光功率计（精选十篇）
光功率计 篇1
在通信领域中,需要对传输信号进行质量的检测处理,目前的通信信号特别是光信号的光功率检测十分重要。在光纤信道中,光功率检测可以检测出激光信号的损耗,从而完成对光纤信号的质量检测。目前,微控制器应用于传感器的测控技术使得工业生产更加现代化,通过对各式各样的传感器的控制,解决了很多譬如数据检测的难题。由于单片机成本低廉,操控简单易学,可以应用于各个领域。通过微处理器对传感器的控制,就可实现在通信领域下光信号的质量检测。多功能数字光功率的设计,从基本的光电转换技术入手,通过相应的电路处理和对微控制器的操作,经过反复的调试,有效地检测出光功率和光强以及进行光谱分析。由于该系统误差较小、成本低廉、易于调试等特点,可以广泛应用于光信道光信号质量的检测,对相关科学实验的改进以及工业检测有较好的实用价值。
1 系统方案
1.1 系统方案描述
为实现本系统的功能,下面分别对各个功能模块进行分析论证,原理框图与整体设计框图如图所示。
1.2 系统设计原理
系统采用单片机作为微控制芯片,在光照强度检测模块中,使用光电检测器检测光信号。当有光投射到检测器上时,检测器会有一定的光电信号转换,把光信号转换为电信号,经过放大和AD转换器的转换后直接由单片机输出到显示器上显示;光功率检测模块中,采用光电二极管作为光检测器,当收到光照后会产生微弱电流,通过滤噪电路、放大电路处理和模数转换后输送给微处理器来显示。光谱分析模块中,使用彩色光到频率转换器进行光谱分析。从而实现多功能数字光功率计的设计。
2 系统的硬件设计及软件设计
为了表现整体性和便于检测调试,在制作电路时采用了模块化,将电源模块、显示模块以及传感器模块、AD转换模块分别放置,体现了合理性,将多个模块同时放在多块电路板中,这样方便各个模块的检测与组装。
2.1 数据信号采集模块电路
系统采用PIN光电二极管作为接收器[1],可以实现对光照强度和光信号的采集。光电二极管原理图如图2所示。
2.2 AC-DC转换电路
AC-DC转换电路[2]的功能为将电流由交流变为直流,转换电路的电路图如图3所示。
2.3 显示模块电路
采用的是LCD1602液晶显示器,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块,它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,低电压、低功耗也是其又一显著特点。LCD1602液晶显示电路如图4所示。
2.4 电源模块电路
采用手机充电器,分别经LM7805和LM7905稳压[3]后给单片机、光电二极管传感器、LCD1602液晶显示屏等设备供电。电源电路图如图5所示。
2.5 光谱分析模块
采用TCS3200,它是TAOS公司推出的可编程彩色光道频率的转换器[4]。其输出的信号是数字量,可以与微处理器和其他逻辑电路相连接。可以实现每个彩色信道的10位以上的转换精度。
3 软件系统的设计与实现
系统软件设计采用模块化设计方法。整个程序由初始化模块、显示器部分、电源模块等各种功能模块组成。上电后,进入系统初始化模块,系统软件开始运行。在执行过程中,根据选择分别调用各个功能模块完成对应的功能。程序流程图如图7所示。
4 总结
光功率计 篇2
设计
电功率
整体设计
《电功率》一章是初中电学的重要内容，是初中电学知识学习的核心。而本节内容是本章的重点，学好本节内容是掌握好本章知识的关键。本节内容较多，包括：建立电功率的概念；根据P＝Wt公式进行有关计算；额定功率和实际功率；电功率的测量和利用公式P＝UI的计算。
本节教学可分为4部分：
1．电功率。在学生的潜意识中，常认为用电器的瓦数越大越费电，即将
消耗电能的快慢与消耗电能的多少相混淆。教学中可通过将不同瓦数的灯泡分别接入电路中进行实验现象的观察，引导 学生对实验现象进行细致的分析，使学生正确理解电功率的概念。在此基础上可通过问题引出电功率的计算，引导学生认识电功率的单位。
教材通过小资料介绍了常用“家用电器的电功率”，这些数值对很多学生来说非常陌生，应使学生通过阅读对用电器的电功率分类了解，尤其要知道哪些用电器属于大功率用电器。
2．“千瓦时”的来历。对于此知识点，教材通过公式W＝Pt直接介绍“千瓦时”的来历，简单易懂。教学中可让学生推导千瓦时与焦耳的换算关系，加深对这两个单位的理解。还要让学生知道通常在哪些情况下使用公式W＝Pt，并增加适量练习，以提高学生正确使用该公式求解某些问题的能力。
3．“额定功率”和“实际功率”。看似很简单的知识点，但学生接受起来却
有一定的困难，是初中电学中的难点之一。突破方法：充分利用好演示实验。实验一：分别观察同一灯泡在额定电压、略高于 额定电压和略低于额定电压这三种情况下的发光情况，三次所观察到的亮度是用电器在各实际功率下所显示出的亮度，由此得出额定电压、实际电压、额定功率和实际功率的概念；实验二：探究额定电压相同而额定功率不同的两个灯泡(“220 V 40 W”和“220 V 15 W”)并联和串联接入电压是220 V的电路中的发光情况，引导学生分析讨论两盏灯发光时的实际电压、实际功率与额定电压、额定功率的关系。最终使学生明确：用电器只有在额定电压下才能正常工作，只有用电器正常工作时实际功率才等于额定功率。灯泡的实际功率影响灯泡的亮度。
4．电功率的测量。由前面的实验学生很自然地能想到灯泡的实际电压影响了灯泡实际功率的大小，电压越大，实际功率越大。根据欧姆定律，我们还
可以知道当电阻不变时，通过灯丝的电流大小与灯泡两端的电压大小成正比，它们都直接影响灯泡的实际功率。由此可推知，电功率P与灯泡两端的电压U和灯泡中的电流I有关系，由实验证明它们之间的关系满足：P＝UI。
由于下一节学生将运用伏安法直接测量小灯泡在不同电压下工作时的实际功率，所以有必要在本节教学中对伏安法测电功率进行深入讨论，为下一节实验探究留出更充裕的时间。
教学重点：
掌握电功率的概念，理解额定电压与额定功率，理解电功率和电流、电压之间的关系。
教学难点：
理解电功率和电流、电压之间的关系，能综合运用学过的知识解决简单的电功率问题。
课时安排：1课时
三维目标
一、知识与 技能
1．知道电功率的定义、定义式、单位；
2．理解额定电压与额定功率；
3．会用电功率的公式P＝UI进行简单计算；
4．能综合运用学过的知识解决简单的电功率问题。
二、过程与方法
1．观察体验电能表铝盘转动的快慢跟用电器电功率的关系；
2．观察体验用电器的额定功率与实际功 率的关系。
三、情感态度与价值观
感受科学就在我们生活中。
课前准备
简易家庭电路示教板：接有电能表，一个保险盒，一个开关，一个15 W电灯泡和一个100 W的电灯泡(包括灯座)，一个插座；学生用稳压电源、直流电流表、电压表、导线若干、开关、额定电压为 V的小灯泡一个、节能型电灯一只(功率16 W)、教学课件等。
教学设计
方案1：实验导入
引导：学过了电能和电能表后，谁观察过电能表的转动情况？不同时刻、不同家庭的电能表转动得一样快吗？
演示实验：在电能表后分别接不同的灯泡，一只灯泡上标有“220 V 15 W”，另一只灯泡上标着“220 V 100 W”，接通电源，发现后者比较亮的灯泡电能表的转盘转动得快，而前者比较暗的转动得慢。
光功率计 篇3
原车音响只有前部扬声器，是否需要改装时添加更多的扬声器
——左旋坤 十堰
要说原汁原味的音乐质量，最佳音源实为两声道，也就是常说的左右声道立体声。现在大部分高品质原音CD仍然坚持双声道就是这个原因。以喇叭数量作为衡量音质标准并不科学，车用音响为了照顾后排，弥补低频的不足，往往会增加后门喇叭，其实这反而有可能会破坏整个声场。作为以自驾为主的家用车，应该把更多的资金放在前声场的改装上，后声场大可沿用原车喇叭，甚至舍弃不用。在前声场改装良好的情况下，后排乘客同样能听到很好的音质，当然如果本身期望让爱车成为移动影院，享受环绕立体声效果，那么5.1是起码的标配，只是建议坐在全车正中的皇帝位来聆听未必每个司机都能做到。
买了台老猎豹，后悬挂是钢板弹簧，能否改螺旋弹簧令乘坐更舒适？
——刘青 河池
猎豹Q6的悬架采用前双横臂式，后钢板弹簧式非独立悬架。作为一款带有“大梁”的硬派越野车，这样的悬架无可厚非。钢板弹簧的好处是比螺旋弹簧更为结实耐用并适合高负重，非承载式车身设计注定了其开发设计时更多考虑到的是越野性能，而非如轿车般主打舒适性，若想将后悬挂的钢板弹簧改成螺旋弹簧势必大动干戈，理论上对于舒适性并无大的改善，更有可能引起在车辆高负重情况下，因为更改所造成的安全隐患，强烈不建议做此种改装。
最近换了免维护蓄电池，是不是什么都不用管了
——陈淼鑫 襄阳
大家不要以为免维护蓄电池就是啥都不用管。这是一个实实在在对名字理解的误区，其实免维护电池和维护电池工作原理是一样的，但设计结构有所不同。免维护电池特殊的设计结构让其在充电时，能重新化合出H2O回到系统中，实现电池内部氧的循环复合。而负极亦因生成PbSO4而使极化电位降低，从而达到负极不析氢，这种设计让免维护电池在理论情况下可长期自给自足而不需要额外添加水。但在实际应用中，由于蓄电池本身故障或使用不当等各种原因，还是有可能出现电池失水的情况。若缺乏日常维护与检查有可能使电解水反应加剧，析气速度加快，失水增加。重者可能引起过充电，导致氧循环失效，致使电池工作温度上升，严重时可使电解液干涸 、熔化甚至爆炸。因此电池厂家对自家产品所提出补水建议里程从3万公里到8万公里不等，只不过由于免维护电池的特殊结构，因此它的补水、补充充电等保养项目应当到专业部门去做，所以不少人宁愿到点就换更为省事。
8万公里雷诺风景，经销商让更换刹车油有必要么？
——万远贺 东莞
不少车主一谈到制动系统的维护保养优先都会关注刹车片与刹车盘，其实对于驱动两者咬合制动的“刹车油”，也就是制动液同样需要密切关注。刹车油具有吸水特性，如果长时间不更换除了会因为油性改变腐蚀制动系统，给行车带来隐患，还会因为沸点降低，产生气阻而造成制动压力不足，影响制动效果。一般情况下建议车主，两年或者4万公里更换一次刹车油。鉴别刹车油是否需要更换除了简单目测其颜色深浅以外，正规修理厂会用仪器测其水份含量，达到一定含量则必须更换。普通维修厂更换刹车油，一般拧开放油螺母，通过不断添加新油并踩合刹车踏板将原有刹车油挤出更换。不过对于有一定经济能力的车主，建议多买几罐刹车油，采用循环灌注挤压的方式，用新油将整个液压刹车油管内的残余旧油冲刷一遍，直至刹车油颜色由深变浅后再最后加注足量新油效果会更好。至于市面上DOT3与DOT4的最大区别在于其平衡回流沸点温度高低，使用DOT4制动液的汽 车可以更频繁地刹车，现在还有更好的DOT5.1可供选择。
想购买油电混动车子，是否会有漏电安全问题
——何志强 海口
担心漏电可以说是许多人不愿选择混合动力的原因，总觉得车上背着个“大电池”是件可怕的事。特别是在发生交通事故时，万一电池破损，可谓后果严重。不过对于日趋成熟的混合动力车型，这完全是多虑了。出于安全考虑车厂会在设计混合动力车时把涉及高压电路的零部件尽量设计到了事故中不容易变形的位置。而且高压线路单独用醒目的色彩绝缘外套包裹，起到绝缘作用的同时还方便用户识别。此外即便万一发生事故，车辆也会通过气囊传感器在第一时间切断高压电源，确保驾乘人员安全。所以大可不必担心碰撞导致的漏电安全问题。
PON光功率计隔离度测试方法研究 篇4
目前FTTx网络建设正成为国内外接入网建设的热点, PON(无源光网络)接入网技术是业内公认的FTTx的最佳解决方案。PON光功率计是专为PON网络运行维护而设计的、可测量突发光功率的在线光功率计。与传统的光功率计相比,PON光功率计在光路、电路设计以及测试原理方面有很多区别,其中最大的一个区别就是:PON光功率计必须串入光路中进行在线测试,而传统光功率计则是在光路的终端进行测试。PON光功率计光口不同波长的光信号通过仪表内部的波分复用器件进行耦合或分离,由于器件不可能绝对理想,存在不同波长信号相互干扰的问题,从而对功率测试的准确性产生影响,因此光隔离度是PON光功率计的一个关键参数。本文围绕PON光功率计隔离度的测试方法、测试仪表进行分析和研究,并通过试验进行了验证。
2 PON光功率计隔离度产生原因
2.1 PON光功率计测试原理
图1为PON系统的基本构架, PON系统中上行信号采用1310 nm波长,下行信号采用1490和1550 nm波长,分别以相反方向沿同一根光纤传输。APON的ITU-TG.983系列标准确保1310 nm上行信号保持沉默,直到被1490 nm下行信号轮询并分配一个传输窗口,这意味着1310 nm上行信号为被动发光。在这种结构中上行接入必须采用突发模式,线路上的光信号即为突发光信号,正确检测出突发光信号就需要检测出发射机激活发光期间的平均光功率,而普通的标准光功率计只能正确测试连续的光信号,使用传统的光功率计(记录一个采样周期内的平均光功率)将不能得到正确的测试结果。
2.2 PON 光功率计光路结构
图2为PON系统测试用光功率计的光路结构图,它是一种特殊光路结构。功率计采用两头结构,用双向耦合器对测试线路进行10%分光,对上行信号(1310 nm)分光后直接接入探测器进行功率探测。对下行信号(1490和1550 nm)分光后先用高隔离度的WDM将波长分开后再分别接入探测器进行功率探测,这样就能同时探测3个波长的光功率。正是因为这种特殊的光路结构引入了光隔离度。由图中可以看出,1490 nm /1550 nm/1310 nm光信号分别通过耦合器进入光探测器,其中1490 nm和1550nm还要经过一个WDM分波器再次接入到光探测器,耦合器带来第一次串扰,WDM带来第二次串扰,产生了隔离度这个指标, 而传统的光功率计是没有这个指标的。
3 PON光功率计隔离度测试研究
3.1 PON光功率计隔离度的定义
隔离度是指光纤耦合器等器件的某一光路对其它光路中的光信号的隔离能力。隔离度越高,也就意味着线路之间的‘串话’(crosstalk)小。考虑到PON光功率计隔离度是由光耦合器和波分复用器引入的指标,目前《YD/T1117-2001全光纤型分支器件技术条件》和《YD/T96419981310nm/1550nm波分复用器技术条件和测试方法》这两个标准有光波分复用器的隔离度测试方法。其中包括近端隔离度和波长隔离度[1]。近端隔离度是指某一波长信号从波分复用器某输入端口输入时泄漏到另一输入端口的光功率比值。而PON光功率计隔离度的定义是1490nm /1550 nm/1310 nm三个波长功率相互的隔离能力,由此可见近端隔离度定义和PON光功率计隔离度定义不符合,因此不能采用近端隔离度的测试方法。波长隔离度又称为远端隔离度,它是表征某一波长信号通过分波器后在不期望的波长端口输出的功率量,也即是某一波长的通路对另一波长信号的隔离能力,用分贝(d B)表示如下:
式中:Pj(λi)-从第j光路输出端测到波长为(λi)的信号的光功率,单位为m W;
Pi (λi)-从第i光路输出端测到波长为(λi)的信号的光功率,单位为m W。
波长隔离度的定义和PON光功率计的隔离度定义相符,因此我们参考波分复用器波长隔离度的测试方法[2]来制定出PON光功率计PON隔离度的测试方法。
图3是PON光功率计的测试端口示意图,分别测试并记录光功率P1和P2,由公式(1)计算出分波器的波长隔离度。因为PON光功率计特殊的光学结构,具有穿通测试的功能,分光器装入光功率计后,不能通过测试输出光接口光功率的方法得到分光器的输出口光功率,但是PON光功率计本身就可以直接显示被测的光功率值,因此可以直接读取PON光功率计的示值计算出光隔离度。具体的定义如式(2)-(3)。
I=P1310nm –P1550nm (1310 nm波长对1550 nm波长的隔离度) (2)
I=P1310nm –P1490nm (1310 nm波长对1490 nm波长的隔离度) (3)
式中:从PON光功率计的上行信号探测口(ONT)输入1310 nm波长光信号,直接在仪表面板上读出三个波长功率值P1310nm,P1550nm和P1490nm,单位为d Bm。
在PON光功率计的下行信号探测口(OLT/VIDEO)分别输入1490nm/1550nm两个波长的光信号,直接在仪表面板上读出三个波长功率值,同理可得出1490 nm波长对1310 nm波长和1550 nm波长的隔离度。
3.2 隔离度测试准确性及影响因素研究
3.2.1 光源信噪比对隔离度测试准确性的影响
由以上分析可知,隔离度主要检测仪表的光源。目前通信光源有LED、FP、TLS、DFB等光源,前两种光源谱宽较宽,不适用于隔离度校准。TLS和DFB光源谱宽窄、信噪比高,是常用的通信校准的测试光源。图4是激光器信号和最大自发辐射噪声比定义图,图5是激光器信号和总自发辐射噪声比定义图。可调激光源提供的信号相对于自发发射的比率越高,意味着可获得更大的动态测量范围,完整地测试出高通道隔离度设备的真实性能。
3.2.2 PON 光功率计隔离度测试光源的信噪比要求
TLS可调谐激光器采用ECL方式,光源本身的噪声表现为SSE噪声和最大边模噪声。对隔离度的测试, 其测试动态由SSE噪声和最大边模噪声两者中的较大值决定。目前PON光功率计隔离度的设计指标为(30~40) d B,我们用反推法可以得到所需测试光源的信号和SSE噪声比或边模抑制比(SMSR)。对于TLS光源,在PON光功率计1310 nm信道的100nm测试带宽上,信号功率不变,但SSE噪声相对于1nm累积了100倍(增大了20d B),边模噪声相对而言可以忽略,信号和总SSE噪声比则相应降低了100倍(降低20d B),因此测试光源的信号和SSE噪声比应该比隔离度指标高20d B。同理可以推算出校准1490nm和1550nm隔离度所需要光源的最小信号和SSE噪声比,见表1(以PON功率计隔离度指标30 d B为例)。
对于DFB光源,主要是边模噪声,在整个测试带宽(30 nm或100 nm)上,光源信噪比表现为边模抑制比,因此边模抑制比只要大于隔离度指标即可,见表2。
3.2.3 隔离度测试方案比较
对以上光源进行隔离度测试,推论如下:
( 1 ) 可调谐激 光源8 1 6 0 0 B低噪声输 出的1310/1490/1550nm三个波长光信号的信噪比全部满足PON光功率计30d B隔离度的测试要求。
(2) 可调谐激光源81600B高功率输出的1310/1490两个波长光信号的信噪为33 d B ,输出信号功率直接会影响信噪比,只有特定的功率值才能满足PON光功率计30d B隔离度的测试要求。可以利用外接光带通滤波器滤除大部分SSE噪声, 仅保留信号波长附近1-2nm的SSE噪声(这部分是信号的通带范围),这样可以提高信噪比,但这种光滤波器需要特殊定制。
(3) DFB光源81663A和81980A光信号的信噪比均满足PON光功率计30d B隔离度的测试要求。
3.2.4 对光源的功率要求
我国通信行业中关于EPON光模块的光功率技术指标如表4。
校准光源的功率可参考线路上实际模块输出,为模拟实际线路,一般要求满足最大功率。而且光源功率越高,信噪比越高。从表中看查出最大发射功率为7d Bm,因此选择测试光源功率最好在7d Bm左右。
4 PON光功率计隔离度实测数据分析
测试光源:AGILENT 8164B光波测试系统
被测仪表:万科PON-310 PON光功率计
测试连接图,见图6。
4.1 81600B光源低噪声输出的隔离度测试数据
OLT端口光源分别输入1550nm和1490nm信号,测试结果见表5和表6。
结论:光源输出的信噪比为70d B/nm(1520 nm–1610 nm),满足测试隔离度要求,隔离度测试结果与被测仪表隔离度指标一致。
4.2 81600B光源高功率输出的隔离度测试数据
光源输出的信噪比为≥48 d B/nm (1520 nm–1610nm)。
4.2.1 光源信噪比保持不变,隔离度的测试数据
光源信噪比不变,1550nm对1490nm隔离度:光源输出1550nm波长信号,调节光衰减器使PON光功率计OLT端口输入功率由大到小(6.47d Bm~-2.45d Bm),则光源信噪比将保持不变。实测数据(见图7)表明1550nm对1490nm隔离度基本保持不变(40d B左右)。
光源信噪比不变,1490nm对1550nm隔离度:光源输出1490nm波长信号,调节光衰减器使PON光功率计OLT端口输入功率由大到小(5.91d Bm~-10.19d Bm),则光源信噪比保持不变。实测数据(见图8)表明1490nm对1550nm隔离度基本保持不变(30d B左右)。
4.2.2 光源信噪比改变,隔离度的测试数据
光源信噪比改变:光源输出1550nm波长信号直接输入到PON光功率计OLT端口,调节光源输出功率由大到小(8.51d Bm~-9.58d Bm),则光源信噪比逐渐降低,实测数据(见图9)表明1550nm对1490nm隔离度也由大到小变化(42 d B到25 d B)。光源输出光功率大于5 d Bm时,隔离度大于40d B,当光功率小于-5 d Bm,隔离度小于30d B,这与被测仪表隔离度指标不相符。
光源信噪比改变:光源输出1490nm波长信号直接输入到PON光功率计OLT端口,调节光源输出功率由大到小(5.9d Bm~-8.75d Bm),则光源信噪比逐渐降低,实测数据(见图10)表明1490nm对1550nm隔离度也由大到小变化(30d B到15d B)。光源输出光功率大于5d Bm,隔离度大于30 d B,当光功率为小于5d Bm,隔离度小于30d B,这与被测仪表隔离度指标不相符。
5 结论
结合PON光功率计隔离度测试的理论分析和实测数据分析,结论如下:
(1) 光源信噪比对隔离度测试准确性呈正相关,信噪比越高则隔离度测试准确性越高。
(2) 如采用DFB光源的隔离度测试方案,其边模抑制比应大于30 d B,光源输出功率大于5d Bm。
(3) 如采用TLS光源低噪声输出的隔离度测试方案,信号与光源自发发射比大于70d B/nm,对光源的功率无特别要求。
(4) 如采用TLS光源高功率输出的隔离度测试方案,1 3 1 0 n m波长信号与光源自发发射比大于5 0 d B / n m ,1490nm/1550nm波长信号与光源自发发射比大于45d B/nm,输出功率大于5d Bm。
6 结束语
光功率计 篇5
摘要：提出了一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路。该电路功率因数校正级工作在电流断续模式，具有较低的总谐波畸变和较高的功率因数。该电路的直接能量传递方式降低了直流母线电压并且提高了电路的效率。采用恒功率控制方式使得电路具有良好的输出特性。并通过仿真和实验结果证明了电路的可行性。关键词：变换器；单级功率因数校正；恒功率控制
引言
近年来，功率因数校正（PFC）技术引起了人们的广泛关注。传统的两级PFC电路的主要缺点是成本高以及控制电路复杂。单级功率因数校正（SSPFC）变换器[1][2][3][4]，将PFC级和DC/DC级结合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC变换器在负载变轻时存在直流母线电压过高的问题。文献[2]采用反馈线圈虽然降低了直流母线电压，但却减小了线电流的导通角，从而增加了总谐波畸变（THD）。
为了解决上述问题，确保在负载变化时降低直流母线电压和减少THD，本文提出了一种具有恒功率控制的SSPFC变换器。能量直接传递方式使得该电路在没有减小线电流导通角的情况下降低了直流母线电压。恒功率控制使得变换器的输出在输出电压高的时候可以看成电压源，在输出电压低的时候可以看成电流源，并且当输出电压在一定范围内变化的`时候，输出功率近似恒定。
1 电路工作原理
单级功率因数校正电路的原理图如图1所示。它实际上是由一个Boost变换器和一个flyback变换器组合而成的。Boost变换器工作在DCM模式，在占空比和频率恒定的情况下可以达到功率因数校正的目的。flyback变换器可以工作在DCM或CCM模式。
为了分析方便，假定整流电压在一个开关周期中为定值，电容CB足够大使得电压VB基本恒定，flyback变压器视为理想变压器，在原边并联励磁电感Lm，flyback变换器工作在CCM模式。则该电路有3种工作模式如图2所示，主要工作波形如图3所示。
工作模式1（t0－t1）t0时刻开关S导通，直流母线电压VB加在励磁电感Lm上，由于flyback变换器工作在CCM模式，则电流im线性上升可表示为
im=VB/Lm(t－t0)＋im(t0) （1）
而电感Lb工作在DCM模式，电流iLb由零线性上升，其表达式为
iLb=|Vin|/Lb(t－t0) （2）
开关S上流过的电流可表示为
isw=iLb＋im （3）
由于二级管Df反向偏置，所以线圈Ns和Np上没有电流流过。
工作模式2（t1－t2）开关S在t1
“功率”练习 篇6
1.在物理学中，把一段时间内做的____与所用的______的比叫作功率.功率是比较____的物理量.功率的计算公式是____，单位是____.
2.我们可以用两种方法来判断物体做功的快慢.图l表示用挖掘机挖土与人力挖土做功的快慢不同.所用的判断方法是：做功时间相同，比较做功多少，另一种判断方法是：____相同，比较_____.
3.一架我国自行研制的战斗机的质量为1.5xl03kg，发动机用8xl04N的推力使飞机在lOs内前进5000m，则飞机受到的重力为_N，这段时间内飞机的平均速度为______m/s，推力的功率为______W.（取g=10N/kg）
4.-名举重运动员在3s内把质量为100kg的杠铃举高1.8m.则此过程中该运动员做功的功率是—W.（取g=10N/kg）
5.在中招体育考试中.常峰投出的实心球在空中的运动轨迹如图2所示.若实心球重20N，从最高点到落地点的过程中，球下降的高度为2.7m，用时约0.75s.则球下降过程中重力做功为______J，功率为____W.
6.小宇乘坐爸爸驾驶的一辆功率为24kW的私家车，在一段平直的公路上匀速行驶了2min，行驶的路程为3.6km.则在这段时间内汽车受到的牵引力为____N.
7.正常人的心脏推动血液流动的功率约l.5W，那么在th内心脏做功______J，这些功可把一个质量为50 kg的人匀速举高_____m.（取g=10N/kg）
8.李芳用200 N的水平推力在水平地面上推动重为300N的箱子，10s内箱子匀速前进0.5m.在这个过程中，李芳对箱子做功的功率是_____W，箱子与水平地面间的滑动摩擦力是_____N.
二、选择题
9.下列关于“功”和“功率”的说法中，正确的是（）.
A.机器的功率越大，做的功越多
B.功率不同的机器，做的功可能相等
C.机器做功的时间越少，功率就越大
D.甲做功比乙做功慢，则甲做的功比乙做的功少
10.小敏同学和他所骑的轻便白行车总重约600N.上学路上他骑车在20s内匀速通过了一段长100m的平直公路.若自行车所受路面的阻力大约为人和车总重的1/20，则通过该段公路时，小敏同学骑车的功率约为（）.
A.150W
B.300W
C.1500W
D.3000W
11.如图3所示，一瀑布的落差（瀑布顶端和底端的高度差）约为100m.在0.1s内有18kg的水流过瀑布顶端，经过4.5s落到瀑布底端.质量为18kg的这些水从顶端落到底端的过程中，重力的功率约为（）.
A.4xl02W
B.4xl03W
C.1.8xl04W
D.l.8xl05W
12.某商场举行爬楼梯比赛，共有500多名选手参加，若要比较参赛者的功率大小，需测出的物理量是（）.
A.登楼所用的时间
B.参赛者的体重.所登楼层的高度
C.参赛者的体重，所登楼层的高度，以及登楼所用的时问
D.参赛者的体重，所登楼层的高度，登楼所用的时间，以及参赛者通过的路程
13.甲、乙两物体都做匀速直线运动，它们运动的路程和所做的功随时间变化的图象分别如图4a、b所示，则两物体受阻力较大的是（）.
14.甲、乙两个集装箱质量相同，用起重机将甲集装箱以0.5m/s的速度提升10m，再将乙集装箱以1m/s的速度提升到相同的高度，那么起重机（）.
A.第一次做功多，功率大
B.第二次做功多，功率大
C.两次做功一样多，功率一样大
D.两次做功一样多，第二次功率大
15.体重相同的甲、乙两同学沿同一个杆进行爬杆比赛，甲从地面爬到杆顶用了16s，乙从地面爬到杆顶用了12s.则甲、乙两人爬杆时做功之比、功率之比分别为（）.
A.4：3 ，4：3
B.1：1，3：4
C.1：1 ，4：3
D.无法确定
16.如图5所示，“和谐号”列车采取8节车厢编组.在运行过程中机车牵引功率为4800kW，时速为200km/h.若一列从南阻站驶出的“和谐号”列车在平直轨道上匀速行驶100 km，则该列火车在这段时间内所做的功、机车受到的阻力分别是（）.
A.8.64xl09J.4.8xl04N
B. 8.64xl09J，8.64xl04N
C.4.8xl09J，4.8xl04N
D.4.8xl09J，8.64xl04N
17.如图6所示，甲、乙两物体沿竖直方向向上做匀速直线运动，不计空气阻力，则（）.
A.甲的速度一定大于乙的速度
B.甲所受的重力一定大于乙所受的重力
C.拉力F甲做的功一定大于拉力F乙做的功
D.拉力F甲的功率一定大于拉力F乙的功率
三、实验探究题
18.学校买了一箱物理实验器材，小军同学将它从一楼搬运到三楼（如图7所示）.小丽同学想测量小军同学搬运器材过程中对箱子做功的功率.
（1）测量所需要的器材有：____.
（2）小丽同学设计的测量步骤如下，其中多余的是（）.
A.测出箱子的质量m
B.测出楼梯的总长度L
C.测出一楼到三楼的竖直高度h
D.测出小军上楼梯所用的时间t
E.算出小军搬运箱子的功率P
（3）请你帮小丽设计一个实验记录表格.
四、综合应用题
19.中考期间，某中学的学生乘坐某型号安全校车到9 km外的考点参加考试，校车行驶15min后安全到达考点.求：
（1）校车在送考过程中的平均速度.
（2）若校车和学生总质量为9000kg，车轮与地面的接触总面积为0.15m2，求校车对水平路面的压强.
（3）若校车以12m/s的速度在一段平直路面上匀速行驶，校车受到的牵引力是4500N，求校车发动机牵引力的功率.
20.如图8所示是2010年上海世博会核心建筑之一的中国馆.建造中国馆时.在一次施工中，起重机将质量为2.Oxl03kg的钢板匀速吊起30m，所用时间是20s.取g=10N/kg，求：
（1）钢板所受的重力.
（2）起重机所做的功.
光功率计 篇7
随着电力电子技术的发展,三相并网逆变器在并网发电系统中得到广泛的应用[1]。三相并网逆变器直接功率控制选择合适的逆变器输出电压矢量直接对系统的功率进行调节,具有结构简单,动态响应快,鲁棒性能好等优点,近年来,得到持续关注[2]。
传统的直接功率控制利用电网电压或虚拟磁链在空间矢量图中进行定性分析,在选择电压空间矢量时,忽略了瞬时功率对功率变化率产生的交叉耦合影响,给电压空间矢量的选择带来了误差[3,4,5]。本文根据瞬时功率理论,计算得到维持瞬时功率不变的矢量,以瞬时有功功率变化率和瞬时无功功率变化率为坐标轴定义子空间,分析逆变器输出基本电压空间矢量对瞬时功率的影响,在分析了以有功作用强和无功作用强为原则选择矢量的基础上,确立以无功作用强为原则选择电压空间矢量,建立开关表。通过仿真和实验,验证了该控制策略的可行性和正确性。
2直接功率控制系统
2.1三相并网逆变器数学模型
三相电压型并网逆变器电路结构如图1所示。其中,ea,eb,ec分别为三相电网的相电压,考虑电网电压为三相平衡电网电压;ia,ib,ic分别为逆变器的三相输出电流(参考方向如图所示);ua,ub,uc为逆变器交流侧三相输出电压,逆变器通过电感L接到三相电网上。
经3/2变换,在两相静止αβ坐标系下的电压空间矢量图如图2所示。
由基尔霍夫定律可得[6]:
计算有功功率P和无功功率Q:
记求导，可得
2.2直接功率控制系统结构
三相并网逆变器直接功率控制系统如图3所示,瞬时功率与给定值比较,经滞环控制,得到Sp和SQ,其值为1时表示功率需要增加,为0时表示功率需要减少,根据SP,SQ以及建立的开关表选择合适的电压空间矢量。
3建立开关表
3.1功率变化率子空间
当dP/dt=0且dQ/dt=0时,计算整理得到:
记矢量uαβ=[uα,uβ]T,维持瞬时功率不变的矢量为,以此矢量末端为原点,画两条轴线将平面划分为4个子空间,定义这两条轴线分别为dP/dt轴和dQ/dt轴,dP/dt轴平行于eαβ,dQ/dt轴垂直eaβ。
建立某一时刻下的功率变化率子空间如图4所示,dP/dt轴和dQ/dt轴将平面划分为4个区域。
可见,逆变器输出电压矢量对有功功率和无功功率的调节能力不同,随电网电压矢量和瞬时功率的大小和方向发生变化。传统的直接功率控制方法忽略了瞬时功率对功率变化率产生的交叉耦合影响,等价为本方案中的矢量为电网电压矢量,当瞬时功率较大时,易错误选择电压空间矢量。
3.2基于有功作用强选择电压空间矢量
作六边形的外接圆交p,q两轴分别于p+,p-,q+,q-4点,记op+,op-,oq+和oq-与电网电压矢量eaβ的夹角分别为φp+,φp-,φq-和φq+,如图5所示。
以有功作用强为原则,建立开关表,如表1所示,其中sec(p+),sec(p-)分别为p+,p-所在扇区号。
p+和p-所在扇区号可通过φp+和φp-来确定,过点p+,作p+n垂直p轴交p轴的平行线on于点n,可知,|np+|=(ωLp/|eαβ|2)×|eaβ|,3/2变换采用等功率变换,可得:
3.3基于无功作用强选择电压空间矢量
以无功作用强为原则,建立开关表,如表2所示,其中sec(q+),sec(q-)分别为q+,q-所在扇区号。
q+和q-扇区号可通过φq-和φq+来确定,可得:
基于有功作用强选择电压空间矢量时,有功功率脉动相对较大,基于无功作用强选择电压空间矢量时,无功功率脉动相对较大。由于,逆变器输出电压矢量对有功的调节能力较无功调节更加不平衡,故基于有功作用强建立的开关表使得有功功率脉动相对更大。
3.4仿真对比研究
在Matlab仿真平台上对系统进行仿真测试,参数设置为:三相电网输入相电压(峰值)=100V,三相电网电压频率=50 Hz,交流电感=8 mH,直流母线电压=300 V,采样频率=10 kHz。记基于有功作用强的直接功率控制方法为方法1,基于无功作用强的直接功率控制方法为方法2。
图6为使用两种方法的系统稳态运行仿真结果,仿真时间为0.2 s,P*=2 kW,Q*=0。可见,方法2较方法1有功功率误差小,方法1有功功率为1 850～2 050 W,方法2有功功率为1 750～2 050W;方法1较方法2无功功率误差小,方法1无功功率为-100～150 var,方法2无功功率为-100～200 var。两种情况下,并网电流相位与电压相位一致,方法1中电流总谐波畸变率为3.35%,方法2中电流总谐波畸变率为2.78%。
图7为系统功率给定突变仿真运行结果,运行时间为0.3 s,t=0.1 s时,有功给定由500 W突变到3 kW,t=0.2 s时,无功给定由-500 W突变到-3kW。可以看出,两种方法都能实现对功率的快速跟踪,由放大波形可知,此时,方法2较方法1拥有更好的快速性,有功突变时,方法1经历了1.8 ms稳定,方法2经历了1.6 ms稳定;无功突变时,方法1经历了1.8 ms稳定,方法2经历了1.4ms稳定。
上述仿真运行结果与前述理论分析一致,鉴于本方案针对并网逆变器进行研究,期望有功功率脉动较小,且得到更好的动态性能,故本方案采用方法2。
4实验研究
在额定功率为1 kW的三相并网逆变器系统实验平台上进行实验,控制策略的软件实现由英飞凌公司的XC2785微控制器完成,D/A芯片采用DAC8565,有功功率和无功功率通过CAN通信由上位机给定,实验系统参数和仿真系统参数相同。
图8为给定有功功率1 kW,无功给定为0时的系统稳态运行实验结果,可见,功率稳定,电流与电网电压相位一致,正弦度良好。
图9为系统有功功率给定由1 kW突变到1.2kW时,有功功率给定值和有功功率反馈值的波形,其中,无功给定为0,可以看出,控制策略可以实现对功率快速跟踪,响应时间不到2 ms,系统具有很好的动态性能。
5结论
本文考虑了瞬时功率对功率变化率产生的交叉耦合影响,较忽略此影响的传统直接功率控制方法更准确地选择电压空间矢量,选择电压矢量时,采用基于无功作用强的矢量选择方法。本文通过实验研究,验证了控制策略的可行性和正确性,该控制策略使系统具有很好的稳态和动态性能。
摘要：基于瞬时功率理论,建立三相并网逆变器数学模型,考虑瞬时功率对功率变化率产生的交叉耦合影响,以瞬时功率变化率为坐标轴定义子空间,研究逆变器输出电压空间矢量对瞬时功率的作用,实现了考虑功率交叉耦合的直接功率控制。分别从基于有功作用强和无功作用强两个角度建立开关表,通过仿真对比分析,确立采用以无功作用强为原则选择电压空间矢量,建立开关表。搭建三相并网逆变器系统实验平台,验证了该方法的可行性和正确性。
关键词：三相并网逆变器,交叉耦合,直接功率控制,开关表
参考文献
[1]曾正,赵荣祥,杨欢,等.多功能并网逆变器及其在微电网电能质量定制中的应用[J].电网技术,2012,36(5):58-67.
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超大功率发射机功率合成算法研究 篇8
单脉冲雷达是空间目标探测、编目和识别的主要设备,为了获得更远、更小、更弱回波空间目标的精确轨道信息,需要雷达装备更大功率的发射机。采用功率合成技术,利用双多套发射机的功率合成可以突破电子、高频以及真空管等技术发展的限制,实现平均功率高达百k W级的超大功率辐射输出。
在功率合成方式下,双多套发射机系统中,各台发射机分别提供正交的但幅值( 权重) 和相位不同的功率,由于输出功率存在电磁波波动性,当不同功率分量存在幅相差异时,若简单地进行功率的直接叠加,可能产生严重损耗,降低功率合成效率。功率合成器通过对各路功率分量进行移相合成,使得进入漏功率吸收负载分量为零( 或减至最小) ,实现馈线输出功率能量最大化。
本文给出一种单脉冲设备,其峰值功率达MW级,可实现2套发射机功率合成输出。以该设备为实验平台,研究和验证了利用Newton-Raphson算法求解功率合成的二元非线性超越方程组的正确性,实现了功率合成的最大效率。
1 功率合成原理
功率合成器主要由2个移相器组成,如图1所示。
以连接2套发射机[1]A、B为例,发射机A机提供垂直方向功率,发射机B机提供水平方向功率。功率合成器垂直方向输出至馈线,水平方向输出至漏功率吸收负载。移相器可以将功率分解成2个正交的分量,一个方向与功率输入方向成某个角度,这个角度就是移相器设定的旋转角度,另一个方向与该方向垂直。
若设功率矢量为,经过旋转角度为γ1的移相器后,正交分解后的矢量为:
由于发射机A、B输出功率存在相位差,经过移相器1后,各自形成的正交分解的2个分量必不相同,因此需要设置移相器2( 设其旋转角度为γ2) ,它可以将2个功率在移相器1处所生成的4个方向的分量合成到移相器2旋转角度的方向及其垂直方向上( 注意: 2个移相器旋转角度差为( γ1- γ2) ) 。移相器功率正交分解示意图如图2所示。
由图2中可以直观地看出上述的分解、合成过程,但为了使得该图简练、清晰,仅画出一个功率经过移相器1分解成 (ux,u y),再经过移相器2分解成 (uxx+ uyx,uxy+ uyy)的情况,第2个功率与之相似。易知,2个功率分别经过2个移相器后,可在实现功率在相同相位上的叠加。最后在到达功率合成器输出口时,需经第3次角度旋转,调整至水平、垂直2个方向,因此该旋转角度应为移相器2的旋转角度γ2。
2 算法描述与数值解
一般情况下,发射机A、B两台机组输出的功率大小、相位均存在差别,其输出功率[2]可以表示为:
式中,分别为A、B两台发射机提供的功率; K为发射机A机提供的功率权重,发射机B机提供的功率权重则为1 - K,取值范围为[0,1]; Φ为2台发射机提供功率的相位差,取值范围为[0°,360°]。
经旋转角度分别为γ1,γ2的2个移相器分解,即将式 ( 1) 带入式 ( 2) ,功率合成器输出功率矢量为:
式中,等号右端第1项为第1个移相器分解矩阵;第2项为在第1次分解的基础上进行第2次分解的分解矩阵; 第3项为合成到水平、垂直方向的矩阵。
为获得最大功率输出,进入吸收负载的合成功率分量( 水平方向) 应为零,即
式中,
也就是,应有M = 0,且N = 0。给定( K,Φ) 值,由式( 5) 可至少确定一对( γ1,γ2) 解[2],对于不同的( K,Φ) 组合,解( γ1,γ2) 不同。
通过发射机输出端功率计测得各单机发射机的功率权重K,通过相位仪测得其功率相位差Φ ,设定功率合成器的移相器旋转角度为( γ1,γ2) ,即可使得负载输出为零,馈线方向获得最大功率输出。在工程实践中,各单套发射机每次输出时功率幅相均不同,功率合成器移相器均需要进行相应设定,因此需要解出式( 5) 的所有解。上 述问题就 转化为式( 5) 的数值解求解问题,下面分特解和一般解2种情况分别讨论。
2. 1 特解
由方程组 ( 5) ,若cos ( γ2- γ1) = 0,则N =sin2( γ2- γ1) ≡1,与题设矛盾,故cos( γ2- γ1) ≠0。
当K = 0( 仅用一台发射机提供功率) 时,式( 5)可简化为:
旋转角度γ1,γ2的解如表1所示。
当 Φ= 180°时,cosΦ = - 1,sinΦ = 0,式( 5) 可简化为:
2. 2 一般解
由于式 ( 5) 为二元非线性超越方程组,使用Newton-Raphson算法[3]求解其数值解。
对于给定 的含有N个变量xi(i = 1,2,…,N) 的N个函数方程:
记为以xi为分量的向量,为以Fi为分量的向量,那么,在的δ - 邻域内可以展开成泰勒级数[4]:
式中,为由对的偏导构成的Jacobi矩阵,
若忽略高阶项,并置就可以得到一个关于修正项的线性方程组:
式中,可使每个方程同时接近于零。给定一个初值,计算δx ,修正代回原方程组进行迭代。如果该迭代过程收敛,则迭代结果满足原方程组,此时的即为所求之根。
本算法的原理是,从给定的初始解开始,沿多元函数表示的超平面的下降梯度( Jacobi矩阵) 方向进行搜索,搜索步长由Jacobi矩阵决定,是自适应的,直至满足条件( 如果迭代收敛) 。
3 程序实现
3. 1 关键代码
本文选用跨平台和阅读性能优良的C语言进行编程。
由于方程组( 5) 仅由2个方程组成,但含有4个未知数,因此主程序主要由对K和的2层循环组成。关键代码如下:
其中,PACE_K、PACE_PHI为K和Φ的循环步长,它表明K( ∈[0,1]) 和Φ( ∈[0,2π]) 的刻画精细程度,可以根据实际工作需要设定; LOOP控制Newton-Raphson迭代最大次数; PRECISION为迭代精度,若2次迭代解的精度满足条件,退出循环,解即为所求。
fun( ) 为功率合成[5]输出右方程,即待解方程组。其输入参数为: K、Φ、方程的解; 输出参数为方程组本次迭代后与标准值的净差,用于迭代。
jacobi_fun ( ) 用于求解方程组的Jacobi矩阵。其输入参数为: K、Φ、方程的解; 输出参数为相应的Jacobi矩阵,用于修正数值解。
update_root( ) 根据Jacobi矩阵计算数值解的修正值,用于更新数值解。其输入参数为: 上次迭代数值解、修正数值解; 输出参数为修正后数值解。
matrix_ revert ( ) 、matrix _ multiple ( ) 为矩阵求逆[6]和矩阵乘法。用于Jacobi矩阵计算。
本程序在Turbo C 2. 0编译器上运行通过。
3. 2 计算程序时间效率
为了验证时间效率[6],程序还统计了求解方程组的数值解的时间,如表2所示。
由表2可以看出,算法实时性良好,计时在非常苛刻的条件下( 第1种情况) ,程序仅耗时24. 6 s。在工程实现中,( K,Φ) 的刻画不需要如此精细,可取一位小数,此时程序耗时不足1 s。另外,设备制造商随设备提供了数据表格用于数值解的查询[7],该表取步长K = 0. 1, Φ= 22. 5°,在这种情况下,本程序耗时仅在ms级( 第5种情况) ,可见本程序完全可以替代查表方法。
3. 3 解的数目
由于Newton-Raphson算法的性质,本程序一次搜索计算结果至多得到一组解,不能给出所有解。若需要找到所有的根,还应该先利用非线性方程组的极值求解算法,给定根的若干存在区间,在每个区间内,用该区间的边界值做根的初值进行本算法的迭代,试图搜索根。但在工程实现中,一组数值解( γ1,γ2) 即可用于功率合成[8],因此完全满足实际工作需要。
在本程序中,每次迭代初值均选为: γ1= 0°,γ2= 0°,在比较“特殊”的情况下,算法不能找到所有的数值解。例如: 当步长取K = 0. 01,Φ = 0. 01°时,在3. 6×106个数值解中,共有383个没有找到,占1. 0×10- 4。经过仔细检查发现,出现这种情况均发生在 ( K,Φ) 分刻很小时[9],例如: K = 0. 54,Φ =123. 55°,在工程应用所需的 ( K,Φ) 分刻较大情况下,未出现找不到数值解的现象。
4 数据验证
与设备制造商随设备提供的数据表格比较表明,本程序计算结果与试验数据一致,只有以下两点不同[10]:
5 结束语
大功率逆变器简易功率试验方法 篇9
变频调速技术已经成为工业领域节能降耗、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段。近年来,随着大功率电力电子器件IGCT,IGET等不断涌现,变频调速技术越来越向着高压大容量趋势发展,各类MW级变频器已经广泛应用于大型工业生产设备,其容量还在不断提高[1,2,3]。
由于受到试验设备容量、场地、电源容量等许多因素的限制,对大功率变频器设备做额定功率试验难度较大。已报导的测试方法大多针对功率器件或功率单元,很少有针对变频器的方法。文献[4]中介绍了一种采用链式静止补偿器对IGCT器件性能的全面考核方法;文献[5]提出了大功率开关器件的开关瞬态在线测试方法。这些方法或者是不能对变频器整体性能做出测试,或者是需要从电网中取较大功率,都还有改进的余地。因此,研究大功率变频器简单、节能的测试方法十分必要。
本文提出一种大功率逆变器简易试验方法,让被试逆变器的有功功率在相间回转,电网仅向试验系统提供线路损耗,从而实现用较小的功耗实现逆变器的大功率测试。所述方法系统构成简单、设备少、损耗小,且操作灵活,可实现多种工况下的测试,尤其适用于大功率逆变器的额定出力试验。
2 试验方法原理
所述试验方法的主回路结构如图1所示。
图1中,二极管整流桥的输入侧采用单线图方法表示,实际为三相系统。采用调压器供电可以为被试逆变桥提供较宽范围的直流输入,若电网电压等级适合,也可省去调压器,视实际试验条件而定。逆变桥输出B,C相各接一个负载电抗,2个负载电抗的另一端接在逆变桥A相。设B,C相电压相同,A相电压与B,C相电压的模值相同。通过调节B,C相电压相对A相电压的相角差,即可改变负载电抗上的电压,控制电感电流,使得逆变器A相在期望的功率和功率因数下运行。
由图1电路对应的原理图如图2所示。
图2中,分别是逆变器的三相输出电压,I觶A为A相电流,Lp为负载电抗的电感值。上述电压、电流均为交流量,故采用相量表示。
式中:E为逆变器输出相电压的幅值;θ为B,C相电压的相角。
另设负载等效电感为
则试验系统的电压、电流相量图如图3所示。
图3中,φ为电流相量的相角,且
根据图3所示的几何关系,电流相量计算如下:
由式(4)可知,适当调节相电压模值E、相角差θ以及输出角频率ω,即可灵活调节A相输出功率因数及电流。图3所示为A相电流超前于A相电压、输出容性无功时的情况。如果想进行输出感性无功的测试,只需让B,C相电压滞后于A相电压,计算过程相似。
由于逆变器的负载为电抗,不消耗有功,因此试验中系统的有功消耗很小,主要是调压器、功率器件及线路的损耗;系统的无功主要是负载电抗和逆变器直流电容之间交换的能量,不经过电网,因此试验从电网取用的电流较小,对电网的冲击和谐波污染也非常小。
3 仿真分析
仿真模型与图1所示接线一致,仅在调压器方面略有差别。为了和试验系统保持一致,仿真系统中调压器设定为双绕组调压器,即一组三相输入,两组三相输出,调压器参数为:额定容量100 kV·A,变比400 V/330 V,两组输出分别接入2个整流桥,每个整流桥的输出大约为直流450 V,两组整流桥输出串联作为直流母线,电压约为900 V。电网电压设定为400V(线电压有效值),负载电抗为Lp=6.6 mH,系统的控制周期和PWM调制载波频率相等,均为1.7 kHz;给定相电压有效值为E=300V,频率20 Hz,对应角频率ω=125.7 rad/s;A相输出感性无功,功率因数0.75,对应功率因数角约为41°。上述参数代入式(4),得到A相电流有效值为950 A。
图4给出了A相电压、电流的仿真结果,这里相电压是指逆变器每相对直流电容中点处的电压。
图4a为A相电压仿真波形,是典型的两电平PWM脉冲。图4a中相电压包络线有较大幅度的2倍频振荡,这是由于在输出大电流时,直流电容和负载电抗之间交换的无功较大所致;图4b给出了相电压平均值和相电流iA的相位关系,是图4a中eA在一个PWM周期内做平均值滤波后的结果,的波形已非常接近正弦,在相位上比基波滞后约1个控制周期。图4b中,超前于iA约5.38 ms,对应相角约为38.7°,1个控制周期的滞后大约4.2°,两者之和近似等于预设功率因数角。仿真电流峰值大约为1 460 A,对应有效值约为1 030 A,由电压平均值和电流的仿真结果可进一步算出A相的输出功率,约为232 kW。可见,图4的仿真结果与式(4)的计算结果非常接近。
图5给出了负载电抗两端仿真电压及其平均值的波形。
图5a的波形与逆变器线电压波形相似,图5b所示为电感电压的平均值滤波结果,可以看到电压波形接近三角形状,谐波分析结果表明此时电压中含有较大的3次谐波;不难推知,直流侧的2倍频波动是电压3次谐波的主要原因;电压尖峰处的凹陷是PWM死时的影响,通过多次仿真对比发现,死时也在一定程度上增加了3次谐波的含量。当负载电抗较大时,逆变器输出电流中的3次谐波通常较小,反之则负载电流中的3次谐波会比较大,可能影响到试验结果,此时可以考虑在控制系统中引入直流电压波动补偿和死时补偿的算法,抑制电压中的3次谐波。
图6给出了二极管整流桥输出的电压、电流波形。
从图6中可以看出,整流桥输出电压在900 V附近波动,输出电流以2倍给定频率变化,当A相电流接近最大值时,iDC也迅速增加形成尖峰,之后又迅速减小为0,在一个周期的大部分时间内iDC保持为0。仿真结果表明,图6所示的电压、电流在50 ms周期内的平均值在17.5 kW附近波动,这一功率大约是A相输出功率的7.5%,可见,该方法用较小的损耗完成了逆变器大功率输出的测试。图6的仿真结果为确定整流桥参数提供了依据,虽然iDC的平均值较小,但其峰值接近150 A,所选二极管器件应能够承受这一峰值电流。
图7给出了电网侧电流的仿真波形。
图7中ia,ib,ic分别为网侧三相电流,其峰值约为200 A,被试逆变器输出电流峰值约为1 350 A,相比之下,可以认为所述试验方法从电网取用的电流较小。
4 试验验证
本文所述的试验方法,在一台1 MW逆变器样机上做了实际验证。样机的额定输出线电压690 V,额定输出电流1 000 A。试验时的接线与图1一致,试验条件及参数与上节仿真一致。
图8给出了逆变器A相的电压、电流试验结果。
图8中CH1为A相输出电流,1 000 A格;CH4为A相输出对直流负载母线电压,500V/格。可以看出,A相输出电流有效值约为1 000A,与仿真和理论计算结果一致。
5 结论
本文提出一种大功率三相逆变器功率试验方法,在逆变器的相间接入电感负载,通过调节相电压之差,可灵活调节逆变器的输出电流,使得变频器可以输出期望的功率和功率因数。该方法可以验证系统可靠性及负载能力,考察功率器件运行温升,具有成本低、耗能少、对电网影响较小,操作方便等优点。仿真及试验结果表明,所述方法具有较好的实用性及可操作性,可在一定程度上替代传统的串联机组拖动方法。需要特别指出,该方法需要逆变器每相功率单元单独散热。另外一个类似的试验方法是直接用三相电抗器作为逆变器的负载,消耗的有功也比较小,但这一方法无法灵活调节功率因数,且所需电抗值较大,不如本文方法的实用效果好。
参考文献
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浅谈如何减少无功功率提高功率因数 篇10
电力是当前人类社会发展经济和居住生活活动中使用的主要能源种类。随着环保和资源压力的增大, 电力利用效率的问题日渐引起人们的关注。功率因数是电网运行过程中衡量电能供应效率的重要指标, 是电力线路中有功功率在总功率中占据的比例, 通常以百分比表示。功率因素越大, 电力线路中有功功率在总功率中所占比例就越高, 与之对应的无功功率就越低, 电网供电效率就越好。功率因素的大小对电网运行情况影响重大, 提高功率因素, 减少无功消耗, 是改善电网整体运行状况, 提高电力系统设备利用效能的重要途径。
1 功率因数发生改变的主要原因
电力线路中之所以有功率因数这个概念, 主要是因为交流电设备在运行过程中, 部分电能没有发挥作用, 没有做功, 而是被白白消耗掉了。这部分没有做功的电能对应的功率称之为无功功率。功率因数就是为了评价电能做功情况, 即电能使用效率而出现的。电网中导致无功功率产生的主要原因有以下两种:
第一种是由异步电动机和电力变压器等电力设备产生的感性无功电流。定子与转子间气隙的存在, 致使异步电动机工作状态下会产生一部分无功。异步电动机产生的无功功率可以分为空载时的无功功率和承受一定量载荷情况下无功功率增加值两个部分。因此, 提高异步电动机功率因数就要从这两个方面着手, 即避免异步电动机空载运行及尽量提高电动机载荷, 使电动机接近满负荷运行。变压器的无功功率则主要是指其空载状态下的无功功率, 而不受变压器载荷大小影响所以, 要提高变压器功率因数, 就要避免变压器长期空载运行。
第二种是供电电压超出电力设备额定电压。从实际数据上看, 一旦供电电压超过额定标准十分之一, 设备就会达到磁路饱和状态, 从而导致无功功率迅速提高。数据显示, 供电电压超过额定标准十分之一, 对应的无功功率会提高约三分之一。而当供电电压低于额定值时, 功率因数会有所提高, 但这种情况对以电气设备的正常运转不利。
2 提高电力系统功率因数的方法和途径
功率因数的高低, 不仅关系到电能利用效率, 对于提高电力其余生产效能, 改善电网运行状态, 稳定电压, 提高用户用电设备的工作效率和为用户节约电能也有着极为重要的作用。因此, 当前各大电力企业都将提高功率因数, 减少无功功率作为重点研究课题和日常工作的重要任务来抓。现阶段提高功率因数, 确保电力使用效率的方法一般有以下几种。
2.1 促进系统自然功率的提升
提高电力设备功率因数的一个主要途径是在不增加功率补偿设备的前提下, 单纯降低用电设备负载状态下的无功消耗, 提高有功占据比例, 从而使得系统自然功率提高。该方法对于补偿设备没有需求, 具有投入资金少, 经济效益佳的特点。提高系统自然功率的方法主要有以下几项措施:一是通过对供电或用电设备生产工艺的调整优化, 使得电气设备的运转状况进一步得以改善, 从而提高电能使用效率。二是提高异步电动机和变压器使用的科学化、规范化水平, 提高电气设备运行经济效益。三是通过对变流设备的科学设计和正确选用, 确保直流设备电力供应和励磁质量, 以硅整流或晶闸管整流装置代替变流机组、汞弧整流器等直流电源设备。四是对电动机及电焊机等设备的空载情况加以控制, 目前普遍采用安装空载断电装置, 当空载率大于百分之五十时予以断电处理的方法。五是满足工作要求的情况下, 将异步电动机改为同步电动机, 二者容量应相同, 或者对负荷率小于等于0.7并且最大负荷小于等于90%的绕组式异步电动机实施异步电动机同步化, 即当绕线式异步电动机在启动完毕后, 向转子三相绕组中送入直流励磁, 从而达到异步电动机和同步电动机运转情况基本相同的目标。在过励磁的情况下, 电动机可向电网送出无功功率, 从而达到改善功率因数的目的。
2.2 通过人工补偿方式加以调整
2.2.1使用静电电容进行补偿。一直以来 , 国内外都普遍把加装无功补偿电容器作为解决无功功率补偿问题的主要方法。电容器与网络感性负荷以并联方式连接, 这种方法使系统结构更为简单, 投入成本较少, 但由于阻抗不变, 所以补偿效果一定, 不能进行动态补偿。
2.2.2随着电力设施及其运转情况的不断复杂化 , 无功补偿的动态化成为必然的要求。在大型用电单位, 用电设备电容量巨大, 设备运行过程中反复发生载荷短时间内的大幅变化。对于这种情况, 传统的调相机或固定电容器已经无法适应补偿要求, 必须采用动态无功补偿。当前有一种新型的动态无功补偿设备叫做静止无功补偿器。这种装置对于电力系统电压稳定性、确保电网运行质量、加快动态补偿速度和改善设备性能等都有着非常良好的效果。现在最为先进的静止型无功补偿装置是采用自换相变流电路的静止无功发生器 ( 高级静止无功补偿器) 。
3 当前无功补偿主要方式
电力设备应用环境广泛, 针对不同的工作条件, 无功补偿的方式也有所不同。常见的有变电站集中补偿、低压集中补偿、杆上无功补偿和用户终端分散补偿等多种方式。
3.1 变电站集中补偿
变电器集中补偿主要是为了提高输电网络功率因数, 以及提高终端变电所电压和补偿主变压器无功损耗。由于各补偿装置与变电站10千伏母线相连接, 从而使得补偿系统更加便于管理, 维护更加简单。其不足之处是不能实现对配电网损耗的控制。一般情况下, 无功补偿装置与有载调压抽头联合使用, 已达到控制电压和无功补偿的目的。
3.2 低压集中补偿
以配电变压器380伏侧为载体进行无功补偿是当前我国电力行业常用的第二种无功补偿方式。该方法以低压并联电容器柜为工具, 通过对用户负荷的变化进行针对性的电容器投入达到跟踪补偿的目的。该方法主要用于对专用变压器用户功率因数的提高, 由于是就地补偿, 所以在一定程度上有利于减少配电网和配电变的损耗。
3.3 杆上补偿
该方法是为弥补公用变压器低压补偿缺位而设立的。通过在架空线路塔杆安装10k V户外并联电容器达到提高配电网功率因数, 提升电压降低损耗的目的。该方法的优点是补偿效率高, 投资规模小及方便管理维护, 对于功率因数较低且负荷较重的长配电线路较为适合。缺点是不具备动态补偿功能。
3.4 用户终端分散补偿
该方法的优点是降低线损率, 保障用电设备启动和运行环境, 改善系统供电水平。缺点是设备闲置情况较多。常见的用户终端补偿有随机补偿、随器补偿、跟踪补偿三种类型。
4 结束语
随着现代工业化生产水平的进一步提高, 电力事业必将迎来更加繁荣的发展阶段。受系统设备使用效率和安全稳定方面要求的影响, 电力系统功率因数的提高已经成为必然。通过无功补偿改善系统功率因数是当前电力企业普遍采用的方法。我国正处于经济高速发展的重要阶段, 确保电网安全稳定和电力利用效率意义重大。电力企业要把提高功率因数作为一项重要任务来抓, 不断加大研究投入, 推动无功补偿技术发展, 实现系统经济效益和安全效益的最大化, 为电网安全、稳定、高效运行做出保障。
参考文献