Закон Ома для цепи переменного тока. Мощность в цепи переменного тока. Резонанс в электрической цепи.

imageВ быту, как правило, применяются такие словосочетания, как потребляемая мощность или просто электрическая мощность. Всегда актуален вопрос о том, как много электроэнергии потребляет тот или другой прибор. Но в физике понятие мощности переменного тока трактуется несколько шире.

Содержание

Особенности переменного тока

imageФормула мощности для тока, который меняется во времени по силе, напряжению и направлению, не совпадает с простой формулой для постоянного электротока. Она может примяться исключительно для вычисления мгновенного значения этой физической величины, но на практике для нахождения мощности меняющегося тока бесполезна. Рассчитывая её усреднённую величину напрямую, применяют интегрирование по такому параметру, как время. То есть интегрируется мгновенное значение на протяжении определённого периода.

Такой подход применяется для тех электрических цепей, в которых напряжение и сила электротока меняются циклически. В основном рассчитывается мощность в цепях с изменениями электрического напряжения и силы электротока по синусоиде.

В электродинамике различают связанные друг с другом понятия реактивной, активной и полной мощности.

Активная величина Real Power

Активная мощность Р измеряется в ваттах. Сокращённые варианты единицы измерения: Вт (русское обозначение) или W (международное). Само понятие этой мощностной величины означает среднее значение мгновенных показателей этой характеристики за промежуток времени Т (период). Общая формула в этом случае выглядит следующим образом:

Для электрических цепей с одной фазой изменяющегося по синусоиде тока формула выглядит так:

.

В этом выражении Ι и U являются значениями силы электротока и напряжения в среднеквадратичном представлении. А угол φ показывает, на сколько сдвинуты фазы между этими физическими величинами.

Активная мощность указывает, как быстро превращается электрическая энергия в другие типы: тепловую или электромагнитную.

Она может выражаться как через силу тока и активное сопротивление цепи r, так и через напряжение и проводимость g по формуле:

.

В любых электрических цепях этот вид мощности равняется сумме значений на отдельных элементах. В трёхфазном варианте суммируются показатели для каждой отдельной фазы.

Реактивная характеристика

Реактивная мощность Q охарактеризовывает нагрузки, создаваемые в электроустройствах периодическими изменениями энергии электромагнитного поля в цепи с переменным током, который меняется во времени по синусоидальному принципу.

Численно она равняется умножению среднеквадратичных U (напряжения), I (силы) и синуса φ (угла сдвига фаз):

.

Измеряется в вольт-амперах реактивных (русское сокращение: вар, а международное — var).

Реактивная Q даёт характеристику энергии, передающейся от источника питания к реактивным элементам и возвращающуюся обратно за временной промежуток, численно равный одному периоду колебаний. К элементам реактивного типа относят катушки индуктивности, конденсаторы, обмотки. Этот вид мощностной характеристики тока принимает:

  • отрицательное значение, если нагрузка активно-ёмкостная;
  • положительное — в случае активно-индуктивного характера нагрузочных элементов.

Принято считать, что устройства с положительной Q потребляют энергию, а с отрицательной, наоборот, производят. Но это условные обозначения. Реактивная мощность по факту не принимает участия в работе электротока. Синхронные генераторы, которые функционируют на электростанциях, в зависимости от численного значения тока возбуждения в обмотке могут и вырабатывать, и потреблять эту реактивную характеристику тока.

Такую особенность синхронных электрических машин используют для регулирования определённого значения напряжения сети. Чтобы устранять перегрузки либо увеличение мощностного коэффициента, осуществляют компенсацию реактивной составляющей.

Полная мощность

Полная мощность S представляется в единицах измерения с названием вольт-амперы и вычисляется через умножение действующих значений I в цепи и напряжения U на её окончаниях:

.

Этот вид электрической характеристики на практике описывает нагрузки, которые по факту налагаются потребителем на части электросети, обеспечивающей подвод электроэнергии (кабели разных видов, трансформирующие устройства и линии для передачи электрической энергии на большие расстояния).

Данные нагрузки находятся в зависимости исключительно от потребляемого тока, а не от энергии, которую по факту использует потребитель. Этот момент является причиной того, что полная мощность устройств, обеспечивающих трансформацию электрической энергии, а также распределительных щитов, измеряют в вольт-амперах, а не в ваттах.

Все виды мощностных характеристик переменного тока связываются между собой следующими математическими выражениями:

Эти формулы позволяют производить расчёты для цепей переменного тока любой конфигурации:

  1. Полная, выраженная через активную и реактивную.
  2. Активная — через полную и угол сдвига фаз.
  3. Реактивная — через полную и активную.

Знания этих нюансов важны при подборе оборудования и построения систем энергообеспечения различных объектов. Учёт электрических параметров устройств даёт возможность сделать правильный выбор электрических устройств и построить экономически оптимальную схему энергетического обеспечения.

Определение

Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:

P=U*I

P=I2*R

P=U2/R

По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.

Читайте также:  Изготовление вентилятора в домашних условиях

Нагрузку разделяют на два основных типа:

  • Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
  • Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).

Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.

Мощность в цепи переменного электрического тока

Электроприборы, подключаемые к электросети работают в цепи переменного тока, поэтому мы будем рассматривать мощность именно в этих условиях. Однако, сначала, дадим общее определение понятию.

Мощность — физическая величина, отражающая скорость преобразования или передачи электрической энергии.

В более узком смысле, говорят, что электрическая мощность – это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

Если перефразировать данное определение менее научно, то получается, что мощность – это некое количество энергии, которое расходуется потребителем за определенный промежуток времени. Самый простой пример – это обычная лампа накаливания. Скорость, с которой лампочка превращает потребляемую электроэнергию в тепло и свет, и будет ее мощностью. Соответственно, чем выше изначально этот показатель у лампочки, тем больше она будет потреблять энергии, и тем больше отдаст света.

Поскольку в данном случае происходит не только процесс преобразования электроэнергии в некоторую другую (световую, тепловую и т.д.), но и процесс колебания электрического и магнитного поля, появляется сдвиг фазы между силой тока и напряжением, и это следует учитывать при дальнейших расчетах.

При расчете мощности в цепи переменного тока принято выделять активную, реактивную и полную составляющие.

Понятие активной мощности

Активная “полезная” мощность — это та часть мощности, которая характеризует непосредственно процесс преобразования электрической энергии в некую другую энергию. Обозначается латинской буквой P и измеряется в ваттах (Вт).

Рассчитывается по формуле: P = U⋅I⋅cosφ,

где U и I – среднеквадратичное значение напряжения и силы тока цепи соответственно, cos φ – косинус угла сдвига фазы между напряжением и током.

ВАЖНО! Описанная ранее формула подходит для расчета цепей с напряжением 220В, однако, мощные агрегаты обычно используют сеть с напряжением 380В. В таком случае выражение следует умножить на корень из трех или 1.73

Понятие реактивной мощности

Реактивная “вредная” мощность — это мощность, которая образуется в процессе работы электроприборов с индуктивной или емкостной нагрузкой, и отражает происходящие электромагнитные колебания. Проще говоря, это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю, а потом возвращается обратно в сеть.

Смысл реактивной нагрузки

В электрической цепи с реактивной нагрузки фаза тока и фаза напряжения не совпадают во времени. В зависимости от характера подключенного оборудования напряжение либо опережает ток (в индуктивности), либо отстаёт от него (в ёмкости). Для описания вопросов используют векторные диаграммы. Здесь одинаковое направление вектора напряжения и тока указывает на совпадение фаз. А если вектора изображены под некоторым углом, то это и есть опережение или отставание фазы соответствующего вектора (напряжения или тока). Давайте рассмотрим каждый из них.

В индуктивности напряжение всегда опережает ток. «Расстояние» между фазами измеряется в градусах, что наглядно иллюстрируется на векторных диаграммах. Угол между векторами обозначается греческой буквой «Фи».

Читайте также:  Выбор электромеханического стабилизатора напряжения: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

В идеализированной индуктивности угол сдвига фаз равен 90 градусов. Но в реальности это определяется полной нагрузкой в цепи, а в реальности не обходится без резистивной (активной) составляющей и паразитной (в этом случае) емкостной.

В ёмкости ситуация противоположна – ток опережает напряжение, потому что индуктивность заряжаясь потребляет большой ток, который уменьшается по мере заряда. Хотя чаще говорят, что напряжение отстаёт от тока.

Если сказать кратко и понятно, то эти сдвиги можно объяснить законами коммутации, согласно которым в ёмкости напряжение не может изменится мгновенно, а в индуктивности – ток.

Как установить конденсаторные устройства

Предварительно понадобится схема работы электросети, и документы от ПУЭ, по которым и проводится решение о компенсации энергии и реактивной мощности ДСП. Далее необходим экономический расчет:

  • сумма потребления энергии всеми приборами (это печи, цод, автоматические машины, холодильные установки и прочее);
  • сумма поступления тока в сеть;
  • вычисление потерь в цепях до поступления энергии к приборам, и после этого поступления;
  • частотный анализ.

Далее нужно сгенерировать часть мощности сразу на месте её поступления в сеть при помощи генератора. Это называется централизованная компенсация. Она может проводится также при помощи установки cos, electric, schneider, tg.

Но существует также индивидуальная однофазная компенсация реактивной энергии и мощности (либо поперечная), её цена намного ниже. В этом случае производится установка упорядоченных регулирующих устройств (конденсаторов), непосредственно у каждого потребителя питания. Это оптимальный выход, если регулируется трехфазный двигатель или электропривод. Но у этого типа компенсации есть существенный недостаток – она не регулируется, и поэтому называется еще и нерегулируемой или нелинейной.

Статические компенсаторы или тиристоры работают при помощи взаимоиндукции. В этом случае переключение производят при помощи двух или более тиристоров. Самый простой и безопасный метод, но его существенным недостатком является то, что гармоники генерируются вручную, что значительно усложняет процесс монтажа.

Треугольник мощностей и косинус Фи

Если взять всю цепь, проанализировать её состав, фазы токов и напряжений, затем построить векторную диаграмму. После этого изобразить активную по горизонтальной оси, а реактивную – по вертикальной и соединить результирующим вектором концы этих векторов – получится треугольник мощностей.

Он выражает отношение активной и реактивной мощности, а вектор, соединяющий концы двух предыдущих векторов – будет выражать полную мощность. Всё это звучит слишком сухо и запутано, поэтому посмотрите на рисунок ниже:

Буквой P – обозначена активная мощность, Q – реактивная, S – полная.

Формула полной мощности имеет вид:

Самые внимательные читатели наверняка заметили подобие формулы теореме Пифагора.

Читайте также:  Простые генераторы частоты 50-120Hz на микросхемах CD4060

Единицы измерения:

  • P – Вт, кВт (Ватты);
  • Q – ВАр, кВАр (Вольт-амперы реактивные);
  • S – ВА (Вольт-амперы);

Зачем нужна компенсация реактивной мощности

Чем больше требуется энергии — тем выше становится уровень потребления топлива. И это не всегда оправдано. Компенсация мощности, т.е, её правильный расчет, поможет сэкономить в промышленных распределительных электросетях на производстве до 50 % затрачиваемого топлива, а в некоторых случаях и больше.

Нужно понимать, что тем больше ресурсов затрачено на производство, тем выше будет цена конечного продукта. При возможности снизить стоимость изготовления товара, производитель либо предприниматель, сможет снизить его цену, чем привлечь потенциальных клиентов и потребителей.

Как наглядный пример – пара диаграмм ниже. Эти векторы визуально передают полный эффект от работы установки.

Диаграмма до работы установки Диаграмма после работы установки

Кроме этого, мы также избавляемся от потерь в электросетях, от чего эффект следующий:

  • напряжение ровное, без перепадов;
  • увеличивается долговечность проводов (abb – авв, аку) и индукционной обмотки в жилых помещениях и на заводе;
  • значительная экономия на работе домашних трансформаторов и выпрямителей тока;
  • проведенная компенсация мощности и реактивной энергии значительно продлит время работы мощных устройств (асинхронный двигатель трехфазный и однофазный).
  • значительное снижение электрических затрат.

Общая схема преобразователя

Расчёты

Для вычисления полной мощности используют формулу в комплексной форме. Например, для генератора расчет имеет вид:

А для потребителя:

Но применим знания на практике и разберемся как рассчитать потребляемую мощность. Как известно мы, обычные потребители, оплачиваем только за потребление активной составляющей электроэнергии:

P=S*cosФ

Здесь мы видим, новую величину cosФ. Это коэффициент мощности, где Ф – это угол между активной и полной составляющей из треугольника. Тогда:

cosФ=P/S

В свою очередь реактивная мощность рассчитывается по формуле:

Q = U*I*sinФ

Для закрепления информации, ознакомьтесь с видео лекцией:

Всё вышесказанное справедливо и для трёхфазной цепи, отличаться будут только формулы.

Продольная компенсация

Продольная компенсация производится методом варистора или разрядника.

Продольная компенсация реактивной мощности

Сам процесс происходит из-за наличия резонанса, который образуется из-за направления индуктивных зарядов друг другу на встречу. Данная технология и теория компенсации мощности применяется для реактивных и тяговых двигателей, сталеплавильной или станочной техники Гармоники, к примеру, и именуется еще искусственная.

Техническая сторона компенсации

Существует огромное количество производителей и типов установок конденсаторных установок:

  • тиристорные;
  • регуляторы на ферросплавном материале (Чехия);
  • резисторные (производятся в Петербурге);
  • низковольтные;
  • реакторы детюнинг (Германия);
  • модульные – самые новые и дорогостоящие на данный момент приборы;
  • контакторы (Украина).

Их стоимость разнится в зависимости от организации, для боле точной и исчерпывающей информации посетите форум, где обсуждается компенсаций реактивной мощности.

Как посчитать баланс мощностей между сетями 0.4 кВ и 6 (10) кВ.

Расчетные значения активной Рр и реактивной Qр мощности определяются, как Рр = Рмакс + ΔРт и Qр = Qмакс + ΔQт, где ΔРт и ΔQт потери мощности в трансформаторах по паспортным данным или приближенно по формулам ΔРт = 0.02*Sр и ΔQт = 0.1*Sр, где полная расчетная мощность Sр = √(P²+Q²)

Устанавливают заданные по ТУ или расчетные входные реактивные мощности QЭ1 и QЭ2, которые будут переданы из сети электросетевой компании в сеть объекта в режимах наибольшей и наименьшей активных нагрузок:

Читайте также:  Импульсный стабилизатор напряжения — принцип работы стабилизатора

QЭ1 принимается по меньшему значению, определяемому из формул QЭ1 = Qр – 0.7*Qсд и QЭ1 = α*Рр, где Qсд – реактивная мощность, генерируемая синхронными двигателями (см. выше или при отсутствии синхронных двигателей в сети Qсд = 0), α – расчетный коэффициент из таблицы ниже Таблица. Расчетные коэффициенты α для энергосистем разных регионов.

Энергетические системы по регионкам Значение коэффициента α для шин 6-20 кВ при высшем напряжении
35 кВ 110-150 кВ 200-330 кB
Северо — Запада, Центра, Средней Волги, Юга, Казахстана 0,23 0,28 0,37
Средней Азии 0,30 0,35 0,47
Сибири 0,24 0,29 0,40
Урала 0,27 0,31 0,42
Северного Кавказа, Закавказья 0,22 0,26 0,34
Востока 0,20 0,35 0,32

QЭ2 устанавливается по большему предельному значению из формул QЭ2 = Qмин – (Qр — QЭ1) и QЭ2 = Qмин + Qк, где Qк – реактивная мощность, генерируемая эксплуатируемыми установками при их наличии (при отсутствии Qк = 0 и QЭ2 = Qмин).

Определение емкости конденсаторов

При проектировании УКРМ следует уделить внимание расчету ёмкости и мощности конденсаторных установок. Важно это по той причине, что в случае неправильного выбора этих параметров установка может нанести электросети больше вреда, чем пользы. Формула для расчета необходимой ёмкости конденсатора имеет следующий вид.

Ёмкость конденсатора

Здесь:

  • C – ёмкость конденсаторной установки, Ф;
  • U – сетевое напряжение, В;
  • f – частота, Гц;
  • Q – реактивная мощность конденсатора, вар;
  • p – 3.14.

Переменная Q, в свою очередь, определяется по следующему выражению.

Реактивная мощность конденсатора

Где:

  • P – активная мощность потребителя;
  • К – коэффициент, подбираемый из таблицы.

Таблица для расчёта УКРМ

Дополнительная информация. На просторах интернета полно ресурсов, содержащих в себе калькуляторы для онлайн расчета различных параметров компенсаторов.

Как посчитать число и мощность трансформаторов.

Определяют удельную плотность нагрузки трансформаторов по расчетной полной мощности Sр и площади объекта F, а именно σ = Sр/F

Устанавливают пороговые значения номинальной мощности трансформаторов Sнт по удельной плотности нагрузки с учетом того, что:

  • при σ ˂ 0.2 кВА/м² целесообразны трансформаторы мощностью до 1000 кВА;
  • при σ ˂ 0.2-0.3 кВА/м² целесообразны трансформаторы мощностью 1600 кВА;
  • при σ > 0.3 кВА/м² целесообразны трансформаторы мощностью 1600 кВА или 2500 кВА.

Таблица. Рекомендуемая номинальная мощность трансформатора при различной удельной плотности нагрузки.

Удельная плотность нагрузки σ кВА 0,05 0,08-0,14 0,15-0,2 0,21-0,3 0,3-0,35
Номинальная мощность Sнт кВА 400 630 1000 1600 2500

Находят число трансформаторов (с округлением в сторону большего целого значения) Nт = Рмакс/(Кз*Sнт), где Кз – коэффициент загрузки трансформатора, который принимают равным:

  • Кз = 0.65-0.7 при преобладании нагрузок I категории для двухтрансформаторной подстанции;
  • Кз = 0.7-0.8 при преобладании нагрузок II категории для однотрансформаторных ТП и взаимном резервировании на стороне низшего напряжения;
  • Кз = 0.9-0.95 при нагрузках II категории и наличии складского резерва, а также при преобладании нагрузок III категории.

Мгновенное значение мощности. В цепи, содержащей активное, индуктивное и емкостное сопротивления, в которой ток I и напряжение u в общем случае сдвинуты по фазе на некоторый угол ?, мгновенное значение мощности р равно произведению мгновенных значений силы тока i и напряжения u. Кривую мгновенной мощности р можно получить перемножением мгновенных значений тока i и напряжения u при различных углах ?t (рис. 199, а. Из этого рисунка видно, что в некоторые моменты времени, когда ток и напряжение направлены навстречу друг другу, мощность имеет отрицательное значение. Возникновение в электрической цепи отрицательных значений мощности является вредным. Это означает, что в такие периоды времени приемник возвращает часть полученной электроэнергии обратно источнику; в результате уменьшается мощность, передаваемая от источника к приемнику. Очевидно, что чем больше угол сдвига фаз ?, тем больше время, в течение которого часть электроэнергии возвращается обратно к источнику, и тем больше возвращаемая обратно энергия и мощность.

Активная и реактивная мощности. Мгновенная мощность может быть представлена в виде суммы двух составляющих 1 и 2 (рис. 199,б). Составляющая 1 соответствует изменению мощности в цепи с активным сопротивлением (см. рис. 175,б).

Среднее ее значение, которое называют активной мощностью,

P = UI cos ? (75)

Она представляет собой среднюю мощность, которая поступает от источника к электрическим установкам при переменном токе.

Составляющая 2 изменяется подобно изменению мощности в цепи с реактивным сопротивлением (индуктивным или емкостным, см. рис. 179, а и б). Среднее ее значение равно нулю, поэтому для оценки этой составляющей пользуются ее амплитудным значением, которое называют реактивной мощностью:

Q = UI sin ? (76)

Рассматривая кривые мощности (см. рис. 199,б), можно установить, что только активная мощность может обеспечить преобразование в приемнике электрической энергии в другие виды энергии. Эта мощность в течение всего периода имеет положительный знак, т. е. соответствующая ей электрическая энергия 2, называемая активной, непрерывно переходит от источника 1 к приемнику 4 (рис. 200, а). Реактивная мощность никакой полезной работы создать не может, так как среднее значение ее в течение одного периода равно нулю. Как видно из рис. 199,б, эта мощность становится то положительной, то отрицательной, т. е. соответствующая ей электрическая энергия ,3, называемая реактивной,

Рис. 199. Зависимость мгновенной мощности р (а) и ее составляющих (б) от угла ?t

Рис. 200. Диаграмма, иллюстрирующая передачу электрической энергии между источником и приемником, содержащим активное и реактивное сопротивления, при отсутствии компенсатора (а) и при наличии его (б): 1 — источник; 2,3 — условные изображения активной и реактивной энергии; 4 — приемник; 5 — компенсатор

Возникновение реактивной мощности в цепи переменного тока возможно только при включении в эту цепь накопителей энергии, таких как катушка индуктивности или конденсатор. В первом случае электрическая энергия, поступающая от источника, накапливается в электромагнитном поле катушки индуктивности, а затем отдается обратно; во втором случае она накапливается в электрическом поле конденсатора, а затем возвращается обратно к источнику. Постоянная циркуляция реактивной мощности от источника к приемникам загружает генераторы переменного тока и электрические сети реактивными токами, не создающими полезной работы, и тем самым не дает возможности использовать их по прямому назначению для выработки и передачи потребителям активной мощности. Поэтому в производственных условиях стараются по возможности уменьшить реактивную мощность, потребляемую электрическими установками.

Полная мощность. Источники электрической энергии переменного тока (генераторы и трансформаторы) рассчитаны на определенный номинальный ток Iном и определенное номинальное напряжение Uном, которые зависят от конструкции машины, размеров ее основных частей и пр. Увеличить значительно номинальный ток или номинальное напряжение нельзя, так как это может привести к недопустимому нагреву обмоток машины или пробою их изоляции. Поэтому каждый генератор или трансформатор может длительно отдавать без опасности аварии только вполне определенную мощность, равную произведению его номинального тока на номинальное напряжение. Произведение действующих значений тока и напряжения называется полной мощностью,

S = UI

Следовательно, полная мощность представляет собой наибольшее значение активной мощности при заданных значениях тока и напряжения. Она характеризует ту наибольшую мощность, которую можно получить от источника переменного тока при условии, что между проходящим по нему током и напряжением отсутствует сдвиг фаз. Полную мощность измеряют в вольт-амперах (В*А) или киловольт-амперах (кВ*А).

Связь между мощностями Р, Q и S можно определить из векторной диаграммы напряжений (рис. 201, а). Если умножить на ток I все стороны треугольника ABC, то получим треугольник мощностей А’В’С’ (рис. 201,б), стороны которого равны Р, Q и S. Из треугольника мощностей имеем:

S = ?(P2 + Q2)

Из этого выражения следует, что при заданной полной мощности S (т. е. напряжении U и токе I) чем больше реактивная мощность Q, которая проходит через генератор переменного тока или трансформатор, тем меньше активная мощность Р, которую он может отдать приемнику. Иными словами, реактивная мощность не позволяет полностью использовать всю расчетную мощность источников переменного тока для выработки полезно используемой электрической энергии. То же самое относится и к электрическим сетям. Ток I = ?(Ia2+Ip2), который можно безопасно пропускать по данной электрической сети, определяется, главным образом, поперечным сечением ее проводов. Поэтому если часть Iр проходящего по сети тока (см. рис. 194,б) идет на создание реактивной мощности, то должен быть уменьшен активный ток Iа, обеспечивающий создание активной мощности, которую можно пропустить по данной сети.

Рис. 201. Векторная диаграмма напряжений (а) и треугольник мощностей (б) для цепи переменного тока

Если задана активная мощность Р, то при увеличении реактивной мощности Q возрастут реактивный ток Iр и общий ток I, проходящий по проводам генераторов переменного тока, трансформаторов, электрических сетей и приемников электрической энергии. При этом увеличиваются и потери мощности ?Р = I2Rпp в активном сопротивлении Rпp этих проводов.

Таким образом, бесполезная циркуляция электрической энергии между источником переменного тока и приемником, обусловленная наличием в нем реактивных сопротивлений, требует также затраты определенного количества энергии, которая теряется в проводах всей электрической цепи.

Коэффициент мощности. Из формулы (75) следует, что активная мощность Р зависит не только от тока I и напряжения U, но и от величины cos?, называемой коэффициентом мощности:

cos ? = P/(UI) = P/S = P/?(P2 + Q2)

По значению cos ? можно судить, как использует мощность источника данный приемник или электрическая цепь. Чем больше cos ?, тем меньше sin ?, следовательно, согласно формулам (75) и (76) при заданных U и I, т. е. S, тем больше активная и меньше реактивная мощности, отдаваемые источником. При повышении cos ? и постоянной активной мощности Р, поступающей в приемник, уменьшается ток в цепи I = P/(U cos ?). При этом уменьшаются потери мощности ?P = I2Rпp в проводах и обеспечивается возможность дополнительной загрузки источника и электрической сети, т. е. лучшего их использования. Если приемник питается от источника при неизменном токе нагрузки, то повышение cos ? ведет к возрастанию активной мощности Р, используемой приемником. При cos?=1 реактивная мощность равна нулю, и вся мощность, отдаваемая источником, является активной. Поэтому на всех предприятиях и во всех отраслях народного хозяйства стремятся всемерно повышать коэффициент мощности и доводить его по возможности до единицы.

Значения коэффициента мощности электрических установок переменного тока различны. Электрические лампы обладают, главным образом, активным сопротивлением, поэтому при их включении сдвиг фаз между током и напряжением практически отсутствует. Следовательно, для осветительной нагрузки коэффициент мощности можно считать равным единице. Коэффициент мощности для двигателей переменного тока зависит от нагрузки. При номинальной расчетной нагрузке двигателя cos? = 0,8-0,9, а у крупных двигателей даже выше. При недогрузке двигателей коэффициент мощности их резко снижается (при холостом ходе cos ? = 0,25-0,3).

Повышение коэффициента мощности. Cos ? повышают различными способами. Основной из них — включение параллельно приемникам электрической энергии специальных устройств, называемых компенсаторами. В качестве последних чаще всего используют батареи конденсаторов (статические компенсаторы), но могут быть применены также и синхронные электрические машины (вращающиеся компенсаторы).

Способ повышения cos ? с помощью статического компенсатора (рис. 202, а) называют компенсацией сдвига фаз, или компенсацией реактивной мощности. При отсутствии компенсатора от источника к приемнику, содержащему активное и индуктивное сопротивления, поступает ток i1 который отстает от напряжения и на некоторый угол сдвига фаз ?1. При включении компенсатора Хс по нему проходит ток ic, опережающий напряжение и на 90°. Как видно из векторной диаграммы (рис. 202,б), при этом в цепи источника будет проходить ток i1 и угол сдвига фаз его ? относительно напряжения также будет меньше ?1.

Для полной компенсации угла сдвига фаз ?, т. е. для получения cos ? =1 и минимального значения тока Imin, необходимо, чтобы ток компенсатора Iс был равен реактивной составляющей I1p = I1 sin ?1 тока I1. При включении компенсатора 5 (см. рис. 200,б) источник 1 и электрическая сеть разгружаются от реактивной энергии 3, так как она циркулирует уже по цепи «приемник — компенсатор». Благодаря этому достигаются существенное повышение использования генераторов переменного тока и электрических сетей и уменьшение потерь энергии, возникающих при бесполезной циркуляции реактивной энергии между источником 1 и приемником 4. Компен-

Рис. 202. Схема, иллюстрирующая способ повышения cos ? с помощью компенсатора (а), и векторная диаграмма (б)

сатор в этом случае выполняет роль генератора реактивной энергии, так как токи Iсв конденсаторе и I в катушке индуктивности (см, рис. 202,б) направлены навстречу один другому (первый опережает по фазе напряжение на 90°, второй отстает от него на 90°), вследствие чего включение компенсатора уменьшает общий реактивный ток Iр и сдвиг фаз между током I и напряжением U. При надлежащем подборе реактивной мощности компенсатора можно добиться, что вся реактивная энергия 3 (см. рис. 200,б), поступающая в приемник 4, будет циркулировать внутри контура «приемник — компенсатор», а генератор и сеть не будут участвовать в ее передаче. При этих условиях от источника 1 к приемнику 4 будет передаваться только активная мощность 2, т. е. cos ? будет равен единице.

В большинстве случаев по экономическим соображениям в электрических установках осуществляют неполную компенсацию угла сдвига фаз и ограничиваются значением cos ? = 0,95.

Активная, реактивная и полная (кажущаяся) мощности

Простое объяснение с формулами

Активная мощность (P)

Другими словами активную мощность можно назвать: фактическая, настоящая, полезная, реальная мощность. В цепи постоянного тока мощность, питающая нагрузку постоянного тока, определяется как простое произведение напряжения на нагрузке и протекающего тока, то есть

P = V I

потому что в цепи постоянного тока нет понятия фазового угла между током и напряжением. Другими словами, в цепи постоянного тока нет никакого коэффициента мощности.

Но при синусоидальных сигналах, то есть в цепях переменного тока, ситуация сложнее из-за наличия разности фаз между током и напряжением. Поэтому среднее значение мощности (активная мощность), которая в действительности питает нагрузку, определяется как:

P = V I Cosθ

В цепи переменного тока, если она чисто активная (резистивная), формула для мощности та же самая, что и для постоянного тока: P = V I.

Формулы для активной мощности

P = V I – в цепях постоянного тока

P = V I cosθ – в однофазных цепях переменного тока

P = √3 VL IL cosθ – в трёхфазных цепях переменного тока

P = 3 VPh IPh cosθ

P = √ (S2 – Q2) или

P =√ (ВА2 – вар2) или

Активная мощность = √ (Полная мощность2 – Реактивная мощность2) или

кВт = √ (кВА2 – квар2)

Реактивная мощность (Q)

Также её мощно было бы назвать бесполезной или безваттной мощностью.

Мощность, которая постоянно перетекает туда и обратно между источником и нагрузкой, известна как реактивная (Q).

Реактивной называется мощность, которая потребляется и затем возвращается нагрузкой из-за её реактивных свойств. Единицей измерения активной мощности является ватт, 1 Вт = 1 В х 1 А. Энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля или электрического поля в случае, соответственно, индуктивности или конденсатора.

Реактивная мощность определяется, как

Q = V I sinθ

и может быть положительной (+Ve) для индуктивной нагрузки и отрицательной (-Ve) для емкостной нагрузки.

Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивный (вар): 1 вар = 1 В х 1 А. Проще говоря, единица реактивной мощности определяет величину магнитного или электрического поля, произведённого 1 В х 1 А.

Формулы для реактивной мощности

Q = V I sinθ

Реактивная мощность = √ (Полная мощность2 – Активная мощность2)

вар =√ (ВА2 – P2)

квар = √ (кВА2 – кВт2)

Полная мощность (S)

Полная мощность – это произведение напряжения и тока при игнорировании фазового угла между ними. Вся мощность в сети переменного тока (рассеиваемая и поглощаемая/возвращаемая) является полной.

Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока в цепи переменного тока называется полной мощностью.

Она является произведением значений напряжения и тока без учёта фазового угла. Единицей измерения полной мощности (S) является ВА, 1 ВА = 1 В х 1 А. Если цепь чисто активная, полная мощность равна активной мощности, а в индуктивной или ёмкостной схеме (при наличии реактивного сопротивления) полная мощность больше активной мощности.

Формула для полной мощности

S = V I

Полная мощность = √ (Активная мощность2 + Реактивная мощность2)

kVA = √(kW2 + kVAR2)

Следует заметить, что:

  • резистор потребляет активную мощность и отдаёт её в форме тепла и света.
  • индуктивность потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме магнитного поля.
  • конденсатор потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме электрического поля.

Все эти величины тригонометрически соотносятся друг с другом, как показано на рисунке:

image

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий