Почему нагрузка постоянного тока потребляет в два раза больше переменного тока через трансформатор?

Речь идет о гармониках. Когда вы используете резистор (нагрузку) непосредственно на вторичной обмотке трансформатора, вы используете хороший синусоидальный ток, но когда вы выпрямляете напряжение, нелинейность диодов в сочетании с емкостной нагрузкой добавляет гармоники к току и сделать его значение больше. «Ток в два раза больше» не является правилом, он может стать очень некрасивым, но обычно он меньше, в зависимости от элементов.

Вот быстрый тест в LTspice:

V1и R1сделать свой вторичный и 21$\Omega$нагрузка. Остальное — выпрямитель и нагрузка, а также конденсатор 1 мФ (случайные значения). Токи - это красная и зеленая дорожки, а мощности - черная и синяя, читая:

Это не совсем в два раза больше, но диоды идеальны, а напряжение не выпрямлено должным образом (можно было бы использовать цоколь побольше). Тем не менее, рацион приближается к 1,3. Короче говоря, вы платите за удобство, но есть решения для смягчения: схемы коррекции коэффициента мощности, фильтры активной мощности, активные выпрямители, фильтры-ловушки и т. д.

Учитывая ваши комментарии ниже, вот переделанная версия с квази-реальной настройкой, 2x4700$\mu$F с некоторым СОЭ, добавлена ​​серия 4.7$\Omega$, некоторые модели диодов 1N4007:

А вот увеличенная часть сигналов и их показания:

Ток сглаживается за счет ESR, добавочной нагрузки (4,7+21), сопротивления диодов во включенном состоянии и, не в последнюю очередь, внутреннего сопротивления вторичной обмотки (которое, без сомнения, будет намного больше, чем какие-то 50 мкОм).$\Omega$на схеме). Мощности также ближе, но пики тока все еще больше, чем красивая синусоидальная форма волны, поэтому вы должны учитывать их при выборе диодов (здесь используются 4007, потому что у меня был легкодоступный диод) .model.

Я постараюсь прояснить, что процент 74%, о котором говорит Тони Стюарт, — это не число, которому можно доверять или даже цитировать. Вот исправленная версия с 21$\Omega$нагрузка, с .stepкрышкой ed от 470$\mu$от Ф до 10 мФ:

Форма тока становится тоньше с более высоким содержанием гармоник , обусловленным увеличением емкости конденсатора — мост остается тем же. Значение среднеквадратичного значения тока также увеличивается (см. журнал), БПФ показывает увеличение высших гармоник, таким образом, значение среднеквадратичного значения тока увеличивается из-за содержания гармоник . Вот увеличенная версия БПФ:

Метка трассы черная, поэтому первая .stepвыделенная трасса черная, становится синей, красной и т. д. Первый шаг, как видно на предыдущем рисунке, — это 470$\mu$F, последние 10 мФ, таким образом, высшие гармоники растут с увеличением емкости конденсатора, что также увеличивает значение среднеквадратичного значения тока.

Если бы только конденсатор был там, без моста, результат был бы таким:

Обратите внимание, что мост все еще там, но он не подключен (предназначен). Формы сигналов - это напряжение и ток через источник. БПФ не показывает никаких гармоник — игнорируйте шум, plotwinsizeне задается, не накладывается временной шаг, но четко показывает только основную гармонику.

Если добавить мост без конденсатора, результат будет таким:

Обратите внимание на мертвую зону из-за падения напряжения. Только мощность может быть близка к чисто резистивной, но гармоники появились из-за нелинейности нагрузки.

Когда к нагрузке добавляются мост и конденсатор, вы получаете то, что показано на первых рисунках. Вывод ясен и упомянут в первых строках ответа: нелинейность диодов в сочетании с емкостной нагрузкой добавляют гармоники к току и делают его значение больше (мощности).

Мощность выше на 74%, плюс-минус? Среднеквадратичное значение источника составляет 6,3 В. Значения среднеквадратичного значения тока при .stepувеличении емкости конденсатора изменяются от 0,478 А до 0,855 А. Напряжение на нагрузке (забыл показать) колеблется от 5,65В до 6,99В. Это означает, что выходная мощность составляет от 1,52 Вт до 2,33 Вт, а входная мощность — от 3,01 Вт до 5,39 Вт, а это означает, что соотношение мощностей (на самом деле, обратное эффективности) увеличивается с 1,98 (на 98% больше) до 2,31 (131). % больше), что значительно больше 74%.

Но все это подразумевает довольно идеальный случай. Давайте выберем квазиреальную настройку: реальный трафик и ваши нагрузки:

Трансформатор наполовину угадан, с некоторыми преувеличенными значениями (площадь, длина магнитного пути, чтобы приспособиться к большому количеству витков, чтобы избежать насыщения), но есть некоторая утечка и последовательное сопротивление. Вы можете ясно видеть, что ток далеко не соответствует ожидаемому. Но это может быть из-за включенных нагрузок переменного тока, потому что переменный ток топит зарядный конденсатор. Тем не менее, обратная эффективность составляет 1,252 (чуть меньше 80%).

Переложим их все после моста, может в этот раз, наверняка, какие-то эффекты увидим?

Скорее... но показания говорят 1,278, очень близко к 1,252, несмотря на кажущееся искажение тока! И все же, это ближе к тому, что вы действительно увидите, если будет такая нагрузка. В вашем случае скорее всего предыдущий.

Вывод состоит в том, что дополнительная мощность возникает из-за искажений, вызванных гармониками, которые не только присущи нелинейным элементам, но и не могут быть отделены от смысла нелинейной нагрузки, независимо от ее типа. О нелинейной нагрузке и гармониках просто нельзя говорить отдельно, на этой ассоциации строится целая область электроники. Независимо от количества, более высокие гармоники вызывают более высокое энергопотребление. Если бы не было гармоник, соотношение мощностей было бы выполнено только на фундаментальном уровне, и произошла бы только фазовая задержка — форма волны по-прежнему была бы синусоидальной, неискаженной и$\cos\phi$будет единственным фактором, разделяющим полномочия.

Утверждение

DC НЕ потребляет в два раза больше тока, но может выдавать в два раза больше мощности.

Доказательство

Пиковое напряжение

Таким образом, пренебрегая падением напряжения мостового диода 1,4 В для кремния, если выпрямитель переменного тока имеет очень большую емкость, такую ​​​​как в любой батарее (~ 10 кФ).
$P_{DC}=\dfrac{V_p^2}{R}=\dfrac{2V_{rms}}{R}=2*P_{AC}$

Практическое правило

• для частоты сети f, RC=T и 1/f=$\tau$, выберите Т>>$\tau$
• например
  , для пульсаций ~5% Vpp /Vdc выберите RC=10*f
  для пульсаций ~10% выберите RC=5*f , обратите внимание, что среднее напряжение также падает с большей пульсацией.
• Падение напряжения на Si-диоде 1,4 В (x2) необходимо вычесть из напряжения переменного тока.
• диоды выбираются таким образом, чтобы ESR крышки, катушки и т. д. или батареи V/ESR=Ipk не превышало максимальный пиковый ток. Этот пиковый ток обратно пропорционален рабочему циклу пульсаций напряжения.

Почему нагрузка постоянного тока потребляет в два раза больше переменного тока через трансформатор?

Это не для среднего тока. Это делает или может сделать для среднеквадратичного тока.

Одной из характеристик трансформатора является ток, который он может отдавать без перегрева.

Тепловое воздействие тока на трансформатор зависит от его среднеквадратичного значения. Трансформатор нагревается током, протекающим через его остаточное сопротивление обмотки.

Нагрузка постоянного тока с выпрямителем/конденсатором создает намного более высокий среднеквадратичный ток нагрузки на трансформаторе, чем хорошая резистивная нагрузка переменного тока, потому что она потребляет ток большими пиками, которые вызывают избыточный нагрев I 2 ^R.

При том же нагреве в трансформаторе вы можете потреблять только половину тока от нагрузки выпрямителя/конденсатора, чем от обычной резистивной нагрузки.

Пиковый ток должен увеличиваться, потому что диоды проводят только небольшую часть цикла. Чтобы получить правильный средний ток, пиковый ток должен быть выше.

Диоды работают только тогда, когда переменное напряжение выше, чем (постоянное) напряжение на конденсаторе. Если бы не было нагрузки, конденсатор заряжался бы до пикового напряжения переменного тока, и диоды больше никогда не работали бы. Нагрузка постоянного тока вызывает падение напряжения на конденсаторе в течение каждого полупериода, а затем диоды кратковременно перезаряжаются, когда напряжение переменного тока, наконец, превышает напряжение постоянного тока.

Чем больше конденсатор, тем меньше спад, тем короче интервал. Для постоянного среднего постоянного тока это означает, что пиковый переменный ток должен увеличиваться.