Активная мощность переменного тока – Активная, реактивная и полная мощность в цепи переменного тока

формулы, составляющие и особенности применения

В 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.

Особенности переменного тока

Формула 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.


220v.guru

Мощность переменного тока — fiziku5.ru

(1.18)

Энергия в катушке индуктивности не расходуется. В первую чет­верть периода она запасается в ее магнитном поле, а во вторую — отдается источнику тока. Произведение напряжения UL на величи­ну силы тока I в цепи называется реактивной мощностью.

В рассмотренной цепи активная мощность равна нулю, так как энергия в ней не расходуется, сдвиг по фазе между векторами тока I и напряжением U равен 90 ° и cos φ = 0.

Переменный ток в цепи с последовательными активным и индук­тивным сопротивлениями. Теперь рассмотрим цепь с реальной ка­тушкой, которую можно представить как цепь с последовательно включенными индуктивностью L и активным сопротивлением R (рис. 1.7). Если в цепи с последовательными активным и индуктив­ным сопротивлениями протекает переменный синусоидальный ток, то напряжение на индуктивности, как было установлено ранее, опережает ток на 90°, а напряжение на активном сопротивлении совпадает с ним по фазе.

Так как напряжения UL, UR по фазе не совпа­дают, то напряжение, приложенное ко всей цепи, равно их геомет­рической сумме. Сложив векторы UL и UR, нахо­дим величину вектора U, который сдвинут по фазе относительно вектора тока I на угол φ < 90°, опережая его. Таким об­разом, в цепи переменно­го тока с последователь­но соединенным активным сопротивлением и катушкой индуктивно­сти ток отстает по фазе от напряжения.

Построив векторную диаграмму, рассмотрим треугольник со сто­ронами UL, UR, U. Этот треугольник называется треугольником напря­жений. Так как он прямоугольный, то

(1.19)

Из треугольника напряжений можно получить подобный ему треугольник сопротивлений со сторонами R, XL и Z Из этого треу­гольника полное сопротивление цепи равно:

(1.20)

Так как сдвиг по фазе между током и напряжением меньше 90°, то энергия в такой цепи расходуется лишь на активном со­противлении R.

Активная мощность при этом равна:

(1.21)

Цепь переменного тока с емкостью. Если к источнику перемен­ного тока подключить конденсатор, то в цепи появится ток. Спо­собность конденсатора пропускать переменный ток объясняется тем, что под действием переменного синусоидального напряже­ния конденсатор периодически заряжается и разряжается, вслед­ствие чего происходит перемещение электрических зарядов в про­водниках, соединяющих конденсатор с источником тока. Соотно­шение фаз тока и напряжения представлено на рис. 1.8. В и, епи с емкостью ток опережает по фазе напряжение на 90°. Закон Ома для цепи переменного тока с емкостью определяет действующее зна­чение силы тока:

(1.22)

Величина называется емкостным сопротивлением. Она обратно пропорциональна частоте тока в цепи и емкости конден­сатора. Измеряется в омах (Ом).

1.9.  Мощность переменного тока

Для цепей переменного тока различают активную, полную и реактивную мощности.

Активная мощность представляет собой действительную мощ­ность переменного тока, аналогичную мощности, развиваемой постоянным током. Она производит полезную работу; может быть преобразована с помощью электродвигателей в механическую мощ­ность, механическую энергию; измеряется в ваттах (Вт) и опреде­ляется по формуле

(1.23)

Полной мощностью называют максимально возможную величи­ну активной мощности, развиваемую переменным током при за­данных значениях напряжения и силы тока и при наиболее благо­приятных условиях, а именно, когда cos φ = 1. Полная мощность обозначается латинской буквой S и измеряется в вольт-амперах (В-А). Из определения полной мощности следует выражение

(1.24)

Сравнивая между собой формулы (1.23) и (1.24), находим со­отношение между активной и полной мощностями:

(1.25)

(1.26)

Полной мощностью (кВ А) принято измерять мощность гене­раторов переменного тока, машин, производящих электроэнер­гию, и трансформаторов, аппаратов, предназначенных для преоб­разования электрической энергии одного напряжения в электри­ческую энергию другого напряжения. Полная мощность этих ма­шин определяется произведением номинальных (нормальных) ве­личин их напряжения и силы тока (т. е. величин этих параметров, на которые рассчитаны машины). А активная их мощность зависит от коэффициента мощности, при котором они работают (Р= Scosφ). В свою очередь этот коэффициент мощности зависит от соотноше­ния величин активного и реактивного сопротивления, включен­ных в цепь, иными словами, от характера электроприемников, питаемых данным генератором или трансформатором.

Реактивная мощность. Для рассмотрения реактивной мощнос­ти необходимо иметь представление об активной и реактивной со­ставляющих переменного тока. Сравнивая между собой формулы для определения мощности переменного и постоянного тока, мож­но видеть, что на месте полной величины силы тока I в формуле мощности стоит выражение I cos φ, где cos φ — величина, меньше единицы (и только в отдельных случаях равная ей). Отсюда следу­ет, что в цепях переменного тока не весь ток создает полезную, активную мощность, а только некоторая его часть, которая на­зывается активной составляющей тока.

Проекция вектора тока на горизонталь­ное направление, перпендикулярное вектору напряжения, равная /sin<p, называется ре­активной составляющей переменного тока. Реактивная составляющая тока не участвует в создании активной мощности.

Произведение действующего в цепи на­пряжения на реактивную составляющую тока носит название реактивной мощности и обо­значается латинской буквой Q. Реактивная мощность измеряется в единицах, называе­мых «вар». Из приведенного определения ре­активной мощности вытекает соотношение

(1.27)

где Q — реактивная мощность, вар; U — напряжение, В; I — сила тока, A; sin φ — числовой коэффициент, зависящий от угла сдвига фаз в данной цепи.

Реактивная мощность, так же как и реактивная составляющая тока, характеризует собой ту энергию, которая идет на создание магнит­ного поля индуктивности или электрического поля конденсатора (если последний включен в данную цепь). Эта энергия в процессе протека­ния переменного тока в цепях со сдвигом фаз совершает непрерыв­ные колебания между источником энергии и ее потребителем.

Активная, реактивная и полная мощности переменного тока связаны между собой соотношением

(1.28)

Это соотношение можно представить как векторную диаграм­му, получаемую на основании диаграммы напряжений или токов, носящую название «треугольника мощностей» (рис. 1.9). Два катета этого треугольника представляют собой в том или ином масштабе активную и реактивную мощности (соответственно в кВт и квар), а гипотенуза — полную мощность (в кВ-А). Угол ср численно равен углу сдвига фаз тока и напряжения в цепи. Значение косинуса это­го угла называют коэффициентом мощности.

1.10.  Понятие о трехфазном токе и его получении

Трехфазной системой называется совокупность трех однофаз­ных цепей, в которых действуют три ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе одна относительно другой на 120°. Такая систе­ма получила наиболее широкое распространение, ибо она позво­ляет при передаче одной и той же мощности получить экономию металла в проводах, уменьшить потери энергии и создать простые и удобные в эксплуатации трехфазные двигатели переменного тока.

На рис. 1.10 показана система, состоящая из трех отдельных генераторов (рис. 1.10, б), и упрощенная схема генератора трех­фазного тока (рис. 1.10, а). Трехфазный генератор имеет три об­мотки, в которых индуктируются три ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Каждая обмотка называется фазой, а напряжение на фазе — фазным напряжением (£/ф). Нагрузка подключается к обмоткам ге­нератора линейными проводами и нулевым проводом, который в некоторых случаях может отсутствовать.

Напряжение между линейными проводами называется линейным напряжением (Un). Ток в фазе генератора или нагрузки называется фазным током, а ток в линейном проводе — линейным током. Обмот­ки генератора и нагрузка могут включаться в «звезду» или в «треу­гольник». На рис. 1.11 показано соединение в «звезду»: начало или

концы обмоток генератора соединяют в одну точку. К оставшимся концам обмоток подключают линейные провода, а к общей точке — нулевой провод. Если нагрузка равномерная, то нулевой провод не нужен, ибо он обеспечивает независимость работы фаз при неравно­мерной нагрузке, когда по нему текут уравнительные токи.

Линейное напряжение при соединении в «звезду» в — Д раз боль­ше фазного, линейные и фазные токи одинаковы:

(1.29)

Чтобы соединить обмотки генератора в «треугольник», необхо­димо конец первой обмотки соединить с началом второй; конец второй — с началом третьей; конец третьей — с началом первой. Линейные провода подключают к точкам соединения фаз (рис. 1.12).

При соединении в «треугольник» линейные и фазные напряже­ния равны, а линейный ток в 7з раз больше фазного:

(1.30)

Мощность трехфазной системы складывается из мощностей каждой фазы. Чтобы найти общую мощность, надо по формуле Р=IФUФcosφ определить мощность в каждой фазе и все три мощ­ности сложить. Так поступают при любых нагрузках.

Общая мощность может быть определена по формуле

(1.31)

если нагрузка равномерная, т. е. если сопротивление и характер нагрузки всех трех фаз одинаковы.

1.11. Электроизмерительные приборы

Электроизмерительными приборами называются приборы, слу­жащие для измерения электрических величин. Они классифициру­ются по следующим признакам:

по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, оммет­ры, ваттметры и комбинированные;

по роду тока: приборы постоянного тока, переменного тока и комбинированные;

по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнит­ные, электродинамические, индукционные, термоэлектрические, электростатические, электронные и др.;

по погрешностям измерений: на восемь классов — 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры показывают максимальную погрешность в процентах, которая возможна у прибора данного класса. Напри­мер, погрешность показаний амперметра класса 1,5 не превышает ±1,5%.

Существует два основных метода электрических измерений: метод непосредственной оценки; метод сравнения.

В методе непосредственной оценки измеряемая величина от­считывается непосредственно по шкале прибора. Достоинство ме­тода — удобство отсчета показаний прибора и малая затрата вре­мени на операцию измерения. Недостаток — сравнительно невы­сокая точность измерений.

В методе сравнения измеряемая величина сравнивается непос­редственно с эталоном. Метод сравнения используется в лабора­торных условиях.

Кроме обычных показывающих приборов, которые указывают то или иное измерение на данный момент времени (обычно стрелкой на шкале прибора) существуют самопишущие измерительные приборы, записывающие непрерывно на движущейся ленте свои показания.

Условные обозначения, определяющие основные характерис­тики прибора, выносятся на шкалу электроизмерительного при­бора (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Основные условные обозначения, выносимые на шкалу электроизмерительного при­бора

1,5

Класс точности 1,5

Постоянный ток

Переменный (однофазный) ток

Постоянный и переменный токи

Трехфазный ток

Прибор магнитоэлектрической системы

Прибор электромагнитный системы

Прибор электродинамической системы

Прибор индукционной системы

Прибор устанавливается горизонтально; вертикально; под углом 60“

Изоляция прибора испытана при напряжении 2 кВ

А

Для закрытых отапливаемых помещений

Б

Для закрытых неотапливаемых помещений

В

Для полевых и морских условий

Пример. На шкале прибора имеются следующие условные обозначе­ния: 2,5; ;;;; Б. Это значит, что погрешность при из­ мерении — 2,5%; род тока — постоянный и переменный; электромагнит­ная измерительная система; вертикальная установка; изоляция испытана при напряжении 2 кВ; прибор предназначен для установки в закрытых неотапливаемых помещениях.

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

2.1.  Общие сведения

Электрические машины, действия которых основаны на элект­ромагнитных явлениях и которые служат для преобразования ме­ханической энергии в электрическую, называют электромашинными генераторами, а преобразующие электрическую энергию в механическую — электродвигателями. Применяют также электри­ческие машины для преобразования электрической энергии одних параметров в другие, которые называют преобразователями. Пре­образовываться могут: род тока, частота, напряжение, число фаз и другие параметры электроэнергии.

Электрические генераторы приводятся во вращение паровыми и водяными турбинами, двигателями внутреннего сгорания и др. Электродвигатели служат для приведения в действие станков, раз­личных машин, транспортного оборудования и др.

К электрическим машинам относят трансформаторы — стати­ческие аппараты, не имеющие движущихся частей, но по своему устройству и принципу действия имеющие много общего с элект­рическими машинами.

Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать генератором. Если их вращать каким-либо двигате­лем или подводить к ним электроэнергию, они могут использо­ваться как электродвигатели. Однако при проектировании элект­ромашин учитывают требования, предъявляемые особенностями их работы генератором или электродвигателем.

Электрические машины подразделяются на машины перемен­ного и постоянного тока.

Электрические машины переменного тока разделяют на синх­ронные, асинхронные, коллекторные.

Наибольшее применение имеют синхронные генераторы пере­менного трехфазного тока и трехфазные асинхронные электродви­гатели. Коллекторные электродвигатели переменного тока имеют ограниченное применение вследствие сложности устройства, об­служивания и более высокой стоимости. Основным их преимуще­ством является возможность регулирования скорости вращения в широких пределах, что затруднительно в асинхронных двигателях.

fiziku5.ru

Мощность в цепях переменного тока

13
МОЩНОСТИ
В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

В
большинстве случаев электрические цепи
содержат как ак­тивное, так и реактивное
сопротивления. К такого рода цепям
от­носятся, в частности, двигатели
переменного тока, трансформаторы и
другие устройства. В этих цепях между
напряжением U и
током I существует
сдвиг фаз .
Если к цепи приложено синусоидальное напряжение

то ток
в цепи

Мгновенная
мощность цепи

Выражение,
стоящее в квадратных скобках, можно на
основа­нии тригонометрической формулы
представить как разность ко­синусов

Таким
образом,

Среднее
значение мгновенной мощности за период
равно UL cos ,
так как среднее значение соs (2wt — )
за период равно нулю. Следовательно,
активная мощность цепей переменного
тока определяется в общем случае
формулой

Множитель  соs    называют    коэффициентом    мощности.

Учитывая,
что  получаем

Активная
мощность измеряемся в ваттах (вт) или
в киловаттах (квт).

 

Произведение Рt называется активной энергией и
измеряется в втсек или
в квт ч: 1 квт ч =
3800 втсек
(дж).

Активная
энергия, потребляемая электрической
цепью, пол­ностью преобразуется в
тепло в активном сопротивлении этой
цепи и обратно к источнику не
возвращается.

Если
величины сторон треугольника сопротивлений
(рис. 165, а) умножить на величину I2 (рис.
165, б), то получим треугольник мощностей
(рис. 165, в). Все стороны этого
треугольника показанногоотдельно
на рис.  166, представляют собой
мощности.

Катет,
прилегающий к углу ,
представляет собой известную нам
активную мощность Р:

Активная
мощность в цепях переменного тока
преобразуется в тепло. В двигателях
переменного тока большая часть
активной мощности превращается в
механическую мощность, остальная Часть
также преобразуется в тепло.

Катет,
лежащий против угла ,
есть реактивная мощность Q:

Реактивная
мощность обусловлена наличием магнитных
и электрических полей в электрических
цепях.

Как
уже указывалось, реактивная мощность
характеризует интенсивность обмена
энергией между источником, с одной
стороны, и магнитными и электрическими
полями — с другой.

Реактивная
мощность изме­ряется в вольт-амперах
реактив­ных (вар) или киловольт-амперах
реактивных (тар).

Гипотенуза  треугольника  мощностей   представляет  собой
полную мощность S:

Она
измеряется в вольт-ампе­рах (ва) или
киловольт-амперах (ква). Величина
полной мощности равная
произведению UI, определяет
основные габариты (наибольшие размеры)
генераторов и трансформаторов. В самом
деле, величина тока I определяет
необходимое по условиям на­грева
сечение проводов генераторов и
трансформаторов, а число
витков   обмоток,   их   изоляция,  а
также размеры магнитопроводов
пропорциональны величине напряжения U.

Таким
образом, чем больше значения U и I,
на которые рассчитываются генераторы
и трансформаторы, тем больше должны
быть их размеры.

Рассмотрим
электрическую цепь, показанную на рис.
167, в которую входят индуктив­ное и
активное сопротивления и измерительные
приборы — амперметр, вольтметр и
ватт­метр. Об устройстве ваттметра
будет рассказано далее (см. главу
одиннадцатую).

1.
Если подключить эту цепь к постоянному
напряжению U = 120 в, то,
поскольку индуктивное сопротивление xL при
по­стоянном токе будет равно нулю, в
цепи остается одно активное сопротивление  r и  тогда

Амперметр
покажет ток 5 а.

Мощность

или

Ваттметр
покажет 600 вт. Показание ваттметра,
включенного в цепь постоянного тока,
равно произведению показаний вольт­метра
и амперметра.

2.
Подключим ту же цепь к переменному
напряжению U= 120в.

В
этом случае

Ток
в цепи

Амперметр
покажет ток 4 а.

Подсчитаем
мощность, идущую на нагрев:

Действительно,
активная мощность, потребляемая цепью,
равна

Показание
ваттметра в этом случае будет 384 вт.

 Полная
мощность

Следовательно,
генератор, питающий эту цепь, отдает
полную мощность S =
480 ва. Но в самой цепи только активная
мощность Р =
384  вт.  безвозвратно  преобразуется  в  тепло.

Отсюда
видно, что цепь переменного тока,
содержащая наряду с активным сопротивлением
индуктивное, из всей получаемой ею
энергии только часть расходует на тепло.
А остальная часть — реактивная энергия
— то поступает в цепь от генератора и
запа­сается в магнитном поле катушки,
то возвращается обратно гене­ратору.


Баланс
мощностей в цепях переменного
тока

Коэффициент
мощности


Генератор
или электрооборудование энергетически
выгодно эксплуатировать, если оно
совершает максимальную работу. Работа
в электрической цепи определяется
активной мощностью Р.
Коэффициент
мощности показывает, насколько эффективно
используется генератор или
электрооборудование

λ=P/S=cosφ≤1

С
уменьшением коэффициента мощности
стоимость потребляемой электроэнергии
возрастает .

Способы
увеличения коэффициента мощности

Мощность
максимальна в случае, когда Р = S, т.е. в
случае резистивной цепи.
Генератор
осуществляет только необратимые
преобразования энергии и не участвует
в колебательных процессах обмена
энергией с электромагнитным полем
приемников, в режиме максимальной
мощности.
Потребители электрической
энергии в основном имеют схему замещения
RL элемента, поэтому увеличение коэффициента
мощности возможен с помощью компенсации
реактивной мощности подключением
емкостного элемента (QL-QС), подключение
емкостного элемента снижает ток в линии
электропередачи, что позволяет уменьшить
сечение электропроводов, а это приводит
к экономии электропроводящих
материалов.
Значение коэффициента
мощности в энергосистемах зависит
насколько грамотно эксплуатируется
электротехнические установки и
приборы.
сosφ может снижаться, если
установки работают в режиме холостого
хода, или недогружены. 

studfiles.net

📌 Реактивная мощность — это… 🎓 Что такое Реактивная мощность?

Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.

Мгновенная электрическая мощность

Мгновенная электрическая мощность P (t), выделяющаяся на элементе электрической цепи — произведение мгновенных значений напряжения U (t) и силы тока I (t) на этом элементе:

Если элемент цепи — резистор c электрическим сопротивлением R, то

Мощность постоянного тока

Так как значения силы тока и напряжения постоянны и равны мгновенным значениям в любой момент времени, то среднюю мощность можно вычислить по формулам:

Мощность переменного тока

Активная мощность

Среднее за период Т значение мгновенной мощности называется активной мощностью: . В цепях однофазного синусоидального тока , где U и I — действующие значения напряжения и тока, φ — угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле . В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S активная связана соотношением . Единица активной мощности — ватт (W, Вт). Для СВЧ электромагнитного сигнала, в линиях передачи, аналогом активной мощности является мощность, поглощаемая нагрузкой.

Реактивная мощность

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока, равна произведению действующих значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними: Q = UI sin φ. Единица реактивной мощности — вольт-ампер реактивный (var, вар). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Р соотношением: . Реактивная мощность в электрических сетях вызывает дополнительные активные потери (на покрытие которых расходуется энергия на электростанциях) и потери напряжения (ухудшающие условия регулирования напряжения). В некоторых электрических установках реактивная мощность может быть значительно больше активной. Это приводит к появлению больших реактивных токов и вызывает перегрузку источников тока. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности. Для СВЧ электромагнитного сигнала, в линиях передачи, аналогом реактивной мощности является мощность, отраженная от нагрузки.

Необходимо отметить, что величина sinφ для значений φ от 0 до плюс 90 ° является положительной величиной. Величина sinφ для значений φ от 0 до минус 90 ° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sinφ реактивная мощность может быть отрицательной величиной. Но отрицательное значение мощности нагрузки характеризует нагрузку как генератор энергии. Активное, индуктивное, емкостное сопротивление не могут быть источниками постоянной энергии. Модуль величины Q = UI sinφ приблизительно описывает реальные процессы преобразования энергии в магнитных полях индуктивностей и в электрических полях емкостей. Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения. Измерительные преобразователи реактивной мощности, использующие формулу Q = UI sinφ, более просты и значительно дешевле измерительных преобразователей на микропроцессорной технике.

Полная мощность

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока в цепи I и напряжения U на её зажимах: S = U×I; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: , где Р — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0). Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (VA, ВА).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Измерения

Литература

  • Бессонов Л. А. — Теоретические основы электротехники: Электрические цепи — М.: Высш. школа, 1978

Ссылки

См. также

Wikimedia Foundation.
2010.

dic.academic.ru

Мощность: активная, реактивная, полная | Королев Александр

Мощность (электрическая мощность) — физическая и техническая величина в цепях электрического тока. В цепях переменного тока произведение эффективных значений напряжения U и тока I определяет полную мощность, при учете фазового сдвига между током и напряжением – активную и реактивную составляющие мощности, а также коэффициент мощности.Нагрузка — сумма мощностей единиц оборудования. <Номинальная мощность — значение мощности для длительного режима работы, на которое рассчитан источник или потребитель электроэнергии.Полная мощность (“S”), кажущаяся мощность, величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока в цепи “I” и напряжения “U” на её зажимах: S=U*I; для синусоидального тока (в комплексной форме) равна (P2 + Q2), где Р — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0). Измеряется в ВА (Вольт*Ампер), кВА (Кило*Вольт*Ампер). (Источник: «Российский Энциклопедический словарь»).

Мощность полная — вычисляемое значение (или результат измерений), необходимое для определения, например, параметров электрических генераторов. Значение полной мощности в цепи переменного тока есть произведение эффективных значений тока и напряжения. В принципе, работа электрического оборудования основана на преобразовании электрической энергии в другие формы энергии. Электрическая мощность, поглощаемая оборудованием, называется полной мощностью и состоит из активной и реактивной мощностей: S = 3*U*I [VA]

Активная мощность (“P”), среднее за период значение мгновенной мощности переменного тока; характеризует среднюю скорость преобразования электромагнитной энергии в другие формы (тепловую, механическую, световую и т. д.). Измеряется в Вт (W, — ваттах).

Для синусоидального тока (в электрической сети 1-фазного переменного тока) активная мощность равна произведению действующих (эффективных) значений тока “I” и напряжения “U” на косинус угла сдвига фаз между ними: P = I*U*Cos ф. Для 3-фазного тока: (P=3•U•I•Сos φ). (Источник: «Российский Энциклопедический словарь»). Иными словами, это та часть входной мощности, которая превращается в выходную мощность.

Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи “r” или её проводимость “g” по формуле: P = («I» в квадрате)*r = («V» в квадрате)*g. ( P = I2r =V2g).

В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока, активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи. С полной мощностью («S») активная мощность связана соотношением: P = S*Сos ф.

Вся входная мощность, к примеру, полная мощность, должна быть превращена в полезную выходную мощность, указывающуюся как активная мощность, например, реальная выходная мощность мотора. Качество такого превращения мощности обозначается Сos φ, — единый коэффициент мощности.

Мощность активная — физическая и техническая величина, характеризующая полезную электрическую мощность. Мощность активная является активно действующей мощностью, т.е. мощностью, вызывающей воздействие на электрооборудование, например, нагрев, механические усилия. При произвольной нагрузке в цепи переменного тока действует активная составляющая тока, иначе говоря, часть полной мощности, определяемая коэффициентом мощности, является полезной (используемой).

Реактивная мощность («Q»), величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока. Реактивная мощность «Q» для синусоидального тока равна произведению действующих значений напряжения “U” и тока “I”, умноженному на синус угла сдвига фаз между ними: Q = U*I*Sin ф.

Реактивная мощность измеряется в варах [Var – вольт амперная реактивность]. Для 3-фазного тока: Q=3*U*I*Sin φ. (Источник: «Российский Энциклопедический словарь»).

Реактивная мощность, потребляемая в электрических сетях, вызывает дополнительные активные потери (на покрытие которых расходуется энергия на электростанциях) и потери напряжения (ухудшающие условия регулирования напряжения). Реактивная мощность потребляется индуктивной нагрузкой (электродвигателями переменного тока, трансформаторами).

В некоторых электрических установках реактивная мощность может быть значительно больше активной мощности. Это приводит к появлению больших реактивных токов и вызывает перегрузку источников тока. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Электрическое оборудование работает по принципу превращения электромагнитной энергии (например, электромоторы, трансформаторы). Часть входной мощности расходуется на создание и поддержание магнитного поля. Индукционные устройства сдвигают угол между напряжением и током на значение > 0.

Мощность, создаваемая порциями волны “V” и “I”, имеющими противоположные направления (+ и –) и называется реактивной мощностью. Эта часть энергии — магнитная реверсионная энергия. Она не может быть превращена в активную мощность и возвращается в электросеть при изменениях магнитного поля. То же количество энергии будет снова поглощено сетью и затребовано для следующего изменения магнитного поля.

Мощность реактивная – электрическая мощность, которой обмениваются между собой генератор и нагрузка при создании и исчезновении электромагнитного и электростатического полей. Реактивная мощность является составляющей полной мощности, характеризующей коэффициентом реактивности.

Коэффициент мощности, косинус «фи», отношение средней мощности переменного тока к произведению действующих значений напряжения и тока. Наибольшее значение коэффициента мощности равно 1.

В случае синусоидального переменного тока, коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между синусоидами напряжения и тока и определяется параметрами цепи: Сos ф = r/Z, где ф («фи») — угол сдвига фаз, r — активное сопротивление цепи, Z — полное сопротивление цепи.

Коэффициент мощности может отличаться от 1 и в цепях с чисто активными сопротивлениями, если в них содержатся нелинейные участки. В этом случае коэффициент мощности уменьшается вследствие искажения формы кривых напряжения и тока.

Коэффициент мощности электрической цепи — это косинус фазового угла между основаниями кривых напряжения и тока. Согласно другому определению, коэффициент мощности — это соотношение активной и полной энергий. Коэффициент мощности (Сos φ) = Активная мощность/Полная мощность = P/S (Вт/ВА), потребляемых нагрузкой.

Коэффициент мощности — комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения, вносимые нагрузкой в электросеть.

Номинальная мощность (пояснение специалиста)

В электротехнической промышленности принято мощность большинства потребителей определять в Ваттах. Если потребитель активный (чайник, лампа накаливания, ТЭН), то другой информации о нем не требуется, на таких потребителях пишут (как правило) номинальную мощность в Ваттах, номинальное напряжение и все.

Здесь нет вопросов о косинусе «фи», т.к. этот «фи» (угол между током и напряжением данных потребителей) равен нулю, косинус нуля равен 1, — отсюда, активная мощность («P») равна произведению тока через потребитель и напряжению на потребителе, умноженному на этот пресловутый косинус «фи», т.е. P = I*U*Сos (fi) = P = I*U*1 = P=I*U.

У потребителей, имеющих в своем составе не только активное сопротивление, но и любое реактивное (индуктивность, емкость), принято писать на шильдике величину «P» в Ваттах, а так же указывать величину косинуса «фи». Величина косинуса «фи» определяется параметрами самих этих потребителей, а точнее — соотношением их активных и реактивных сопротивлений.

Например, обычный электродвигатель имеет на бирке: P=5кВТ, Сos(fi)=0.85. Это значит следующее: данный двигатель при работе (в номинальном режиме) потребляет активную мощность в размере 5 кВТ и полную мощность «S» равную P/Cos(fi) (кВА) и реактивную мощность «Q» в размере U*I/Sin(fi) или Q = корень из (S^2-P^2) (Вар).

Для нахождения номинального тока двигателя нужно его «S»/3 (так как 3 фазы) и разделить на напряжение в фазе двигателя (220 или 380 для 0.4 кВ двигателей), впрочем, ток указывается, как правило, на шильдике.

Может появиться вопрос, почему же на генераторах (трансформаторах) указывается мощность в ВА (вольт-амперах)? А как ее еще указать?

Допустим, что на шильдике трансформатора указана мощность 1000 кВт. Это должно значить, что, если я подцеплю кучу ТЭНов к данному трансформатору, то мощность, отдаваемая трансформатором в ТЭНы (в номинальном режиме работы трансформатора) не может превышать 1000 кВт.

Вроде все сходится. А если я захочу нагрузить трансформатор катушкой индуктивности? (кучей катушек)? И данный трансформатор будет отдавать мощность уже 1000 кВА? Тогда надпись на шильдике 1000 кВт будет уже не правомерной. Поэтому, мощность генераторов (трансформаторов) может определяться только в полной мощности (в нашем случае 1000 кВА), а как ты ее (полную мощность) будешь использовать — твое дело.

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

alexking79.wordpress.com

05 Лекция — Part 4 Мощность в цепях переменного тока

Мощность в цепях
переменного тока

Рассмотрим
энергетические характеристики
двухполюсных пассивных элементов (R,
L,
C)
на переменном токе.

Резистивный
элемент
R

Пусть,
как и прежде, ток и напряжение будут
синусоидальными:

.

Как
было показано ранее, для резистивного
элемента:

,
причем комплексные сопротивление и
проводимость имеют только вещественные
составляющие: Y
= G;
Z
= R.

Или,
что то же самое,

Мгновенная
мощность, т.е. мощность в функции времени,
представляет собой произведение тока
на напряжение и задается выражением:

(использована
формула понижения степени sin2α
= (1 – cos 2α) / 2)

Таким
образом, мощность на резистивном элементе
пульсирует от нулевого до максимального
значения с двойной частотой, принимая
только положительные значения (см. рис.
1).

Рис. 1

Среднее
значение мощности за период называют
активной мощностью. С учетом полученного
значения для мгновенной мощности, имеем:

,
здесь I
– действующее значение тока.

Индуктивный
элемент
L

Пусть,
как и прежде, ток и напряжение будут
синусоидальными:

.

Как
было показано ранее, в индуктивном
элементе ток отстает по фазе от напряжения
на 90°.

Комплексное
сопротивление индуктивности равно:

,
т.е. сопротивление чисто реактивное.

Энергия,
запасаемая в индуктивности, равна:

.

Мгновенные
значения энергии пульсируют с двойной
частотой между нулем и максимумом LI2.

Мощность
индуктивного элемента:

Мощность
в индуктивном элементе имеет характер
колебаний с удвоенной частотой. При
положительных полуволнах мощности,
когда знаки тока и напряжения совпадают,
энергия из источника поступает в
индуктивный элемент и запасается
(хранится) в нем. При отрицательных
полуволнах мощности, когда знаки тока
и напряжения различны, энергия отдается
обратно источнику. Среднее за период
значение мощности P=0
(энергия в емкостном элементе не
рассеивается, т.е. не потребляется), см.
рис. 2.

Рис.
2

Максимальное
значение колебательной мощности в
реактивных элементах с углом сдвига
90° называют реактивной мощностью и
обозначают PQ.

Для
индуктивного элемента

.

Реактивная
мощность представляет собой максимальную
скорость обмена энергии между источником
и реактивным элементом и определяет
ток, связанный с этим обменом. Протекание
тока приводит к дополнительным потерям
в сопротивлении устройств передачи
энергии и поэтому должна быть по
возможности минимизирована. Реактивная
мощность, в отличие от активной мощности,
не связана с выделением (рассеиванием)
мощности в элементе, измеряется в
вольт-амперах реактивных (вар). В
рассматриваемом случае говорят об
отстающей или индуктивной реактивной
мощности.

Емкостной элемент
C

Пусть,
как и прежде, ток и напряжение будут
синусоидальными:

.

Как
было показано ранее, в емкостном элементе
ток опережает по фазе напряжение на
90°.

Комплексное
сопротивление емкости равно:

,
т.е. сопротивление чисто реактивное
(емкостное).

Энергия,
запасаемая в емкости, равна:

.

Мгновенные
значения энергии пульсируют с двойной
частотой между нулем и максимумом CU2.

Мощность
емкостного элемента:

Мощность
в емкостном элементе имеет характер
колебаний с удвоенной частотой. При
положительных полуволнах мощности,
когда знаки тока и напряжения совпадают,
энергия из источника поступает в
емкостной элемент и запасается (хранится)
в нем. При отрицательных полуволнах
мощности, когда знаки тока и напряжения
различны, энергия отдается обратно
источнику. Среднее за период значение
мощности P=0
(энергия в емкостном элементе не
рассеивается, т.е. не потребляется), см.
рис. 3.

Рис. 3

Для
емкостного элемента

.

Комплексная
мощность (мощность в установившемся
синусоидальном режиме)

В
общем случае в электрической цепи
имеется как активная, так и реактивная
составляющая. Это означает, что мощность
в цепи будет как рассеиваться (активная
мощность), так и периодически накапливаться
в реактивных элементах и перераспределяться
между ними.

Пусть,
как и прежде, ток и напряжение будут
синусоидальными:

.

Будем
считать, что сдвиг по фазе между током
и напряжением составляет угол φ. Тогда

.

Мгновенная
мощность равна:

Таким
образом, мгновенная мощность в цепи с
произвольной реактивностью, равна:

(1)

Из
этого выражения следует, что мгновенная
мощность в цепи переменного тока имеет
постоянную составляющую и переменную
составляющую, изменяющуюся во времени
с удвоенной частотой.

Как
уже было сказано, среднее значение
мгновенной мощности за период называется
активной
мощностью
:

Подставив
в это выражение формулу (1), получим:

(2)

Активная
мощность
в
цепи переменного тока равна произведению
действующих значений тока, напряжения
и косинуса угла сдвига фаз между ними.
Активная мощность измеряется в ваттах
(Вт). Множитель cosφ
называют коэффициентом
мощности

(или просто «косинусом φ»).

Чем
больше коэффициент мощности, тем больше
активная мощность при заданных значениях
тока и напряжения. В идеале, для цепей
без реактивности, коэффициент мощности
равен 1.

Произведение
действующих значений тока, напряжения
и синуса угла сдвига фаз между ними
называется реактивной мощностью:

(3)

Реактивная
мощность характеризует энергию, которая
периодически циркулирует между источником
и нагрузкой. Она измеряется в вольт-амперах
реактивных (вар)

Произведение
действующих значений напряжения и тока
называют полной
мощностью
:

(4)

Полная
мощность измеряется в вольт-амперах
(ВА) и характеризует предельную активную
мощность в цепи при коэффициенте
мощности, равном 1.

Если
,
,

тогда учитывая известные соотношения
для мощностей, имеем:
,
активную мощность
,
реактивную мощность
,

имеем:

В
электрических цепях при периодическом
синусоидальном воздействии имеет место
баланс мощностей источников и нагрузок,
т.е. комплексная мощность источников
энергии должна быть равна комплексной
мощности нагрузок и активные и реактивные
мощности источников равны активной и
реактивной мощностям нагрузок.

,

,
,

,
.

Знак реактивной
мощности означает преимущество
индуктивного (+) или емкостного (–)
сопротивлений.

* * *

Активная
мощность
в
цепи переменного тока равна произведению
действующих значений тока и напряжения
на косинус угла сдвига фаз между ними.
Активная мощность характеризует энергию,
которая передается от источника к
нагрузке, где превращается в другие
виды энергии. Активная мощность измеряется
ваттах (Вт). Множитель cosφ
называют коэффициентом мощности (или
просто «косинус фи»). Чем больше cosφ,
тем больше активная мощность при заданных
значениях тока и напряжения.

Реактивная
мощность
в
цепи переменного тока равна произведению
действующих значений тока и напряжения
на синус угла сдвига фаз между ними.
Реактивная мощность характеризует
энергию, которая циркулирует между
источником и нагрузкой. Активная мощность
измеряется вольт-амперах реактивных
(вар). При φ<0
(при емкостной нагрузке ) реактивная
мощность отрицательна, а при φ>0
(при индуктивной нагрузке ) реактивная
мощность положительна.

* * *

Некоторые
методы численного анализа (расчета)
цепей переменного тока

Метод
пропорционального пересчета

Метод
пропорционального пересчета применяется
для расчета несложных цепей, а также
лестничных цепей. Метод применим к
цепям, в котором имеется один источник
(источник тока или напряжения). В этом
методе задается условно значение тока
или напряжения в наиболее удаленной от
источника цепи, а затем рассчитываются
все остальные токи и напряжения, пока
не будет рассчитано напряжение источника
(или ток источника).

Затем
определяется коэффициент пропорциональности
между заданным значением напряжения
источника (тока) и рассчитанным. Далее,
имея в в иду линейность цепи все
промежуточные данные расчетов, т.е. токи
а напряжения умножают на полученный
коэффициент пропорциональности.

Поясним
методику расчетов на примере.

(пример
разветвленной RC
цепи)

Графо-аналитический
метод пересчета

В
этом методе используется точно такой
же подход, но вместо метода комплексных
амплитуд используется графоаналитический
метод. Задавая, как и в предыдущем
примере, некоторое численное значение
тока, выбирают масштабы токов и напряжений.
В заданных масштабах откладывают
выбранное значение тока, а затем строят
«вокруг» выбранного тока все остальные
векторы. В конечно итоге находят вектор
напряжения или тока источника. Определяют
коэффициент пропорциональности по
амплитуде и пропорционально увеличивают
или уменьшают выбранный масштаб.
Определяют разницу фаз между полученным
значением напряжения или тока источник
и истиной фазой заданного напряжения
или тока источника, а затем «поворачивают»
всю картинку с векторами. В результате
получаются истинные токи и напряжения,
которые вызываются заданным напряжением
или током источника.

studfiles.net

§57. Мощность переменного тока и коэффициент мощности

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

непрерывно циркулирует по электрической цепи от источника электрической энергии 1 к приемнику 4 и обратно (см. рис. 200, а).

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 i<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.

electrono.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о