Что называют коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения
Коэффициент пульсации — отношение абсолютного уровня пульсации к постоянной составляющей сигнала. Иначе говоря, коэффициент пульсации — мера пульсации в относительных единицах. Несмотря на то что, казалось бы, можно дать довольно чёткое определение данному понятию, на самом деле оно крайне неоднозначное. Причина этого в том, что существуют совершенно разные подходы к определению абсолютного уровня пульсаций.
Оглавление
Коэффициент пульсации
Введение
Довольно часто, например, при измерении различных физических величин, при анализе качества электропитания устройств и при рассмотрении множества других вопросов, мы сталкиваемся с явлением пульсации — нежелательным периодическим отклонением величины (допустим, выходного напряжения блока питания) относительно среднего значения.
Мерой пульсации является уровень пульсации, который может быть выражен в абсолютных величинах (амплитуда пульсации, размах, действующее значение и т.д.). Но иногда бывает удобно рассматривать уровень пульсации не в абсолютном выражении, а в относительных единицах. Отношение величины, характеризующей уровень пульсаций к постоянной составляющей сигнала, называют коэффициентом пульсации.
Коэффициент пульсации можно использовать, например, как объективную характеристику качества выходного напряжения источника питания, которая позволяет сравнивать между собой разные устройства, без привязки к абсолютным значениям выходных напряжений. Коэффициент пульсации позволяет судить о применимости данного источника для питания той или иной нагрузки, ведь для обеспечения работоспособности потребителя, пульсация не должна превышать заданных для него допустимых пределов.
Другой простой пример, когда бывает полезным рассмотрение коэффициента пульсации — анализ выпрямителей. Так, для идеализированного выпрямителя без сглаживающего фильтра, коэффициент пульсации является параметром схемы, не зависящим ни от входного напряжения, ни от нагрузки и дающего возможность легко сопоставлять между собой разные типы выпрямителей.
Определение коэффициента пульсации
Некоторые сложности с использованием данного параметра возникают в связи с тем, что можно вводить в рассмотрение множество разных коэффициентов пульсации, в зависимости от того, какую величину выберем в качестве абсолютной меры уровня пульсаций. Поэтому важно уточнять, о каком именно коэффициенте идёт речь. Чем некоторые авторы порой пренебрегают и тогда остаётся только догадываться, что имелось в виду.
Можно выделить три основных подхода к определению коэффициента пульсации, которые чаще всего используются в литературе и отражены в нормативной документации (стандартах).
1. Коэффициент пульсации — отношение половины размаха пульсации к среднему значению величины (или, что то же самое, к постоянной составляющей величины). Под размахом пульсации понимается разность между максимальным и минимальным значением величины: $$ k=\frac -U_> . $$
Рис. %img:rpl_def
Для практического измерения коэффициента пульсации удобно воспользоваться осциллографом и определить величины Umin, Umax. Если для оценки постоянной составляющей воспользоваться приближением \(U_0 \approx (U_+U_)/2,\) то получаем следующую формулу, удобную для практического определения коэффициента пульсации: $$ k \approx \frac
Существует аналогичное определение, но в нём используется не половина размаха, а полный размах пульсаций.
2. Коэффициент пульсации — отношение размаха пульсации к среднему значению величины (к постоянной составляющей величины): $$ k=\frac -U_> , $$ или, в более удобной форме для вычисления по результатам измерений запишем как $$ k \approx 2 \; \frac -U_> +U_>. $$
Но можно использовать не только амплитудные значения величины пульсаций, а, например, действующее (среднеквадратичное) значение напряжения пульсации. Тогда получим следующее определение.
3. Коэффициент пульсации — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины: $$ k=\frac > . $$
Каждое из рассмотренных определений имеет свою область применения. Выбор определяется тем, какой из коэффициентов наилучшим образом отображает реальные характеристики пульсации в данном случае.
Коэффициенты, вычисляемые по амплитуде и размаху пульсации (первое и второе определения) в целом равноценны, лишь отличаются друг от друга в 2 раза. Они характеризуют наибольшее отклонение величины от среднего значения. Хорошо подходят, например, для оценки качества выходного напряжения источников питания. Как правило, питаемое устройство предъявляет вполне определённые требования к пиковым отклонениям питающего напряжения, что позволяет на основании амплитудного коэффициента пульсации сделать вывод о применимости источника по пульсациям.
В некоторых же случаях больший интерес представляет не амплитуда, а действующее значение пульсации, которое определяет мощность пульсации на резистивной нагрузке. И тогда отдают предпочтение третьему определению.
Действующее значение величины, а значит и вычисленный по ней коэффициент пульсации оказывается малочувствителен к единичным кратковременным выбросам величины («иголкам» сигнала), которым соответствует малая переносимая в нагрузку энергия и которые вносят малый вклад в среднюю мощность, рассеиваемую на нагрузке.
Иногда эта особенность коэффициента пульсации по действующему значению оказывается полезной.
Определения понятия в соответствии с нормативной документацией
Поскольку коэффициент пульсаций — очень важный технический параметр, его не обошли вниманием в стандартах.
Посмотрим, например, что по данному вопросу можно найти в стандартах достаточно авторитетной организации IEC (Международной электротехнической комиссии). Осуществляя деятельность по разработке стандартов, IEC также проделала огромную работу с целью унификации терминологии в области электротехники, результатом чего стало создание Международного электротехнического словаря (Electropedia), доступного on-line.
Воспользовавшись поиском по словарю, обнаруживаем, что термины «пульсация», «коэффициент пульсации» используются в разных предметных областях: математика; электромагнитная совместимость; силовая электроника и др. Это ещё одна из причин многозначности термина.
Если, например, обратиться к разделу электромагнитной совместимости, то обнаружим, что там рассматриваются два вида коэффициентов пульсации:
- peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению, пиковый коэффициент пульсации) — отношение пикового значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод определения из документа IEC-60050-161; под пиковым значением понимается просто размах пульсации) * ;
- r.m.s.-ripple factor (коэффициент пульсации по среднеквадратичному значению, среднеквадратичный коэффициент пульсаций) — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод определения из документа IEC-60050-161; среднеквадратичное значение — это то, что раньше было принято называть действующим значением).
* Вариант на английском: peak-ripple factor — the ratio of the peak-to-valley value of the ripple content to the absolute value of the direct component of a pulsating quantity.
Значение термина «peak-to-valley value» также может быть найдено в Electropedia:
peak-to-valley value, peak-to-peak value — difference between the global maximum value and the global minimum value in the same specified interval of the argument.
Note 1 to entry: For a periodic quantity, the specified interval has a range equal to the period.
Note 2 to entry: The synonym «peak-to-peak value» should be used only when the global maximum and minimum values are of different signs.
В разделе «Силовая электроника» обнаруживаем термин «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока), который определяется как отношение половины разницы между максимальным и минимальным значениями пульсирующего тока к среднему значению этого тока (ratio of half the difference between the maximum and minimum value of a pulsating direct current to the mean value of this current), смотрите IEC-60050-551. Это определение похоже на рассмотренное ранее определение для peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению), но здесь для расчёта берётся не полный размах пульсации, а половина.
Наверно есть основания для введения двух однотипных определений, но избавиться от путаницы это совсем не помогает.
Найти упоминание о коэффициенте пульсации можно и в ГОСТ. Так, во многих статьях, касающихся темы пульсации, даётся ссылка на «ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения», в котором приводится сразу несколько вариантов определения:
- Коэффициент пульсации напряжения (тока) — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей * пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
Примечание. Для целей стандартизации допускается относить к номинальному напряжению (току).
* Не вполне очевидно, что понимается под «наибольшим значением переменной составляющей». Возможно, это амплитуда. - Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
- Коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению — величина, равная отношению среднего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
Первые два определения имеют свои аналоги в IEC, а последнее — уже что-то новенькое. И опять же, не обошлось без доли таинственности. Так как среднее значение переменной составляющей равно 0, можно предположить, что в определении имелось в виду нечто иное. Скорее всего, это «среднее по модулю значение переменного напряжения (тока)», которое в этом же ГОСТе определяется как «среднее за период значение модулей мгновенных значений переменного напряжения (тока)». Вероятно, в каких-то случаях использовать этот коэффициент имеет смысл.
Рассмотрев так подробно вопрос о коэффициенте пульсации с точки зрения ГОСТ 23875-88, осталось только отметить, что этот ГОСТ с 2012 года утратил силу. Так что теперь ссылка на него выглядит как не слишком убедительное обоснование для использования того или иного определения * .
* Тем не менее, например, в действующем «ГОСТ 23414-84 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения (с Изменением N 1)» имеется ссылка на утративший силу ГОСТ 23875-88. Оказывается так можно.
Однако, тут нам на помощь приходят другие ГОСТы. Так, в «ГОСТ 26567-85 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Методы испытаний» (на момент написания этой статьи имеет статус действующего), даётся наглядное объяснение «в картинках», рис. %img:h. На рисунке: 1 — огибающая мгновенных значений пульсирующего напряжения; t — время, в течение которого проводят наблюдения. Как видим, за величину пульсаций принимается половина размаха пульсаций. Также даётся расчётная формула (для вычисления коэффициента в процентах): $$ k_=\frac
Рис. %img:h
Данное определение в некоторой степени аналогично рассмотренному выше определению «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока) из IEC-60050-551.
Подобные определения можно найти и в других ГОСТах, например, в «ГОСТ Р 52907-2008 Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения»:
коэффициент пульсации постоянного выходного напряжения [тока] источника электропитания РЭА — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего постоянного выходного напряжения [тока] к его среднему значению в установившемся режиме работы источника электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
Правда, данный стандарт является национальным (на что намекает символ Р в обозначении), но тем не менее.
Альтернативные определения
Справедливости ради нужно отметить, что рассмотренные выше определения коэффициента пульсации не являются единственно возможными и в литературе можно встретить другие варианты.
В принципе, под коэффициентом пульсации можно понимать отношение любой меры уровня пульсаций к среднему значению величины. Поэтому, в случае необходимости, можно вводить в рассмотрение самые экзотические варианты определения. Например, за уровень пульсаций можем принять сумму гармоник переменной составляющей с удобными нам весовыми коэффициентами.
В простейшем случае берём первую гармонику с коэффициентом 1 и получаем ещё один вариант определения, который достаточно часто можно встретить в отечественной литературе: коэффициент пульсации — отношение амплитуды первой гармоники (или низшей, или основной — в разных формулировках) к среднему значению напряжения (т.е., к постоянной составляющей).
Впрочем, известная доля популярности ещё не означает, что это определение является удачным. Во-первых, из рассмотрения исключаются все гармонические составляющие, кроме «основной», в то время как вклад «неосновных» может быть весьма значительным; в результате полученный коэффициент очень косвенно отражает реальное положение дел. Во-вторых, практическое измерение коэффициента не является простым — требуется выделение (фильтрация) одной гармоники для измерения её амплитуды.
Но если, например, имеем дело с питанием устройства, для которого нормируются вполне определённые компоненты в спектре пульсации, то описанный вариант определения вполне годится.
Источники информации
- IEC, International Electrotechnical Commission (Международная электротехническая комиссия).
- Electropedia (Международный электротехнический словарь).
- ГОСТ 26567-85 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Методы испытаний
- ГОСТ Р 52907-2008 Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения
- ГОСТ 23414-84 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения (с Изменением N 1)
- ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения
Измерение коэффициента пульсации выпрямителя с выдачей протокола от аккредитованной лаборатории
Стоимость услуг по проведению специальной оценки условий труда
| Наименование | Стоимость |
|---|---|
| Комплекс работ по проведению специальной оценки условий труда (СОУТ) | от 600 руб. за 1 рабочее место * |
Комплекс работ по проведению специальной оценки условий труда (СОУТ)
от 600 руб. *
Оставить заявку
* — Минимальная сумма договора для Москвы и Московской области – 10 000 рублей.
Лицензии лаборатории
Используемое оборудование
Лицензии лаборатории
Используемое оборудование
Выпрямителем называется преобразователь электроэнергии. Это устройство, которое предназначено для преобразования переменного тока в постоянный. Используются выпрямители обычно в блоках питания и состоят из трех главных элементов:
• Силовой трансформатор
• Выпрямительный элемент
• Фильтр
Выпрямители могут классифицироваться по разным признакам, но любое подобное устройство имеет ряд одинаковых характеристик, среди которых отдельно стоит выделить пульсацию, частоту пульсаций и коэффициент пульсации. Все дело в том, что выпрямитель не способен создать постоянное напряжение, переменный ток, входящий в него, как бы «пульсирует» внутри прибора. Для сглаживания пульсаций применяется фильтр.
Показатель частоты пульсаций характеризует самые резкие перепады напряжения на выходе выпрямителя. Частота пульсаций зависит от типа устройства. Выпрямители бывают:
• Однополупериодные
• Двухполупериодные
• Двухполупериодные мостовые (другое название – схема Герца)
• Схема умножения напряжения (другое название – схема Латура)
Однако в производстве применяют две схемы – однополупериодные и схему Ларионова.
Каждая из этих схем выпрямителей обладает своим показателем частоты пульсаций. Для самой простой схемы этот показатель равен частоте питающей сети. Частота пульсаций других схем зависит от числа фаз и других параметров выпрямителя.
Для оценки влияния пульсаций на человека используется такой показатель, как коэффициент пульсаций. Именно с его помощью проводится оценка влияния пульсаций на условия труда при аттестации рабочих мест на предприятии.
Рассчитывается данный коэффициент как отношение частоты пульсаций к усредненному значению напряжения. Таким образом, для вычисления коэффициента необходимо сначала замерить наиболее резко выраженную амплитуду гармонической составляющей тока.
Классификация коэффициента пульсации
1. На входе фильтра. Данный показатель обозначается р0, измеряется в %
2. На выходе фильтра. Обозначение – р, измеряется в %
Нормы коэффициента пульсации различны для разных рабочих мест. Это зависит от степени нагрузки и от других условий труда. Допускаемые значения коэффициента указаны в специальных таблицах.
Если вы доверите аттестацию рабочих мест своего предприятия опытной и профессиональной компании, то можете не беспокоиться по поводу грамотной и качественной оценки даже такого сложного и не всем понятного показателя, как коэффициент пульсации выпрямителя.
Вам необходима консультация?
Мы свяжемся с Вами в течение 5 минут и ответим на интересующие вопросы.
Нам доверяют:
Посещайте семинары учебного центра — БЕСПЛАТНО!
142116, МО, г. Подольск,
Революционный проспект, 58г.
Коэффициент пульсации
О коэффициенте пульсации чаще всего говорят, когда рассматривают переменный электрический ток. Тогда рассматривают коэффициент пульсации напряжения или силы тока. Существует внутренне деление коэффициентов пульсации напряжения (тока) на: коэффициент пульсации напряжения (тока), коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению, по действующему значению.
В общем случае форма напряжения на выходе выпрямляющего устройства имеет постоянную (называемую полезной) и переменную (пульсирующую) составляющие.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Коэффициентом пульсации напряжения (тока) называют величину, равную отношению амплитудного значения (максимальной величины) переменной компоненты пульсирующего напряжения (тока) к постоянной составляющей.
Если представить выпрямленное напряжение в виде ряда Фурье, как сумму постоянной составляющей ( ) и некоторого числа ( ) гармоник, имеющих амплитуды , то коэффициент пульсации напряжения ( ) можно определить формулой:
где n — номер гармоники.
При этом компоненту считают полезным результатом деятельности выпрямителя, в отличие от пульсаций . Если форма пульсаций сложная, то максимальным значением может обладать не первая гармоника, но обычно под k понимают ее. Она применяется в расчетах и записывается в технических документах оборудования.
Разновидности коэффициентов пульсации напряжения (тока)
Коэффициентом пульсации напряжения (тока) по среднему значению называют величину, равную отношению средней величины переменной компоненты пульсирующего напряжения (тока) к постоянной составляющей.
Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — это параметр, который находят как отношение действующего значения переменой компоненты пульсирующего напряжения (тока) к его неизменной компоненте.
Часто потребителям не важно, какая из гармоник на выходе выпрямляющего устройства обладает наибольшим размахом. Интерес составляет общий размах пульсаций, который характеризует абсолютный коэффициент пульсаций ( ), который определяют выражением:
![\[k_{abs}=\frac{\Delta U}{U_0}=\frac{U_{nmax}-U_{nmin}}{U_0}\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d7a71e185c868270ab97321dcb39396c_l3.png)
![\[k_{abs}=\frac{\Delta U}{U_0}\cdot 100\%=\frac{U_{nmax}-U_{nmin}}{U_0}\cdot 100\%\left(2\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f0e23dd476c9e0459010742e3f704926_l3.png)
Или применяют формулу:
![\[{k'}_{abs}=\left(1-\frac{U_{nmin}}{U_{nmax}}\right)\cdot 100\%\ \left(3\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-bb94c0c0205734dde698f152662e3933_l3.png)
Коэффициент пульсации напряжения измеряют при помощи осциллографа или двух вольтметров.
Коэффициент пульсации — это одна из самых значимых характеристик выпрямителя — устройства, которое предназначено для превращения переменного напряжения источника электрической энергии в постоянное.
Единицы измерения
Коэффициент пульсации рассматривают как безразмерную величину или он может указываться в процентах.
Примеры решения задач
| Задание | Каковы коэффициенты пульсации по первой гармонике, абсолютные коэффициенты пульсации в двух вариантах расчета, если постоянное напряжение на выходе выпрямляющего устройства составляет 20 В, а напряжение пульсаций ? |
| Решение | Коэффициент пульсации напряжения по первой гармонике найдем, используя выражение: |
где n =1. Проведем вычисления:
![\[k_1=\frac{U_{m1}}{U_0}=\frac{2}{20}=0,1\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-253f684ebdf1cd131ec74be732a4e3e2_l3.png)
Абсолютный коэффициент пульсации напряжения (вариант 1) найдем, применяя формулу:
![\[k_{abs}=\frac{U_{nmax}-U_{nmin}}{U_0}\left(1.2\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-0f3d5cf4e32f2d21d0de8cef41066595_l3.png)
Вычислим :
![\[k_{abs}=\frac{22-18}{10}=0,4\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-0b9c662b5f01011bbc687c19ebd30110_l3.png)
Второй вариант абсолютного коэффициента пульсации напряжения:
![\[{k'}_{abs}=1-\frac{U_{nmin}}{U_{nmax}}\left(1.3\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-399dad4d87c066abe650dccb56010266_l3.png)
![\[{k'}_{abs}=1-\frac{18}{22}=0,18\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-be8d075fe1fa8b9a6527a3c97801a059_l3.png)
Полученный в результате выпрямления в одной половине периода ток разложим в ряд Фурье:
![\[i_n=I_{nm}(\frac{1}{\pi }+\frac{1}{2}{\sin \left(\omega t\right)\ }-\frac{2}{3\pi }{\cos \left(2\omega t\right)-\dots \ }\left(2.2\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-655fa50ad8cc2e97a660c881fd93bccc_l3.png)
Среднее значение силы тока, которое содержится в пульсирующем токе равно:
Тогда среднее значение напряжения после выпрямления найдем как:
![\[\left\langle U\right\rangle =R_n\left\langle I\right\rangle =\frac{U_{nm}}{\pi }\left(2.4\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-7c1c076a9e4afbe5ea9341403232d90c_l3.png)
Коэффициент пульсации тока по средней величине будет равен:
Коэффициент пульсации напряжения
Очень часто приходится сталкиваться с выпрямителями переменного тока, поскольку для нормальной работы многих электронных устройств требуется наличие постоянного напряжения, а то и нескольких сразу.
Выпрямители имеют несколько основных характеристик:
• номинальное выходное напряжение;
• уровень пульсаций напряжения;
• номинальный ток.
Коэффициент пульсаций – это отношение переменной составляющей выходного сигнала выпрямителя к его постоянной составляющей.
Различают несколько значений пульсации напряжения, например:
• действующее;
• среднее;
• импульсное.
В некоторых случаях, например, для осуществления запитки двигателя постоянного тока, этот параметр абсолютно не важен. Однако, при подаче рабочего напряжения на усилитель звуковой частоты даже в том случае, если коэффициент пульсаций составляет всего 5%, в динамике будет слышен фон переменного тока.
Способы измерения коэффициента пульсации напряжения
В общем случае имеется два основных способа измерения уровня пульсаций постоянного напряжения, после чего производится непосредственно расчет самого коэффициента. Это могут быть измерения при помощи:
• осциллографа;
• двух вольтметров.
В первом случае проводится измерение постоянной и переменной составляющих по экрану осциллографа. Точность этого способа невелика, так как отсчет параметров ведется визуально по экрану, поэтому невозможно качественно провести калибровку, оценить параллакс.
Однако осциллограф позволяет визуально оценить форму переменной составляющей, что часто дает более полное представление о выходном сигнале.
При помощи двух вольтметров измерение уровня пульсаций можно установить более точно и быстро. У этого способа есть свои существенные недостатки, такие, как:
• невозможность визуального просмотра эпюры напряжения;
• малая предельная частота измерений.
На практике применяются оба метода, причем на частотах до 400 Гц предпочтение отдается, как правило, способу, при котором используются два вольтметра. На более высоких частотах чаще применяется осциллограф, хотя существует возможность использовать для этой цели электронный вольтметр.
Кроме того, на высоких частотах приходится иметь дело с таким понятием, как коэффициент пульсаций различных гармоник. При этом процесс измерения коэффициента пульсаций несколько усложняется.