестве источника энергии используется аккумулятор, а это самый распространенный случай, то его напряжение при разряде понижается, и амплитуда модифицированной синусоиды на выходе преобразователя также понижается, соответственно понижается и эффективное значение напряжение на выходе преобразователя. Для того чтобы улучшить качество энергии на выходе преобразователя в этих условиях часто применяют схемы управления, которые изменяют коэффициент
заполнения выходного напряжения таким образом, чтобы поддерживать эффективное напряжение неизменным. Например, инвертор, рассчитанный на напряжение источника 12В, работает от разряженного аккумулятора с напряжением 10В. При этом амплитудное напряжение на выходе снижается пропорционально до 259В. Схема управления изменяет коэффициент заполнения выходного напряжения до 0.72, при этом эффективное напряжение
остается равным 220В. Однако форма напряжения и его амплитуда меняется, что может быть недопустимо для некоторых нагрузок, что будет показано далее.

Так как основным элементом инвертора этого типа является трансформатор 50Гц, возможности по миниатюризации, уменьшении материалоемкости и повышении эффективности работы инвертора весьма ограничены. Поэтому на основе современной элементной базы были разработаны инверторы с вч преобразованием. Блок-схема такого инвертора приведена на рис. № 3.

Рис. № 3. Блок-схема инвертора с вч преобразованием.

Источник энергии постоянного тока подключается на вход высокочастотного
преобразователя постоянного напряжения (dc\dc преобразователь). Данный блок преобразует входное напряжение в напряжение, соответствующее амплитуде сетевого напряжения, 311В. Это преобразование происходит с помощью трансформатора, работающего на повышенной (десятки и сотни килогерц) частоте, поэтому габариты и материалоемкость инвертора значительно уменьшились. Выходное напряжение преобразователя подается на коммутатор, аналогичный коммутатору в инверторе трансформаторного типа.

График выходного напряжения коммутатора имеет такой же вид, как и напряжение на выходе коммутатора в трансформаторном инверторе, однако амплитуда напряжения достигает 311В. Выход коммутатора является выходом инвертора, и график выходного напряжения соответствует напряжению на вторичной обмотке трансформатора в трансформаторном инверторе (рис.2).

Соображения насчет формы выходного напряжения, изложенные выше, справедливы и для данного типа инвертора. Изменение же формы выходного напряжения в зависимости от величины входного напряжения может происходить либо нет, это зависит от топологии
dc\dc преобразователя. Если преобразователь стабилизированный, то при изменении входного напряжения выходное напряжение преобразователя не изменяется. При этом
также форма и амплитуда выходного напряжения инвертора не изменяется. Однако существуют и более простые разновидности dc\dc преобразователей, которые не являются стабилизированными, и выходное напряжение которых пропорционально входному. Для инверторов, собранных на основе таких преобразователей, справедливы заключения насчет изменения выходного напряжения для трансформаторных инверторов.

С развитием электроники появилась возможность создать инверторы с синусоидальной формой напряжения на основе вч преобразования электрической энергии. С помощью данных инверторов возможно получение выходного напряжения, удовлетворяющего стандартам на качество электроэнергии в энергетике, что невозможно для преобразователей ранее рассмотренных типов. Блок-схема инвертора приведена на рис. № 4.

Рис. № 4. Блок-схема инвертора с синусоидальным выходным напряжением.

Источник энергии постоянного тока подключается на вход высокочастотного преобразователя постоянного напряжения, как и в инверторе с вч преобразованием, рассмотренном ранее. Выходное напряжение инвертора может быть различным в зависимости от конструкции, однако оно должно быть выше амплитудного напряжения сети, то есть выше 311В. Выходное напряжение преобразователя поступает на вч инвертор
(dc/ac), представляющий собой управляемый понижающий импульсный преобразователь.
Данный преобразователь может устанавливать на своем выходе напряжение по сигналу от схемы управления в диапазоне от нуля до напряжения питания, то есть до напряжения больше 311В. Вч инвертор обычно содержит два таких канала по мостовой схеме, таким образом, напряжение между их выходами может достигать от −311В до +311В, как и в сети 220В. Графики выходного напряжения по обоим выходным проводам и результирующее выходное напряжение инвертора представлены на рис. № 5. Из графиков следует, что схема управления подает особый сигнал на каждый канал вч преобразователя, изменяющийся во времени таким образом, что выходное напряжение каждого канала вч преобразователя изменяется по синусоидальному закону с частотой 50Гц, и смещено по фазе на 180 между каналами. Напряжение же между выходами представляет собой синусоиду без постоянной составляющей амплитудой 311В. Изменение формы выходного напряжения в зависимости от величины входного напряжения не происходит вследствие того что либо dc/dc преобразователь либо вч инвертор исполняются стабилизированными, то есть выходное напряжение не зависит от входного.

Рис. № 5. Графики напряжения на выходах инвертора.

2.Виды электроприборов с активным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки

Электрические приборы с активным характером сопротивления распространены повсеместно. К ним относятся различные виды нагревательных приборов, а также осветительные приборы на основе ламп накаливания. Также распространены комбинированные нагрузки, в которых кроме основного потребителя с активным характером сопротивления присутствуют другие потребители с различным характером сопротивления, однако мощность этих потребителей значительно ниже. Например, нагревательный элемент со схемой контроля температуры. Такие нагрузки также можно считать приближенными к активными, степень приближения определяется отношением мощностей основной активной нагрузки и дополнительной не активной. Вообще активная нагрузка является наиболее простым видом нагрузки для инвертора, потому что выходной ток инвертора в любой момент времени, то есть при любом мгновенном значении выходного напряжения, ограничен и определяется законом Ома. Поэтому допустима любая форма выходного напряжения инвертора, например модифицированная синусоида. Также весь выходной ток инвертора идет на создание выходной активной мощности, поэтому эффективность работы (величина коэффициента полезного действия) инверторов любого типа будет максимальна при данном типе нагрузки.

Для корректной работы активных нагрузок важно лишь среднеквадратичное значение напряжения, а все рассмотренные ранее типы инверторов способны выдавать такое же среднеквадратичное напряжение, как и сеть 220В. Однако потенциально важным моментом для работы с активной нагрузкой является способность инвертора выдавать постоянное среднеквадратичное напряжение при изменяющемся напряжении питания. Все рассмотренные ранее типы инверторов имеют такую возможность при соответствующих функциях системы
управления, однако каждая конкретная модель инвертора может иметь или нет подобную функцию.

Также нагрузки с активным характером сопротивления могут быть линейными или нелинейными, то есть сопротивление нагрузки может быть постоянным или меняющимся во времени. Типичным примером нелинейной нагрузки является лампа накаливания, причем отличие в сопротивлении в горячем и холодном состоянии может достигать 10 раз. При работе инвертора с таким типом нагрузки может возникать кратковременное, но значительное увеличение тока нагрузки. В этом случае возможна потеря работоспособности инвертора из-за срабатывания защиты по максимальному выходному току. Однако работа схемы защиты не зависит от типа преобразователя, поэтому различия между работой различных моделей инверторов будут происходить из-за различия в системах защиты, а не из-за принципиального различия в типах инверторов.

Различие между типами инверторов с различной формой выходного напряжения можно оценить с помощью частотного анализа по гармоническому составу выходного напряжения. Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения содержат в спектре выходного напряжения только основную гармонику 50Гц. Инверторы же с выходным напряжением в виде модифицированной синусоиды содержат в спектре выходного напряжения также высшие нечетные гармоники значительной амплитуды. Так как форма
выходного тока при активной нагрузке повторяет форму напряжения, то подобные заключения будут справедливы и про спектр выходного тока. Практически оценить различия в форме выходного тока можно по производимому им акустическому эффекту. Акустический эффект может иметь различную физическую природу, например сила Ампера, вынуждающая колебаться проводники с током, или магнитострикционный эффект в материалах, находящимся в магнитном поле, возбуждаемом током. Акустический эффект может возникать во всех участках последовательной выходной цепи, например в потребителе или соединительных проводах, или в самом инверторе. Человек способен на слух различать гармонический состав производимого акустического эффекта. Так, звук от инвертора с синусоидальной формой выходного напряжения ощущается как однотонный
гудящий (низкочастотный) шум. А звук от инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды более тембрально окрашен, с выраженными обертонами, более походящий на стук.

3.Виды электроприборов с индуктивным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки

Электрические приборы с индуктивным характером сопротивления часто встречаются в технике и в быту. К этим приборам относятся электровибрационные приборы, например бритвы и насосы, осветительные приборы с индуктивными балластами, лектромеханические реле, электрические двигатели.

Реальная индуктивная нагрузка представляет собой частично чистую индуктивность и частично активную нагрузку. Для описания индуктивной нагрузки возможно использовать последовательную модель, в которой нагрузка представляется в виде последовательно соединенных индуктивности и сопротивления. Для описания соотношения влияния этих элементов на выходной ток преобразователя используют параметр «коэффициент мощности
(КМ)», который определяет отношение активной мощности к полной мощности. При индуктивной нагрузке КМ<1. Таким образом, полная мощность, потребляемая нагрузкой с индуктивным характером сопротивления, будет больше, чем активная мощность, обычно указываемая на электроприборе в качестве номинальной. Поэтому индуктивная нагрузка
представляет собой более сложный вид нагрузки для инвертора, потому что выходной ток инвертора идет как на создание выходной активной мощности, так и на запасание энергии в индуктивности (реактивная мощность). Потери энергии в инверторе при работе на нагрузку с индуктивным характером сопротивления будут больше чем при работе на нагрузку с активным характером сопротивления такой же номинальной (активной) мощности. Это очень важное свойство, поскольку часто при эксплуатации инверторов именно уровень потерь энергии, то есть тепловая мощность, нагревающая инвертор, является определяющей для обеспечения работоспособности.

Однако для разных типов инверторов степень увеличения потерь при индуктивной нагрузке разная. Это связано с тем, что при различных топологиях построения инверторов путь выходного тока, нагревающего преобразователь, может быть различен и захватывать разное количество составных блоков преобразователя. Рассмотренные типы инверторов относительно данного вопроса разделяются на два вида: однокаскадные и двухкаскадные.

Однокаскадным инвертором является трансформаторный инвертор. Выходной ток нвертора проходит через весь инвертор: через выходной трансформатор, в трансформированном виде через ключи инвертора и через источник входного напряжения. При этом нагреваются все вышеназванные компоненты цепи и потери велики. Отличием вухкаскадных
инверторов является наличие внутреннего звена постоянного тока. Инвертор с вч преобразованием, с формой выходного напряжения как модифицированной синусоидой так и с чистым синусом, является двухкаскадным инвертором. Он содержит емкостной накопитель энергии на выходе dc\dc преобразователя, через который протекает часть реактивного выходного тока. Поэтому через входную часть преобразователя, то есть
через dc\dc преобразователь и источник входного напряжения, протекает значительно меньшая величина переменного тока, и соответственно эти блоки инвертора меньше нагреваются. Поэтому двухкаскадные типы инверторов могут иметь КПД выше, чем однокаскадные для данного типа нагрузок.

При работе потребителей с индуктивным характером нагрузки от различных типов преобразователей проявляется различие эффективного тока нагрузки. Данный эффект существует потому что для индуктивной нагрузки кроме эффективного напряжения важно еще и среднее значение напряжения за период. Этот вывод следует из закона электромагнитной индукции, согласно которому размах амплитуды переменного тока на индуктивности пропорционален приложенным вольт — секундам (В*С). А среднее напряжение для синусоиды с эффективным напряжением 220В и для модифицированной синусоиды с пиковым напряжением 311В и эффективным напряжением 220В весьма различно и составляет 198В и 156В соответственно. Для определения численного значения различия эффективного тока и активной мощности нагрузки произведено моделирование в среде micro-cap, результаты которого представлены на рис.№ 6.

В качестве нагрузки при моделировании использовалась RL цепочка с КМ=0.7, т.е. ее активное сопротивление и модуль индуктивного сопротивления равны и составляют по 100Ом (величина индуктивности 318мГ).

Ток в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды

Активная энергия, выделяющаяся в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды

Рис. № 6. Графики тока и потребления активной энергии при индуктивной нагрузке.

Из графиков следует, что активная энергия более эффективно потребляется при синусоидальном источнике напряжения, причем разница составляет 16%. Такая же разница будет и в активной мощности. То есть, если подключить нагрузку, предназначенную для работы от сети 220В к инвертору с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды, то потребляемая активная мощность снизится на 16% . Эффективный ток при этом снизится на 9% . Для функционирования нагрузок данное понижение активной мощности будет иметь негативные последствия: электровибрационные приборы понизят механическую мощность, осветительные приборы будут светить тусклее.

4. Виды электроприборов с емкостным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки

Электрические приборы с емкостным характером сопротивления редко применяются как законченный блок, однако часто встречаются как часть других электроприборов, например емкостные компенсаторы реактивной мощности или фазосдвигающие емкостные цепи для электродвигателей. Так как остальные виды нагрузок рассматриваются в других разделах, имеет смысл рассмотреть отдельно работу инверторов различных типов на реальную емкость. Модель реальной емкости учитывает потери энергии в сопротивлении выводов применяемых конденсаторов и представляет собой последовательно включенные идеальный конденсатор и эмулирующий сопротивление выводов резистор.

Сначала рассмотрим работу инвертора с формой выходного напряжения в виде чистой синусоиды на реальную емкость. Процессы, протекающие в этой цепи аналогичны процессам при работе такой же нагрузки от сети 220В. Как известно, конденсатор в цепи переменного тока представляет собой реактивную нагрузку, то есть полная мощность нагрузки большей частью состоит из циркулирующей от нагрузки к сети и обратно реактивной мощности и лишь небольшая часть полной мощности представляет собой активную мощность потерь. При этом полезный эффект нагрузки создает именно реактивная мощность, а активная мощность представляет собой паразитный эффект, нагревающий как саму нагрузку так и инвертор. Величина активной мощности, выделяющейся в инверторе, пропорциональна выходному сопротивлению инвертора.

Теперь же рассмотрим работу на такую же нагрузку инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды. Для получения наглядных результатов использовалось моделирование в среде micro-cap. Модель инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды представляет собой источник напряжения с формой модифицированной синусоиды и последовательно включенного сопротивления потерь Rг. Для сравнения использовалось моделирование схемы с той же самой нагрузкой, но работающей от источника переменного напряжения 220В 50Гц с таким же выходным сопротивлением. Схемы для моделирования представлены на рис. № 7. Номиналы элементов типичны для обычных применений и составляют: Сн=10мкФ, Rн=Rг=1Ом.

Рис. № 7. Схемы для моделирования в среде micro-cap

Результаты моделирования представлены на рис. № 8. Из графиков тока нагрузки видно, что форма и амплитуда токов весьма различны. Ток нагрузки с синусоидальным источником напряжения имеет также синусоидальную форму и амплитуду 977мА, а ток нагрузки с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды имеет вид экспоненциальных импульсов с амплитудой 152А и весьма короткой (десятки микросекунд)
длительностью. Такие различия обусловлены тем, что в случае с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды конденсатор заряжается от импульсного источника напряжения с высокой скоростью изменения напряжения, для которого конденсатор имеет низкое сопротивление. Поэтому напряжения на сопротивлениях потерь Rг и Rн в импульсе заряда велики и соответственно велики потери. Исходя из графика выделения энергии на сопротивлении потерь, общая мощность потерь составляет для синусоидального источника напряжения 0.95Вт, а для источника напряжения в виде модифицированной синусоиды 98Вт, то есть отличается в сто раз.

Энергия, выделяющаяся в сопротивлении потерь. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды

Рис. № 8. Графики тока и энергии потерь для различных видов источников напряжения.

Можно показать, что мощность потерь при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды не зависит от сопротивления потерь, а только от величины конденсатора. Однако распределение потерь между инвертором и конденсатором пропорционально их внутренним сопротивлениям. Но в любом случае, такой высокий уровень пиковых токов и мощности потерь нежелателен как для инвертора, так и для нагрузки. Немногие типы
конденсаторов для сети 220В способны работать с внутренними потерями в 100 раз большими, чем номинальные.

Также высокий уровень токов при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды создает повышенный акустический эффект при работе инвертора. Спектральный состав выходного тока инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды при работе на емкость весьма широкополосен, а амплитуда тока весьма велика, поэтому звуковой эффект производимый этим током весьма громкий и неприятный на слух.

5.Виды электроприборов с выпрямителем на входе и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки

Электрические приборы с выпрямителем на входе повсеместно встречаются в технике и в быту. К этим приборам относится бытовая электроника с трансформаторным или мпульсным блоком питания. Эквивалентная схема подключения такой нагрузки представлена на рис № 9. Источник питающего напряжения, в данном случае инвертор, представлен в виде генератора напряжения Vг с сопротивлением потерь Rг. Сам электрический прибор питается выпрямленным напряжением и представлен сопротивлением Rн. Блок питания электроприбора состоит из мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора Сн. Неидеальность конденсатора моделируется последовательным сопротивлением Rк. Сопротивление выпрямителя, входных проводников и трансформатора питания (в случае
трансформаторного блока питания) моделируется последовательным сопротивлением Rп.

Рис. № 9. Эквивалентная схема подключения электроприбора с выпрямителем на входе.

Работа такой нагрузки сильно отличается при использовании инверторов с различными видами выходного напряжения. Причина этого такая же, как и для емкостной нагрузки и заключается в том, что фильтрующий конденсатор Сн заряжается от входного источника напряжения. Если скорость изменения напряжения велика, как при работе от источника с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды, то потери в элементах цепи увеличиваются многократно. Можно аналитически показать, что при работе от источника с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды общие потери энергии будут зависеть лишь от амплитуды переменной составляющей напряжения на конденсаторе Сн и величины емкости этого конденсатора, и не зависеть от величины сопротивлений Rг, Rп и Rк. От величины этих сопротивлений будет зависеть только распределение потерь среди элементов схемы.

Для получения наглядных результатов снова использовалось моделирование в среде micro-cap. Для сравнения использовалось моделирование схемы с одной и той же нагрузкой, но работающей от инвертора с синусоидальной формой напряжения 220В 50Гц и от инвертора с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды. Номиналы элементов схемы для моделирования составляют: Rн=500Ом, Сн=47мкФ, Rг=Rп=Rк=1Ом. Такие номиналы типичны для блока питания бытовой электроники мощностью 150Вт, например телевизора. Результаты моделирования представлены на рис. № 10. Из графиков выходного тока инвертора видно, что форма и амплитуда токов весьма различны для инверторов с различными видами выходного напряжения. Ток инвертора с синусоидальным источником напряжения имеет плавную форму и амплитуду 3.1А, а ток нагрузки с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды имеет вид экспоненциальных импульсов с амплитудой 20.2А и весьма короткой (сотни микросекунд) длительностью.

Исходя из графика выделения энергии на сопротивлении потерь, общая мощность потерь составляет для синусоидального источника напряжения 3.5Вт, а для источника напряжения в виде модифицированной синусоиды 9.4Вт. Таким образом, общая мощность потерь при работе нагрузки от инвертора с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды почти в 3 раза больше чем при работе той же нагрузки от инвертора с синусоидальной формой напряжения. Так как сопротивления потерь включены последовательно, распределение мощности потерь на каждом конкретном элементе будет тоже сохраняться, поэтому например сам инвертор будет выделять мощности в 3 раза больше, конденсатор и трансформатор блока питания также будут греться в 3 раза больше. Элементы бытовых приборов могут не иметь трехкратного запаса по мощности и выйти из строя в результате питания от инверторов с формой напряжения в виде
модифицированной синусоиды.

График тока в нагрузке. Зеленый график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, красный — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды

Энергия, выделяющаяся в сопротивлении потерь. Зеленый график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, красный — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды

Рис. № 10. Графики выходного тока инвертора и энергии потерь для различных видов инверторов.

Как и для емкостной нагрузки, для нагрузки с выпрямителем на входе, высокий уровень токов при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды создает повышенный акустический эффект при работе инвертора. Спектральный состав выходного тока инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды при работе на нагрузку с выпрямителем на входе весьма широкополосен, а амплитуда тока весьма велика, поэтому звуковой эффект производимый этим током весьма громкий и неприятный на слух. При этом производить звуковой эффект может любой элемент схемы, через который протекает выходной ток инвертора, этот элемент может находиться в инверторе или в подключаемом электроприборе, или в соединительных проводах.

6.Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок. Заключение

Для того чтобы систематизировать выявленные в предыдущих частях статьи отличия в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок была составлена табл. № 1. Для сравнения акустического эффекта, тепловых потерь в нагрузке и эффективной мощности для одинаковых нагрузок в качестве отсчета была выбрана сеть переменного напряжения 220В 50Гц. Для сравнения потерь в инверторе разных типов, но с одинаковым выходным сопротивлением, в качестве отсчета был выбран инвертор с синусоидальной
формой выходного напряжения.

Табл. № 1. Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок.

Как следует из таблицы, применять для питания всевозможных типов нагрузки, не опасаясь негативных эффектов возможно только инверторы с выходным напряжением в виде чистой синусоиды. Инверторы с выходным напряжением в виде модифицированной синусоиды, возможно применять без опасений для питания активных нагрузок при невысоких требованиях к акустическому эффекту.

parus.z42.ru

3 основных типа электрической нагрузки

Дом
Блог
3 основных типа электрической нагрузки | Резистивная, индуктивная и емкостная

Когда мы обсуждаем мощность и то, как она используется в технологически продвинутых энергосистемах, мы обычно имеем в виду электрическую нагрузку. Одним из фундаментальных принципов передачи электрической энергии в любой цепи являются электрические нагрузки.

Давайте рассмотрим теорию электричества и обсудим основы, прежде чем углубляться в различные роли электрических нагрузок в энергосистемах. Независимо от нагрузки проектируемой вами энергосистемы, наши специалисты могут помочь вам получить подходящие устройства и безопасный дизайн, чтобы обеспечить успех вашего проекта.

Что такое электрическая нагрузка?

Электрическая нагрузка – это устройство, потребляющее электрическую энергию. Другими словами, это устройство, которое преобразует электрическую энергию тока в различные формы, такие как тепло, свет, работа и так далее. Электрическая нагрузка может быть резистивной, индуктивной, емкостной или комбинированной. Термин нагрузка используется в различных контекстах.

Для обозначения устройства или группы устройств, использующих электрическую энергию.
Продемонстрируйте мощность, требуемую от данной цепи питания.
Электрическая нагрузка представляет собой ток или мощность, протекающую по линии или машине.

Различные типы электрических нагрузок

Резистивная нагрузка: Резистивная нагрузка включает любой тип нагревательного элемента. Лучшими примерами являются лампы накаливания, тостеры, духовки, обогреватели и кофеварки. Чисто резистивная нагрузка потребляет ток по синусоидальной схеме нарастания и затухания в тандеме с синусоидальным изменением напряжения, то есть максимальная, минимальная и нулевая точки значений напряжения и тока с течением времени совпадают, и не содержит никаких других элементы.

Индуктивная нагрузка: Индуктивные нагрузки обеспечивают питание электродвигателей. Примерами являются движущиеся части вентиляторов, пылесосов, посудомоечных и стиральных машин, компрессоров в холодильниках и кондиционерах, а также другие предметы домашнего обихода и гаджеты. В отличие от резистивных нагрузок, чисто индуктивные нагрузки имеют максимальную, минимальную и нулевую точки не в фазе, потому что ток имеет синусоидальную форму и достигает пика после синусоиды напряжения.

Емкостная нагрузка: Как и индуктивная нагрузка, емкостная нагрузка имеет волны тока и напряжения. Критическая разница между емкостной и индуктивной нагрузкой заключается в том, что ток достигает своего пика перед напряжением. Емкостные элементы нагрузки имеют самые высокие коэффициенты мощности и часто используются для питания электрических цепей.

В отличие от индуктивных и резистивных нагрузок, емкостные нагрузки не существуют изолированно. Емкостные нагрузки используются в тандеме с другими электрическими нагрузками, особенно с индуктивными нагрузками.

Почему важно знать свою электрическую нагрузку?

Наиболее важной причиной для понимания нагрузки является более точное понимание энергопотребления вашего дома. Ваша электрическая нагрузка показывает, сколько электроэнергии требуется вашим приборам и дому, что показывает, сколько энергии будет потреблять ваш дом.

Знание электрических требований основных бытовых приборов вашего дома также поможет вам более внимательно следить за ежемесячными счетами за электроэнергию.

Понимание электрической нагрузки вашего оборудования и дома имеет решающее значение, если вы используете тариф по требованию. Ставка платы за потребление — это тариф, который коммунальная служба устанавливает для вас в зависимости от максимального энергопотребления в течение определенного периода. Вы можете снизить максимальное энергопотребление и требовать оплаты счетов за электроэнергию, контролируя, какие электрические нагрузки активны в любой момент времени.

Письмо о полезности электрической нагрузки

Письмо об электрической нагрузке — это рейтинговый документ, который содержит всю информацию об общей электрической нагрузке объекта для определения того, какие компоненты могут работать с нагрузкой в помещении. Эти грузовые буквы доступны как для коммерческих, так и для жилых зданий. Как правило, арендаторы или владельцы этажей передают письмо об электрической нагрузке управляющей компании здания или загружают его непосредственно на веб-сайт коммунальной компании.

Накладные также помогают определить, будет ли электроэнергия, подаваемая в здание или часть здания, удовлетворять потребности владельца или арендатора. Они также позволяют энергетическим и энергетическим компаниям определять размеры электрооборудования, необходимого в строениях или помещениях, занимающих части зданий.

Даже если модернизация не требуется, письмо об электрических нагрузках является ценным документом, в котором указывается, какие электрические нагрузки могут использоваться внутри зданий.

Отопительное оборудование, кондиционеры, охладители, компьютеры и освещение требуют определенных нагрузок. Энергетические компании могут обеспечить адекватное электроснабжение, если точно известна электрическая нагрузка. Владельцы зданий могут сэкономить деньги, получив установку с оптимальной мощностью, если они знают точную электрическую нагрузку.

Приборы с электродвигателями обычно считаются наиболее мощными нагрузками в любом здании (включая коммерческие и жилые). Кроме того, компрессоры кондиционеров потребляют больше всего энергии. Для определения точной нагрузки требуются услуги профессиональной инженерной фирмы.

А вот и роль нью-йоркских инженеров. Всего за несколько простых шагов мы поможем вам получить лучшее письмо с электронагрузкой по очень доступной цене.

Загрузить план этажа и информацию о занятости. Самым первым шагом является определение потребности в топливе для крупной техники. К ним относятся сушилка, кухонная техника и водонагреватель. Профессионалы должны решить, будет ли оборудование работать на газе или на электричестве.

Наши специалисты обеспечат надлежащий анализ плана перед началом работы. Профессионалы проверят потребление системы в тех случаях, когда конкретная информация доступна на сайте или в каталоге производителя. Наши инженеры работают с невероятной скоростью, чтобы доставить письмо с электронагрузкой за 5 дней. Если вам требуются дополнительные разъяснения по работе, вы можете связаться с техническим экспертом напрямую через наш онлайн-портал. У нас есть виртуальные инженеры, которые работают исключительно над проектами буквенных обозначений электрической нагрузки.

Простая модернизация электроснабжения в вашем жилом комплексе может обеспечить рост электроснабжения в будущем. Электрическая нагрузка должна быть увеличена, как только вы добавите новые коммуникации в свой дом. Правильная электрическая модернизация может помочь улучшить внешний вид любой собственности, гарантируя отсутствие проблем с перегрузкой.

Свяжитесь с нами

Метки: Электротехника Электрическая защита Электрическая инсталяция Электрический дизайн Экономия электроэнергии

Присоединяйтесь к более чем 15 000 коллегам-архитекторам и подрядчикам

Получите экспертные инженерные советы прямо на ваш почтовый ящик. Подпишитесь на блог инженеров Нью-Йорка ниже.

Блоки резистивной, индуктивной и емкостной нагрузки

Блоки нагрузки подключают электрическую нагрузку к источникам питания для проверки их способности выдавать электричество или регулировать характеристики тока. Банки нагрузки создают спрос на мощность с помощью резистивных, индуктивных и емкостных элементов. Этот краткий обзор их различий.

Обзор

В системе переменного тока ток имеет синусоидальную форму в соответствии с частотой источника питания. В цепи, на которую не влияют индуктивность или реактивное сопротивление, напряжение и ток будут расти и падать вместе во время каждого цикла. Это состояние, известное как единство, показано на рис. 1.

На практике цепи имеют индуктивные или реактивные характеристики, которые вызывают пики напряжения и тока в разные моменты цикла переменного тока. В индуктивных цепях напряжение опережает ток, как показано на рис. 2. В емкостных цепях напряжение отстает от тока, как показано на рис. 3. Большие промежутки времени между пиками тока и напряжения указывают на большую индуктивную или емкостную нагрузку, и любое условие увеличивает работу, необходимую для подачи требуемого количества активной мощности к нагрузкам.

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

Типы элементов блока нагрузки

Элементы резистивной нагрузки

Наиболее распространенные блоки нагрузки используют элементы резистивной нагрузки. Сопротивление возникает, когда ток проходит через проводники в элементе блока нагрузки, выделяя тепло и создавая соответствующую электрическую нагрузку на источнике питания. Элементы резистивной нагрузки могут создавать точную величину нагрузки при коэффициенте мощности, равном 1,9.0011

Элементы резистивной нагрузки выделяют большое количество тепла, которое необходимо быстро отводить во избежание перегрева. Следовательно, блоки нагрузки используют принудительный воздух для охлаждения резистивных элементов, что обеспечивается специальной цепью питания и одним или несколькими вентиляторами.

Загрузка первичного двигателя, обычно дизельного двигателя, может выявить проблемы в его топливной, выхлопной, охлаждающей и других системах. Поскольку резистивные элементы работают с коэффициентом мощности, равным единице, они не проверяют реактивную мощность, вырабатываемую источником питания. Поскольку большинство систем распределения электроэнергии на объектах работают с отстающим коэффициентом мощности, близким к 0,8, резистивный блок может прикладывать нагрузку до 100 % номинальной мощности генератора, указанной на паспортной табличке. Однако элемент резистивной нагрузки не будет тестировать генератор против какой-либо индуктивной или реактивной нагрузки в цепи.

Элементы индуктивной нагрузки

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

Поскольку они создают отстающие коэффициенты мощности, элементы индуктивной нагрузки используются всякий раз, когда необходимо уменьшить коэффициент мощности испытательной нагрузки. Например, коэффициент мощности в системе распределения электроэнергии в больнице может быть около 0,8. Тем не менее, во время испытаний генераторов можно использовать блоки нагрузки вместо действующей нагрузки здания, чтобы избежать нарушения подачи электроэнергии на объект. Поскольку блоки резистивной нагрузки обеспечивают коэффициент мощности, равный 1, они не могут тестировать источник питания при его номинальной мощности в кВА. Добавление блока индуктивной нагрузки может отрегулировать коэффициент мощности до значения, необходимого для испытаний на полную мощность.

Элементы емкостной нагрузки

В элементах емкостной нагрузки используются конденсаторы, накапливающие электрический заряд. Они сопротивляются изменениям напряжения, что приводит к тому, что ток достигает пика перед напряжением во время каждого электрического цикла. В результате элементы емкостной нагрузки обеспечивают опережающий коэффициент мощности и могут использоваться для повышения коэффициента мощности цепей.

Конструкции комбинированных элементов нагрузки

Группы комбинированных нагрузок обычно обеспечивают резистивные и индуктивные элементы нагрузки в одном корпусе. Для генераторов это позволяет проводить испытания при 100% номинальной мощности кВА. Элементы резистивной и индуктивной нагрузки могут управляться независимо для создания чисто резистивной или индуктивной нагрузки или для регулировки коэффициента мощности по мере необходимости.

Примечательно, что нагрузочные блоки с более чем одним типом элементов подходят для самого широкого спектра применений. Комбинированные блоки нагрузки используются для тестирования турбин, распределительных устройств, роторных ИБП, генераторов и систем ИБП. Эти блоки нагрузки могут особенно подходить для использования арендными компаниями, которым может потребоваться размещение различных типов нагрузки по мере перемещения оборудования с одной площадки на другую.

Краткое описание

Нагрузочные блоки доступны с резистивными, индуктивными и емкостными элементами нагрузки. Резистивные блоки проверяют источники питания без изменения коэффициента мощности. Индуктивные и емкостные элементы нагрузки могут использоваться для моделирования неединичных нагрузок и для регулировки коэффициента мощности цепей. Нагрузочные блоки с комбинированными элементами нагрузочных блоков предлагают самый широкий набор функций, которые особенно подходят для приложений, в которых блоки нагрузок перемещаются с одной площадки на другую.