obciążenie nieliniowe (prostownik) i współczynnik mocy

Czytam, że współczynnik mocy pokazuje, ile jest mocy pozornej, która krąży między liniami energetycznymi a obciążeniem i nie nagrzewa w nich linii przesyłowych i transformatorów. Mówią, że jest to spowodowane tym, że prąd jest niefazowy z napięciem. W szczególności energia wypływa z obciążenia, gdy napięcie jest dodatnie, ale prąd jest ujemny.

Widzę też, że prostownik diodowy przewodzi tylko w krótkich momentach szczytowego napięcia, gdy napięcie wejściowe przekracza napięcie obciążenia (prostowniki mają kondensator wyjściowy = napięcie obciążenia). Tak więc cała moc jest zużywana podczas tych krótkich serii. Przeczytałem jeden artykuł mówiący, że ludzie nic nie rozumieją, a cały problem nie dotyczy współczynnika mocy, ale te wybuchy, które przeciążają transformatory w liniach energetycznych (niedopuszczalne jest wytwarzanie dużych prądów w transformatorach z powodu niebezpieczeństwa utraty magnetyzacji). Ale kiedy zużywasz całą moc podczas bardzo małej części sinusoidy, dzieje się ogromny prąd. Oczywiście prąd nie jest proporcjonalny do napięcia, tak jak powinien być w obciążeniu odniesienia (rezystorze) o współczynniku mocy równym 1. Ale nie widzę tutaj żadnej mocy ujemnej! Prostownik wyklucza dodatnie napięcie wejściowe i prąd ujemny. Cały prąd jest dodatni poniżej szczytowego napięcia dodatniego. Jak więc obciążenie nieliniowe wytwarza moc pozorną?

Innymi słowy, Wikipedia mówi http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply#Power_factor

Proste zasilacze impulsowe w trybie off-line zawierają prosty prostownik pełnofalowy podłączony do dużego kondensatora magazynującego energię. Takie SMPS pobierają prąd z linii prądu przemiennego w krótkich impulsach, gdy chwilowe napięcie sieciowe przekracza napięcie na tym kondensatorze. Podczas pozostałej części cyklu prądu przemiennego kondensator dostarcza energię do zasilacza.

W rezultacie prąd wejściowy takich podstawowych zasilaczy impulsowych ma wysoką zawartość harmonicznych i stosunkowo niski współczynnik mocy.

Jak doszli do wniosku, że zawartość harmonicznych powoduje niski współczynnik mocy? Skąd pochodzi pozorna moc?

Rozumiem, że prąd ma harmoniczne (składowe częstotliwości), co oznacza, że ​​oscyluje on do przodu i do tyłu, podczas gdy napięcie pozostaje pojedynczej polaryzacji. Możliwe, że oscylacje prądu o wysokiej częstotliwości wytwarzają moc pozorną. Jednak przepływ netto jest nadal dodatni, prąd wciąż płynie tylko w jednym kierunku, co odpowiada biegunowości napięcia, a oscylacje nie powodują, że płynie on w przeciwnym kierunku, powodując moc pozorną.

Chodzi o to, że brakuje ci tego, że nie wymaga przeniesienia mocy z urządzenia z powrotem na linię energetyczną podczas części cyklu zasilania, aby mieć współczynnik mocy mniejszy niż jedność.

Istnieją różne sposoby patrzenia na to, czym tak naprawdę jest współczynnik mocy, chociaż wszystkie przedstawiają się tak samo matematycznie. Jednym ze sposobów jest stosunek rzeczywistej mocy dostarczanej do produktu w stosunku do napięcia i prądu RMS. Jeśli prąd jest sinusoidalny (weźmy pod uwagę napięcie zawsze sinusoidalne w tym przypadku, ponieważ linia energetyczna ma tak niską impedancję), to masz współczynnik mocy jedności, gdy jest on w fazie z napięciem, i 0, gdy 90 stopni poza faza. W przypadku sinusoidy moc musi płynąć z powrotem do linii podczas części cyklu, aby mieć współczynnik mocy mniejszy niż jedność.

Możliwe jest jednak wiele innych przebiegów. Możesz mieć prąd, który jest zawsze 0 lub dodatni, gdy napięcie jest dodatnie, lub 0 lub ujemny, gdy napięcie jest ujemne, ale to nie jest sinus. Dobrym przykładem są wspomniane przez ciebie kolce spowodowane mostem pełnofalowym. Moc nigdy nie płynie z powrotem do linii energetycznej, ale współczynnik mocy jest mniejszy niż 1. Zrób kilka przykładów i oblicz prąd RMS pobierany przez mostek pełnej fali. Zobaczysz, że całkowita rzeczywista moc pobierana z linii elektroenergetycznej jest mniejsza niż prąd RMS razy napięcie linii elektroenergetycznej (ponownie zakładamy, że napięcie linii elektroenergetycznej jest zawsze sinusoidą).

Innym sposobem myślenia o tym jest to, że straty w systemie przesyłowym są proporcjonalne do kwadratu prądu. Most pełnej fali pobiera prąd w krótkich skokach dużej wielkości. Ze względu na kwadratowy charakter strat jest to gorsze niż ten sam średni pobrany prąd bardziej rozproszony. Po wypracowaniu tej matematyki zdajesz sobie sprawę, że sposobem na zminimalizowanie średniego kwadratu prądu jest doprowadzenie prądu do sinusoidy w fazie wraz z napięciem. Jest to jedyny sposób na osiągnięcie jedności mocodawcy.

Jeszcze innym sposobem spojrzenia na to, o którym wspomniałeś, jest myśl o rozszerzeniu Fouriera prądu. Zakładamy pewien przebieg prądu, który powtarza każdy cykl linii energetycznej, więc ma szereg Fouriera. Każdy taki powtarzający się kształt fali można wyrazić jako sumę szeregu fal sinusoidalnych przy częstotliwości linii energetycznej i jej dodatnich wielokrotnościach całkowitych. Na przykład przy mocy 60 Hz kształt fali jest sumą sinusoidów przy 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz itd. Jedyne pytanie dotyczy amplitudy i przesunięcia fazowego każdej z tych harmonicznych. Powinno być oczywiste, że tylko podstawowa (składowa 60 Hz w tym przykładzie) jest w stanie pobierać dowolną moc netto z linii elektroenergetycznej i tylko w takim stopniu, w jakim jest w fazie z napięciem. Ponieważ wszystkie elementy są sinusami, każdy pobiera energię podczas części cyklu i zwraca tę samą moc w innej części cyklu, z wyjątkiem komponentu fazy w fazie podstawowej. Tak więc twój sposób patrzenia na współczynnik mocy jako konieczność przywracania mocy podczas części cyklu jest ważny, jeśli rozbijesz bieżący kształt fali na składniki fali sinusoidalnej. Możliwe jest jednak posiadanie zestawu komponentów fali sinusoidalnej, które pobierają i zwracają moc do linii elektroenergetycznej w różnym czasie, tak że sieć ze wszystkich komponentów w dowolnym momencie jest zerowa lub dodatnia. Prąd mostkowy pełnej fali jest jednym z przykładów takiego kształtu fali. możliwe jest posiadanie zestawu komponentów fali sinusoidalnej, które pobierają i zwracają moc do linii energetycznej w różnych momentach, tak że sieć ze wszystkich komponentów w dowolnym momencie jest zerowa lub dodatnia. Prąd mostkowy pełnej fali jest jednym z przykładów takiego kształtu fali. możliwe jest posiadanie zestawu komponentów fali sinusoidalnej, które pobierają i zwracają moc do linii energetycznej w różnych momentach, tak że sieć ze wszystkich komponentów w dowolnym momencie jest zerowa lub dodatnia. Prąd mostkowy pełnej fali jest jednym z przykładów takiego kształtu fali.