什么是非线性负载

定义

非线性负载是指其负载电流与施加的电压不成线性关系的负载。在理想的线性负载情况下,例如一个纯电阻,根据欧姆定律(其中是电流,是电压,是电阻),电流与电压是成正比关系的,其伏安特性曲线是一条经过原点的直线。而非线性负载的伏安特性曲线不是直线。

常见的非线性负载类型及原理

电子设备中的整流器
以计算机电源中的整流电路为例。计算机电源通常是把交流电转换为直流电来为计算机内部的各种电子元件供电。整流器一般采用二极管组成的桥式整流电路。当交流电压输入时,二极管只允许电流单向通过。
例如,在一个简单的单相桥式整流电路中,输入的交流电压(是交流电压幅值,是角频率,是时间)。在正半周时,一对二极管导通,电流通过负载;在负半周时,另一对二极管导通,电流方向改变但仍通过负载。这样输出的直流电压波形是一种脉动直流,其电流与输入交流电压之间不是简单的线性关系。

荧光灯
荧光灯的工作原理是气体放电。当荧光灯接入交流电源后,通过镇流器产生一个高电压来启动灯管内的气体放电。气体放电后,汞原子被激发产生紫外线,紫外线又激发灯管内壁的荧光粉发出可见光。
荧光灯的电流和电压关系比较复杂。在启动阶段,需要较高的电压来击穿气体,启动后,其工作电流和电压之间也不是线性关系。因为其内部的气体放电过程是非线性的,随着电压的变化,电流的变化不是按照固定比例进行的。

开关电源
开关电源广泛应用于各种电子设备中,如手机充电器。它通过高频开关管(通常是 MOSFET)的快速导通和关断来调整输出电压。
例如,在一个降压型开关电源中,当开关管导通时,输入电压加在电感和负载上,电感储能;当开关管关断时,电感释放能量给负载。其输入电流不是与输入电压成线性比例的,因为开关管的导通和关断时间以及电感的储能和放能过程导致了复杂的电流 – 电压关系。

非线性负载对电路的影响

产生谐波
由于非线性负载的电流 – 电压特性不是线性的,会导致电流波形发生畸变。这种畸变的电流波形可以分解为基波和一系列谐波。例如,一个简单的非线性负载可能会在电路中产生 3 次、5 次、7 次等谐波。这些谐波会在电网中传播,干扰其他电气设备的正常运行。

降低功率因数
对于线性负载,功率因数(是电压和电流的相位差)。但在非线性负载中,电流波形畸变,除了相位差的影响外,还有谐波的影响。这使得计算功率因数的方法更加复杂,并且一般会导致功率因数降低。低功率因数会导致线路损耗增加,因为(是功率,是电压,是电流),在传输相同功率的情况下,如果降低,那么电流就会增大,根据(是线路损耗,是线路电阻),线路损耗就会增加。

应对非线性负载的措施

安装有源电力滤波器(APF)
有源电力滤波器可以实时检测电网中的谐波电流,并产生与之大小相等、方向相反的补偿电流,从而有效滤除谐波。例如,在一个有大量非线性负载(如计算机机房)的场所,APF 可以安装在配电柜中,对整个机房的负载产生的谐波进行补偿。

采用功率因数校正(PFC)技术
对于一些非线性负载设备,如开关电源,可以采用功率因数校正技术。例如,在一些高端的电脑电源中,采用有源功率因数校正电路,通过控制电路使输入电流跟随输入电压的波形变化,从而提高功率因数,减少对电网的不良影响。

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