Реактивная мощность цепи: Страница не найдена | ElectroFAQ

Соотношение активной и реактивной мощности. Активная мощность цепи переменного тока

Чтобы правильно рассчитать нагрузку потребителей по мощности необходимо знать: какие бывают приемники напряжения. Что такое активная, реактивная и линейная нагрузка? Треугольник мощностей. Что такое пусковой ток? Все это разберем по порядку.

К приемникам напряжения относятся все устройства, которые подключаются к источникам напряжения. К ним относятся: электровентилятор, электроплита, стиральная машина, компьютер, телевизор, электродвигатель, бытовой электроинструмент и другие электропотребители.
В цепях переменного тока нагрузки разделяются на активные, реактивные и нелинейные. В цепях постоянного тока деления на типы нагрузок нет.

Активная нагрузка

К устройствам с активной нагрузкой причисляются нагревательные приборы (утюги, электроплиты, лампы накаливания, электрические чайники). Подобные приборы вырабатывают тепло и свет. Они не содержат индуктивности и емкости. Активная нагрузка преобразовывает электроэнергию в свет и тепло.

Реактивная нагрузка содержит емкость и индуктивность. Данные параметры имеют качество собирать энергию, а потом отдавать ее в сеть. Примером может служить электродвигатель, электрическая мясорубка, бытовой инструмент (пылесос, кухонный комбайн). То есть, все устройства, которые содержат электродвигатели.

Треугольник мощностей

Чтобы разобраться с реактивной нагрузкой рассмотрим треугольник мощностей.

где Р – активная мощность, которая измеряется в Ватах и используется для совершения полезной работы;

Q – реактивная, которая измеряется в Варах и используется для создания электромагнитного поля;

S – полная мощность используется для расчета электрических цепей.

Для расчета полной мощности применяем теорему Пифагора: S 2 =P 2 +Q 2 . Или с помощью формулы: S=U*I, где U – это показание напряжения на нагрузке, I — показание амперметра, которое включается последовательно с нагрузкой. В расчетах также используется коэффициент мощности – cosφ. На приборах, которые относятся к реактивной нагрузке, обычно указаны активная мощность и cosφ. С помощью этих параметров также можно получить полную мощность.

Иногда на приборах указывается полная мощность, а cosφ не указан. В этом случае применяется коэффициент 0,7.

Нелинейная нагрузка

Имеет особенность в том, что напряжение и ток не пропорциональны. К нелинейной нагрузке относятся телевизоры, музыкальные центры, настольные электронные часы, компьютеры и его компоненты. Сама нелинейность обусловлена тем, что данное электронное устройство использует импульсные блоки питания. Для подзарядки конденсатора, которые стоят в импульсном блоке питания, достаточно вершины синусоиды.

В остальное время энергию из сети конденсатор не потребляет. В этом случае ток имеет импульсное качество. К чему это все приводит? Это приводит к тому, что синусоида искажается. Но не все электронные устройства работают с искаженной синусоидой. Эта проблема решается за счет применения стабилизаторов двойного преобразования, где сетевое питание преобразуется в постоянное. Затем из постоянного преобразуется в переменное нужной формы и амплитуды.

Пусковой ток

При расчете необходимо учитывать и пусковые токи устройства. Например, сопротивление нити накаливания в лампочке в момент включения в 10 раз меньше, чем в рабочем режиме. Следовательно, пусковой ток этой лампочки в 10 раз больше. Через некоторое время она начнет потреблять ту мощность, которая записана в данных этой лампочки. Поэтому, при включении она перегорает за счет больших пусковых токов.

В радиоэлектронной аппаратуре пока не зарядится конденсатор в блоке питания, также образуется пусковой ток.

В электродвигателях тоже образуется пусковой ток, пока двигатель не наберет номинальные обороты.

В нагревательных приборах пусковой ток образуется, пока спираль не нагреется до дежурной температуры.

Содержание:

В электротехнике среди множества определений довольно часто используются такие понятия, как активная, реактивная и полная мощность. Эти параметры напрямую связаны с током и напряжением , когда включены какие-либо потребители. Для проведения вычислений применяются различные формулы, среди которых основной является произведение напряжения и силы тока. Прежде всего это касается постоянного напряжения. Однако в цепях переменного разделяется на несколько составляющих, отмеченных выше. Вычисление каждой из них также осуществляется с помощью формул, благодаря которым можно получить точные результаты.

Формулы активной, реактивной и полной мощности

Основной составляющей считается активная мощность. Она представляет собой величину, характеризующую процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии. То есть по-другому является скоростью, с какой . Именно это значение отображается на электросчетчике и оплачивается потребителями. Вычисление активной мощности выполняется по формуле : P = U x I x cosф.

В отличие от активной, которая относится к той энергии, которая непосредственно потребляется электроприборами и преобразуется в другие виды энергии — тепловую, световую, механическую и т.д., реактивная мощность является своеобразным невидимым помощником. С ее участием создаются электромагнитные поля, потребляемые электродвигателями. Прежде всего она определяет характер нагрузки, и может не только генерироваться, но и потребляться.

Расчеты реактивной мощности производятся по формуле : Q = U x I x sinф.

Полной мощностью является величина, состоящая из активной и реактивной составляющих. Именно она обеспечивает потребителям необходимое количество электроэнергии и поддерживает их в рабочем состоянии. Для ее расчетов применяется формула: S = .

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.

В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.

При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.

Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в , реактивная мощность измеряется в вар — вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.

Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).

Специфика сети переменного тока приводит к тому, что в фиксированный момент времени синусоиды напряжения и тока на приемнике совпадают только в случае так называемой активной нагрузки, полностью переводящей ток в тепло или механическую работу. Практически это всевозможные электронагревательные приборы, лампы накаливания, в каком-то приближении электродвигатели и электромагниты под нагрузкой и звуковоспроизводящая аппаратура. Ситуация полностью меняется, если нагрузка, не создающая механической работы, обладает большой индуктивностью при малом сопротивлении. Это характерный случай электродвигателя или трансформатора на холостом ходу.

Подключение подобного потребителя к источнику постоянного тока привело бы к , здесь же ничего особенного с сетью не случится, но мгновенный ток будет отставать от мгновенного напряжения примерно на четверть периода. В случае же чисто емкостной нагрузки (если в розетку вставить конденсатор), ток на нем будет, наоборот, на ту же четверть периода опережать напряжение.

Реактивные токи

Практически такое несовпадение тока и напряжения, не производя на приемнике полезной работы, создает в проводах дополнительные, или, как принято их называть, реактивные токи, которые в особо неблагоприятных случаях могут привести к разрушительным последствиям. При меньшей величине это явление все равно требует расходовать излишний металл на более толстую проводку, повышать мощность питающих генераторов и трансформаторов электроэнергии. Поэтому экономически оправдано устранять в сети реактивную мощность всеми возможными способами. При этом следует учитывать суммарную реактивную мощность всей сети, при том, что отдельные элементы могут обладать значительными значениями реактивной мощности.

Реактивная электроэнергия

С количественной стороны влияние реактивной электроэнергии на работу сети оценивается косинусом угла потерь, который равен отношению активной мощности к полной. Полная мощность считается как векторная величина, которая зависит от сдвига фаз между током и напряжением на всех элементах сети. В отличие от активной мощности, которую, как и механическую измеряют в ваттах, полную мощность измеряют в вольт-амперах, так как эта величина присутствует только в электрической цепи. Таким образом, чем ближе косинус угла потерь к единице, тем полнее используется и мощность, вырабатываемая генератором.

Основные пути снижения реактивной мощности — взаимная компенсация сдвигов фаз, создаваемых индуктивными и емкостными приемниками и использование приемников с малым углом потерь.

Мощностные характеристики установки или сети являются основными для большинства известных электрических приборов. Активная мощность (проходящая, потребляема) характеризует часть полной мощности, которая передается за определенный период частоты переменного тока.

Определение

Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах.

Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами.

Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:

Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества.

Обозначение реактивной составляющей:

Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую.

Расчет

Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

S = U * I * cos φ.

Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.

Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

Q L = U L I = I 2 x L

Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I .

Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

Сопротивление индуктивности: x L = ωL = 2πfL,

Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства.

При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

cos φ = r/z = P/S

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Компенсация

Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0:

Q = QL – QC = ULI – UCI

Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым.

При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит :

Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;

У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;

На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.

В некоторых случаях специалисты используют не полноценные ИБП, а специальные компенсирующие конденсаторы. Они подходят для бытового использования, доступны и продаются в каждом электротехническом магазине. Для расчета планируемой и полученной экономии можно использовать все вышеперечисленные формулы.

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

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:

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

Формулы для активной мощности

P = U I — в цепях постоянного тока

P = U I cosθ — в однофазных цепях переменного тока

P = √3 U L I L cosθ — в трёхфазных цепях переменного тока

P = 3 U Ph I Ph cosθ

P = √ (S 2 – Q 2) или

P =√ (ВА 2 – вар 2) или

Активная мощность = √ (Полная мощность 2 – Реактивная мощность 2) или

кВт = √ (кВА 2 – квар 2)

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

и может быть положительной (+Ue) для индуктивной нагрузки и отрицательной (-Ue) 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

Реактивная мощность = √ (Полная мощность 2 – Активная мощность 2)

вар =√ (ВА 2 – P 2)

квар = √ (кВА 2 – кВт 2)

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

Полная мощность = √ (Активная мощность 2 + Реактивная мощность 2)

kUA = √(kW 2 + kUAR 2)

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.

Компенсация реактивной мощности как фактор энергосбережения

Как платить за электричество меньше, повысить КПД оборудования и более эффективно использовать электрическую энергию, — сегодня эти вопросы волнуют многих руководителей производственных предприятий и владельцев коммерческих объектов.

Из данной статьи вы подробнее узнаете, что такое компенсация реактивной мощности, как правильно рассчитать мощность для потребителей и подобрать оборудование, чтобы сократить потери электроэнергии до 65%.

Немного теории

Для оценки и расчетов цепей переменного тока используются действующие значения тока и напряжения.

Действующее значение переменного тока определяется как величина такого эквивалентного постоянного тока, который проходя через то же активное сопротивление, что и переменный ток, выделяет на нем за период то же количество тепла. Математически действующее значение определяется как среднеквадратичное за период.

Полная мощность вычисляется как произведение действующих значений тока и напряжения цепи.

S = U * I
В случае активной нагрузки фазы тока и напряжения совпадают и вся полная мощность выделяется на нагрузке. Расчеты для переменного тока соответствуют анализу цепей постоянного тока, только используются действующие значения тока и напряжения.

Полная мощность фактически показывает требования к электрической сети. Измеряется она в вольт-амперах (ВА).

Если в цепи переменного тока появляются реактивные элементы (индуктивные нагрузки и емкостные нагрузки) расчёты приходится корректировать. Реактивные элементы обладают способностью накапливать энергию и отдавать ее обратно в цепь. Появляется сдвиг фаз между током и напряжением и как следствие появляется реактивная мощность.

Реактивная мощность может быть, как положительной (для индуктивных цепей), так и отрицательной (для емкостной составляющей).

Реактивная мощность не выделяется на нагрузке, не создает полезной работы. Она накапливается на реактивных элементах нагрузки (конденсаторах, катушках индуктивности), а затем возвращается обратно в питающую сеть. Возвращаясь, она увеличивает текущий по проводам ток. Этот реактивный ток, присутствуя в линиях, дополнительно нагревает их. Поэтому в любой энергосистеме стремятся уменьшить реактивную мощность до минимума.

На нагрузке остается активная мощность. Она и совершает полезную работу: приводит в движение двигатель, переходит в световую волну в лампах и др. Активная мощность — это среднее значение мгновенной мощности за период.

Полная мощность в цепях переменного тока равна квадратному корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей.

S = ? ( P2 + Q2)

Активная мощность вычисляется как:
P = I * U * cos ?
I и U это действующие значения тока и напряжения.

Или:

P = S * cos ?
Т.е. активная и полная мощности связаны через коэффициент — cos ?.

Коэффициент мощности – это соотношение полезной активной мощности к полной мощности, то есть cos?=P/S этот коэффициент характеризует, насколько эффективно используется электроэнергия. cos ? – это косинус угла сдвига между напряжением питающей сети и током, потребляемым нагрузкой.

При cos ? = 1 (когда фаза тока совпадает с фазой напряжения) активная мощность на нагрузке равна полной. Вся энергия питающей сети используется для полезной работы. Происходит это только на чисто активной нагрузке, без реактивной составляющей.

Попробуем рассчитать мощность, когда угол между напряжением и током составляет 90 градусов.

На графике ? равно 90 косинус фи (cos?)=0(нулю). Для простоты вычислений возьмем максимальное значение напряжения равное 1 (100%). В этот момент ток равен 0 (нулю). Соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот, когда ток максимальный, напряжение равно нулю. Получается, что полезная, активная мощность равна 0 (нулю).

Конечно, устройств с cos ? = 0 на практике не бывает, но промежуточных вариантов может быть множество. Например, бестрансформаторный блок питания, приведенный в качестве примера выше, имеет коэффициент мощности 0,6 — 0,7.

Значимость коэффициента мощности

Приведем простые расчеты, демонстрирующие значимость данного показателя.
Два потребителя электроэнергии с одинаковой активной (полезной) мощностью. У первого cos ? = 1, а у второго – 0,5. Это означает, что второй потребитель потребляет от сети ток в два раза больше, чем первый. Т.к. зависимость потерь в проводах от тока имеет квадратичный характер (P = I2 * R), то потери на активном сопротивлении проводов во втором случае будут в 4 раза больше. Соответственно потребуются провода большего сечения.

Высокий коэффициент мощности особенно важен для мощных нагрузок и длинных линий электропередач.

Реактивная мощность в электрических сетях продуцирует следующие негативные факторы:

• Увеличение потерь в проводниках
• Нагрев проводников вызывает ускорение старения изоляции, снижение срока службы, способствует возникновению коротких замыканий
• Снижение пропускной способности энергосистемы при генерации дополнительной мощности для компенсации потерь
• Нагрев обмоток трансформаторов и снижение нагрузочной способности без видимых причин
• Перегрузка генераторов и трансформаторов.
  Повышение тока из-за низкого коэффициента мощности вызывает перегрузку генераторов и трансформаторов, и, как следствие, уменьшение их срока службы вследствие превышения расчётных характеристик
• Увеличение падения напряжения
  Протекающий по электрическому проводнику ток вызывает падение на нем напряжения, величина которого определяется по закону Ома. Возрастание величины тока из-за низкого значения коэффициента мощности вызывает увеличение падения напряжения, что приводит к снижению напряжения на нагрузке относительно требуемого значения, и приводит к снижению мощности, поступающей на нагрузку

Использование КРМ для снижения нагрузки в электросетях. Виды компенсаторов

Для уменьшения нагрузки в электрических сетях от реактивной мощности применяются компенсаторы реактивной мощности. Это может быть использование синхронного компенсатора. Данное оборудование представлено синхронным двигателем, работающим на холостом ходу. Одновременно с ним применяются системы регулировок, влияющих на эффективность оборудования. Кроме синхронного устройства, компенсация производится с помощью батарей конденсаторов. Этот вариант считается более простым и дешевым в эксплуатации.

Преимущества компенсации реактивной мощности

• Повышение эффективности использования электрической энергии за счет снижения тепловых потерь на передачу электроэнергии.

Снижение тепловых потерь можно рассчитать, если значение тока в законе Джоуля-Ленца выразить через соотношение для активной мощности. Получается следующая зависимость:

Потери комп./Потери нач. =( COS ? нач./ COS ? комп)?

В результате расчётов получаем следующие зависимости:


В таблице показано возможное уменьшение тепловых потерь

COS ? начальнй	COS ? компенсированный
	0,85	0,90	0,95	1,00
0,50	65,40%	69,14%	72,30%	75,00%
0,55	58,13%	62,65%	66,48%	69,75%
0,60	50,17%	55,56%	60,11%	64,00%
0,65	41,52%	47,84%	53,19%	57,75%
0,7	32,18%	39,51%	45,71%	51,00%
0,75	22,15%	30,59%	37,67%	43,75%
0,80	11,42%	20,99%	29,09%	36,00%
0,85	—	10,80%	19,94%	27,75%
0,90	—	—	10,25%	19,00%
0,95	—	—	—	9,75%

• Повышение качества электроснабжения за счёт уменьшения падения напряжения в линии электропередач.

В процессе передачи электроэнергии на расстоянии ток вынужден преодолевать сопротивление (R) проводов, что вызывает падение напряжения в линии. Падения напряжения можно определить по закону Ома. Оно равно произведению величины тока на сопротивление. Если выразить величину тока через активную мощность, то в конце преобразований получим следующее выражение:

?U=?Uкомп./?Uнач.* COS ? нач./ COS ? комп

В таблице показано возможное уменьшение падения напряжения

COS ? начальнй	COS ? компенсированный
	0,85	0,90	0,95	1,00
0,50	41,18%	44,44%	47,37%	50,00%
0,55	35,29%	38,89%	42,11%	45,00%
0,60	29,41%	33,33%	36,84%	40,00%
0,65	23,53%	27,78%	31,58%	35,00%
0,7	17,65%	22,22%	26,32%	30,00%
0,75	11,76%	16,67%	21,05%	25,00%
0,80	5,88%	11,11%	15,76%	20,00%
0,85	—	5,56%	10,53%	15,00%
0,90	—	—	5,26%	10,00%
0,95	—	—	—	5,00%



• Экономия до 30% на оплате электроэнергии. При компенсированном коэффициенте мощности нет необходимости платить за реактивную мощность. Значительное сокращение энергопотребления.
• Увеличение срока службы электрических машин. Недостаток реактивной мощности приводит к увеличению тока, что вызывает снижение срока службы электрооборудования.
• Стоимость прокладки кабеля сокращается до 30%. Оптимизация конструкции оборудования за счёт уменьшения сечения проводников позволяет снизить стоимость используемых материалов.
• Снижения тепловых потерь на передачу электроэнергии. Повышение эффективности использования электроэнергии и качества электроснабжения за счёт уменьшения падения напряжения в линии электропередач.
• Дополнительный прирост мощности системы электроснабжения. При скомпенсированном коэффициенте мощности часть избыточной энергии, высвобождающейся за счёт уменьшения потерь, может быть использована потребителем.



Как выбрать оборудование для компенсации реактивной мощности

Оптимальный выбор оборудования для коррекции коэффициента мощности будет зависеть от типа имеющихся нагрузок и режимов их работы.

Если загрузка оборудования мало подвержена колебаниям, т.е. она почти постоянна, то выгоднее всего использовать индивидуальную компенсацию реактивной мощности. В этом случае конденсатор включается и выключается вместе с относящейся к нему нагрузкой, поэтому компенсация соответствует cos ? нагрузки и синхронизирована с ее суточными колебаниями. Индивидуальная компенсация реактивной мощности наиболее эффективна, если большая часть реактивной мощности потребляется несколькими мощными нагрузками, которые работают непрерывно или длительное время.

рис.1


Индивидуальная компенсация (см. рис.1) реактивной мощности имеет следующие преимущества:
• Компенсация четко соответствует нагрузке
• Конденсаторная батарея может быть размещена непосредственно у нагрузки
• Конденсаторы используются только во время работы нагрузки
• Низкая стоимость установки
• Реактивная мощность полностью исключена из распределительной сети
• Простота установки
• Низкая стоимость решения

Однако во многих системах не все нагрузки задействованы одновременно, и некоторые из них работают всего несколько часов в день. В этом случае индивидуальная компенсация реактивной мощности становится более дорогой из-за необходимости установки большого количества конденсаторов. При этом основная масса конденсаторов не будет использоваться большую часть времени.

рис.2

Если в такой системе часть потребителей всегда работает, а часть стоит, периодически меняясь местами, но суммарная нагрузка получается примерно одинаковая по времени, то используют нерегулируемую групповую компенсацию реактивной мощности (см. рис. 2).

Такая конфигурация имеет следующие преимущества:

• Конденсаторная батарея может быть размещена в щите управления
• Конденсаторы используются только во время работы нагрузки
• Низкая стоимость установки
• Реактивная мощность полностью исключена из распределительной сети

Групповая компенсация имеет и недостаток:

• Распределительная сеть до щита питания нагружена реактивной мощностью

Если потребность в реактивной мощности сильно колеблется, целесообразно использовать батареи с автоматическим регулированием (см. рис. 3), а не конденсаторы, емкость которых постоянна. В этой системе конденсаторы устанавливаются рядом со щитом питания. Суммарная емкость батареи конденсаторов разделяется на ступени. Контроллер регистрирует текущий коэффициент мощности в сети и подключает или отключает необходимую реактивную мощность. При этом контроллер выбирает ту ступень, которая меньше всего проработала до этого момента.

рис.3

Преимущества централизованной компенсации реактивной мощности с автоматическим регулированием:



• Компенсация четко соответствует изменяющейся во времени нагрузке
• Конденсаторная батарея размещена рядом со щитом питания
• Более эффективное использование конденсаторов: контроллер равномерно распределяет нагрузку на конденсаторы, что увеличивает срок службы конденсаторов
• Лучшее регулирование напряжения в энергосистеме

Важно обратить внимание, что распределительная сеть до щита питания нагружена реактивной мощностью. Необходим контроллер и аппарат управления ступенями, что усложняет решение, но при этом делает его более оптимальным по функционалу и стоимости.

В ассортименте компании EKF представлены все элементы компенсации реактивной мощности:



• Конденсаторы КПС-0,40-ХХ-3, рассчитанные на работу в трехфазных сетях переменного тока 400В с номинальными емкостями до 50 кВАр
• Регуляторы на 3,5,7,14 подключаемых ступеней компенсации
• Контакторы для конденсаторов номиналами от 12,5 кВАр до 50 кВАр с катушками управления 230В и 400В
• Щиты ШМП и ВРУ с удобной внутренней конфигурацией, которые можно подобрать для любого варианта компенсации реактивной мощности.

Кроме того, в компании EKF проводится сертификация сборщиков данного оборудования. Подробнее о том, как осуществить квалифицированный подбор и сборку компенсаторных установок в вашем регионе, можно уточнить по электронной почте [email protected].

активную, реактивную, полную (P, Q, S), а также коэффициент мощности (PF)

Реактивная мощность – это величина, характеризующая нагрузки создаваемые различными колебаниями электромагнитных полей, которые встречаются цепях с конденсаторами и индуктивностями. А по своей сути это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю (нагрузке), а затем возвращается обратно этими реактивными компонентами в течении одного полупериода.

Существуют потребители электрической энергии, которые создают чисто активную нагрузку. К ним можно отнести различные нагревательные элементы, тэны, лампы накаливания и т.п. Эти потребители не способны генерировать значительных электромагнитных полей. А вот другие потребители способны генерировать реактивную нагрузку. Т.е создавать сильные электромагнитные поля. Основными представителями этой группы можно считать устройства имеющие в своих питающих цепях конденсаторы и катушки индуктивность. Как мы уже знаем, и по разному оказывают влияние на величину реактивной мощности появляющейся в электрической цепи.

Так если приложить к катушки индуктивности ток и напряжение с нулевым сдвигом по фазе, то на выходе схемы увидим отставание тока от напряжения. А вот если подать тоже самое на конденсатор, то на выходе получим опережение током напряжения. Для понимания процесса смотри рисунок, где схематически показано опережение током напряжения при емкостном характере нагрузки.

Такие свойства реактивных нагрузок используют для регулировки уровня напряжения в сети методом компенсации большой индуктивности емкостными нагрузками, и наоборот больших емкостей — индуктивностью.

реактивная мощность вычисляется по следующим формулам:

Где, x — , I и U — ток и напряжение протекающие в цепи, sinφ — коэффициент реактивной мощности

Единицей измерения реактивной мощности по СИ, является вольт ампер реактивный – ВАр

Природу потерь в электрических цепях с реактивными компонентами можно увидеть по графикам на рисунках ниже:

.

При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между током и напряжением будет 90°. В начальный момент времени, когда уровень напряжение максимален – ток будет стремиться нулю, поэтому, мгновенное значение мощности UI в это время будет нулевым. В течении первой ¼ периода, мощность можно визуализировать на графике, как произведение UI (тока и напряжения), которое станет нулевым при максимуме тока и нулевом значении напряжения.

В следующую ¼ периода, UI будет лежать в отрицательной области координат, поэтому, мощность будет уходить обратно в источник питания. То же самое случится и в отрицательном токовом полупериоде. В результате средняя (активная) потребляемая мощность P avg за период будет нулевой.

В этом случае реактивная мощность, в соответствии с формулой выше стремится к нулю. Потребляемая мощность равна произведению тока и напряжения, Полная мощность будет равна только активной мощности. Коэффициент мощности будет равен единице (P/S = 1 ).

Рассмотрим случай равенства реактивного и активного сопротивлений в нагрузке , т.е сдвиг фаз между током и напряжением на 45°.

В этом случае: Q = U×I×sin45° = 0.71×U×I . Коэффициент мощности = 0.71

Как вы наверное заметили, реактивная мощность оказывает обычно отрицательное воздействие, в связи с чем, необходима ее компенсация.

В настоящее время взаимоотношения энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии рассматриваются широким кругом лиц неэнергетического образования (коммерческие менеджеры, юристы и другие специалисты). Использование понятия реактивная мощность (реактивная энергия) в практике денежных расчетов между поставщиками и потребителями электроэнергии и наличие отдельных счетчиков активной и реактивной энергии вызывает у многих представление о поставке потребителям двух видов продукции. Это не так. По электрической сети не передаются электроны разного цвета — красные активной энергии и голубые реактивной. Так что же такое реактивная мощность и реактивная энергия?

Рассмотрим в самом простом виде свойства переменного тока. Переменный ток называют так не в том смысле, что его значение изменяется в процессе потребления энергии. Оно может оставаться и постоянным. Под переменным током в узком смысле понимают периодический ток, мгновенные значения которого в течение каждого небольшого периода (для переменного тока частоты 50 Гц это 1/50 доля секунды) проходят цикл изменения от минимального до максимального значения, и наоборот. Графически этот цикл отображается синусоидой. Переменным в этом смысле является и напряжение. В целом же для цепей, в которых и напряжение, и ток циклически изменяются, используется термин «цепи переменного тока».

В цепях переменного тока существует много элементов, которые разделены воздушными промежутками — обмотки высокого и низкого напряжения трансформаторов или статор и ротор вращающейся машины (двигателя и генератора) не имеют электрической связи между собой. Тем не менее электрическая энергия передается через это воздушное пространство, являющееся фактически непроводящим ток диэлектриком. Это происходит в связи с возникновением под действием переменного тока переменного магнитного поля в индуктивности, а под действием переменного напряжения — переменного электрического поля в емкости (в комбинации — электромагнитного поля). Полям, как известно, воздух не преграда. Переменное магнитное поле, образуемое одной из разделенных обмоток, постоянно пересекает своими магнитными линиями витки другой обмотки, наводя в ней электродвижущую силу. Ее величина такова, что вся мощность первичной обмотки переходит на вторичную обмотку. В конденсаторе те же самые функции осуществляет электрическое поле.

Магнитное и электрическое поля существуют вокруг любого проводника, который находится под напряжением и по которому идет ток. Теоретически можно передать мощность по воздуху с одной из параллельно проложенных линий на другую. Правда, чтобы передать существенную мощность, линии должны быть длиной в сотни тысяч километров. Для переброски через воздушные промежутки большой мощности в устройстве приемлемого размера нужно сильное магнитное поле, сконцентрированное в небольшом пространстве. Это достигается обматыванием вокруг металлического сердечника (ярма) многочисленных витков, расположенных близко друг к другу, и применением для изготовления сердечников специальной стали, обеспечивающей большую взаимоиндукцию.

Электромагнитная энергия непосредственно преобразуется в тепловую, механическую, химическую и другие виды полезной работы в элементах, обладающих активным сопротивлением, обозначаемым R. В элементах, представляющих собой индуктивность L и емкость С, электромагнитная энергия на половине периода запасается, а на второй половине периода возвращается в источник. При этом синусоида тока, создающего магнитное поле, всегда на четверть периода (90 эл. градусов) отстает от синусоиды напряжения, а синусоида тока, создающего электрическое поле, опережает.

Сопротивления таких элементов связаны с индуктивностью и емкостью и частотой f соотношениями: X L = 2πfL и X С = 1/2πfС. Из этих соотношений видно, что эти сопротивления существуют только в цепях переменного тока, а в цепях постоянного тока (f = 0) X L превращается в 0 (короткое замыкание), а X С — в бесконечность (разрыв цепи). В связи с возвратным характером их действия эти сопротивления называют реактивными, а ток, обусловленный обменной электромагнитной энергией, — реактивным током. Так как реактивный ток сдвинут относительно активного на 90°, то естественно, что полный ток определяется как корень квадратный из суммы квадратов активного и реактивного тока.

Прохождение через сеть «сдвинутого» тока можно сравнить с продвижением людей через проход, пропускная способность которого составляет, например, 10 человек одновременно. При этом в восьми рядах люди все время идут в одном направлении, а в двух рядах одни и те же люди то идут, то возвращаются. В результате число людей, перешедших на другую сторону, следует считать исходя из пропускной способности восемь человек, а проход все время загружен десятью рядами. Аналогична ситуация и с пропускной способностью электрической сети. Разница лишь в том, что активная и реактивная составляющие тока складываются не арифметически, а в квадрате, поэтому реактивная составляющая в меньшей степени занимает сечение. Для полноты сравнения можно считать, что два ряда людей ходят боком и потому занимают меньше места.

Полупериоды запасания и возврата электромагнитной энергии индуктивностью и емкостью сдвинуты на 180° (у первой ток сдвинут на -90°, а у второй на +90°), то есть они находятся в противофазе. Поэтому при наличии рядом сопротивлений X L = X С обменная часть электромагнитной энергии не возвращается в источник, а эти элементы постоянно обмениваются ею между собой. Уже должна возникнуть мысль, а не поставить ли у потребителя электроэнергии, в сетях которого полно индуктивностей, емкость? И пусть они обмениваются между собой этой частью электромагнитной энергии, разгрузив от нее сеть и предоставив ей возможность передавать только ту часть электромагнитной энергии, которая преобразуется в полезную работу? Эта операция и называется компенсацией реактивной мощности (КРМ).

Реактивная энергия не выполняет никакой работы в том смысле, что она не может, как активная энергия, превращаться в тепловую или механическую энергию. Так как в физике понятия энергии и работы тождественны, то, строго говоря, словосочетание «реактивная энергия» физически бессмысленно. Тем не менее, применение на практике этого условного понятия удобно. Раз уж возникает дополнительный ток, названный реактивным, то его произведение на напряжение вроде бы по-другому как мощностью не назовешь, а интегрирование мощности по времени формально называется энергией. Более того, сдвинув на 90° обмотку электрического счетчика, можно заставить его считать произведение на напряжение только тока, сдвинутого на 90°, — появляется наглядное подтверждение существования реактивной энергии (счетчик ведь показывает!).

Реактивный ток не только отнимает у активного тока часть пропускной способности сети, но и на его прохождение по проводам затрачивается определенная часть активной энергии , так как потери мощности ΔР = 3I²R, где I — полный ток. Счетчик активной энергии (по большому счету только ее и можно назвать энергией, поэтому он называется просто счетчик электроэнергии) покажет одно и то же значение и при наличии, и при отсутствии реактивной составляющей тока. Поэтому только по его показаниям нельзя правильно оценить режимы линий передачи электроэнергии (в приведенном выше примере счетчик будет показывать движение восьми рядов, полностью игнорируя два двигающихся туда и обратно). Для оценки же режима сети необходимо знать обе составляющие. Активная и реактивная составляющие полного тока по-разному влияют на напряжение в точках потребления энергии. Потери напряжения от передачи активной составляющей тока в подавляющей степени определяются сопротивлением R, а реактивной — сопротивлением X L . В элементах линий электропередачи обычно X L >> R, поэтому прохождение по сети реактивного тока приводит к гораздо большему снижению напряжения, чем активного тока той же величины.

Итак, в сети переменного тока нет ничего, кроме циклически изменяющихся мгновенных значений тока и напряжения, циклы которых сдвинуты относительно друг друга на некоторую часть периода. При графическом изображении их в виде векторов говорят, что они сдвинуты на некоторый угол φ. Поэтому анекдотический ответ студента на экзамене, что три провода нужны потому, что по первому передается напряжение, по второму ток, а по третьему cos φ, можно считать более близким к истине, чем представление о поставке потребителям двух видов продукции.

Специфика сети переменного тока приводит к тому, что в фиксированный момент времени синусоиды напряжения и тока на приемнике совпадают только в случае так называемой активной нагрузки, полностью переводящей ток в тепло или механическую работу. Практически это всевозможные электронагревательные приборы, лампы накаливания, в каком-то приближении электродвигатели и электромагниты под нагрузкой и звуковоспроизводящая аппаратура. Ситуация полностью меняется, если нагрузка, не создающая механической работы, обладает большой индуктивностью при малом сопротивлении. Это характерный случай электродвигателя или трансформатора на холостом ходу.

Подключение подобного потребителя к источнику постоянного тока привело бы к , здесь же ничего особенного с сетью не случится, но мгновенный ток будет отставать от мгновенного напряжения примерно на четверть периода. В случае же чисто емкостной нагрузки (если в розетку вставить конденсатор), ток на нем будет, наоборот, на ту же четверть периода опережать напряжение.

Реактивные токи

Практически такое несовпадение тока и напряжения, не производя на приемнике полезной работы, создает в проводах дополнительные, или, как принято их называть, реактивные токи, которые в особо неблагоприятных случаях могут привести к разрушительным последствиям. При меньшей величине это явление все равно требует расходовать излишний металл на более толстую проводку, повышать мощность питающих генераторов и трансформаторов электроэнергии. Поэтому экономически оправдано устранять в сети реактивную мощность всеми возможными способами. При этом следует учитывать суммарную реактивную мощность всей сети, при том, что отдельные элементы могут обладать значительными значениями реактивной мощности.

Реактивная электроэнергия

С количественной стороны влияние реактивной электроэнергии на работу сети оценивается косинусом угла потерь, который равен отношению активной мощности к полной. Полная мощность считается как векторная величина, которая зависит от сдвига фаз между током и напряжением на всех элементах сети. В отличие от активной мощности, которую, как и механическую измеряют в ваттах, полную мощность измеряют в вольт-амперах, так как эта величина присутствует только в электрической цепи. Таким образом, чем ближе косинус угла потерь к единице, тем полнее используется и мощность, вырабатываемая генератором.

Основные пути снижения реактивной мощности — взаимная компенсация сдвигов фаз, создаваемых индуктивными и емкостными приемниками и использование приемников с малым углом потерь.

Наверняка многие из вас слышали о реактивной электроэнергии. Зная, насколько сложен для понимания этот термин, давайте разберём детально отличия реактивной и активной энергии. Важно осознать тот факт, что реактивную электроэнергию мы можем наблюдать только в переменном токе. Там, где течёт постоянный ток, реактивная энергия не присутствует. Обусловлено это природой появления реактивной энергии .

Через несколько понижающих трансформаторов к потребителю поступает переменный ток, конструкция которых разделяет обмотки низкого и высокого напряжения. То есть получается так, что в трансформаторе отсутствует физический контакт между двумя обмотками, при этом ток всё равно течёт. Объяснить это довольно просто. Электроэнергия всегда передаётся через воздух, который является прекрасным диэлектриком, при помощи электромагнитного поля, составляющая которого – переменное магнитное поле. Оно регулярно пересекает обмотку, появляясь в другой, и не имеет с первой электрического контакта, наводя электродвижущую силу. Коэффициент полезного действия у современных трансформаторов достаточно велик, отсюда потеря электроэнергии сводиться к минимуму, и потому вся мощь переменного тока, который протекает в первичной обмотке, оказывается в цепи вторичной обмотки. Тоже самое происходит в конденсаторе, правда, уже за счёт электрического поля. Ёмкость и индуктивность вместе порождают реактивную энергию. Активная энергия (которой мешает возврат реактивной энергии) преобразовывается в тепловую, механическую и другую.

Реактивная составляющая электрического тока возникает только в цепях, содержащих реактивные элементы (индуктивности и ёмкости) и расходуется обычно на бесполезный нагрев проводников, из которых составлена эта цепь. Примером таких реактивных нагрузок являются электродвигатели различного типа, переносные электроинструменты (электродрели, «болгарки», штроборезы и т.п.), а также различная бытовая электронная техника. Полная мощность этих приборов, измеряемая в вольт-амперах, и активная мощность (в ваттах) соотносятся между собой через коэффициент мощности cosφ, который может принимать значение от 0,5 до 0,9. На этих приборах указывается обычно активная мощность в ваттах и значение коэффициента cosφ. Для определения полной потребляемой мощности в ВА, необходимо величину активной мощности (Вт) разделить на коэффициент cosφ.

Пример : если на электродрели указана величина мощности в 800 Вт и cosφ = 0,8, то отсюда следует, что потребляемая инструментом полная мощность составляет 800/0,8=1000 ВА. При отсутствии данных по cosφ можно брать его приблизительное значение, которое для домашнего электроинструмента составляет примерно 0,7.

Реактивный тип нагрузки характеризуется тем, что сначала, неторое время, в нём происходит накопление энергии, поставляемой источником питания. Затем запасённая энергия отдаётся обратно в этот источник. К подобным нагрузкам относятся такие элементы электрических цепей, как конденсаторы и катушки индуктивности, а также устройства, содержащие их. При этом в такой нагрузке между напряжением и током присутствует сдвиг фаз, равный 90 градусам. Поскольку основной целью существующих систем электроснабжения является полезная доставка электроэнергии от производителя непосредственно к потребителю — реактивная составляющая мощности обычно считается вредной характеристикой цепи.

Для того, чтобы компенсировать противодействие реактивной энергии, применяются специальные устанавливаемые конденсаторы. Это заставляет свести к минимуму появляющееся негативное влияние реактивной энергии. Мы уже отмечали, что реактивная мощность существенно влияет на потерю электрической энергии в сети. Потому получается, что величину той самой негативной энергии приходиться постоянно держать под контролем, и лучший для этого способ – организовать её учёт.

Там, где озабочены этой проблемой (различные промышленные предприятия) довольно часто ставят отдельные специальные приборы, которые ведут учёт не только самой реактивной энергии, но и активной её части. Учёт ведётся в трёхфазных сетях по индуктивной и ёмкостной составляющей. Обычно такие счётчики, это не что иное, как аналого-цифровое устройство, которое преобразует мощность в аналоговый сигнал, который превращается в частоту следования электро-импульсов. Сложив их, мы можем судить о количестве потребляемой энергии. Обычно счётчик сделан из пластмассового корпуса, где установлены 3 трансформатора и блок учёта на печатной плате. На внешней стороне располагается ЖК экран или светодиоды.

Предприятия в настоящее время всё чаще ставят универсальные счётчики учёта электроэнергии, которые измеряют количество как активной, так и реактивной энергии. Более того, такие приборы могут совмещать функции от двух, а иногда и более устройств, что позволяет снижать затраты на обслуживание и позволяет сэкономить во время покупки. Такие устройство способны вычислять реактивную и активную мощность, а также измерять мгновенные значения напряжений. Счётчик фиксирует, каков уровень потребления энергии и показывает всю информацию на дисплее 3-мя сменяющимися кадрами (индуктивная составляющая, ёмкостная составляющая, а также объём активной энергии). Современные модели позволяют передавать данные по ИК цифровому каналу, защищены от магнитных полей, хищения энергии. Более того, мы получаем более точные измерения и малое энергопотребление, что выгодно отличает новые модели от предшественников.

Содержание:

В электротехнике среди множества определений довольно часто используются такие понятия, как активная, реактивная и полная мощность. Эти параметры напрямую связаны с током и напряжением , когда включены какие-либо потребители. Для проведения вычислений применяются различные формулы, среди которых основной является произведение напряжения и силы тока. Прежде всего это касается постоянного напряжения. Однако в цепях переменного разделяется на несколько составляющих, отмеченных выше. Вычисление каждой из них также осуществляется с помощью формул, благодаря которым можно получить точные результаты.

Формулы активной, реактивной и полной мощности

Основной составляющей считается активная мощность. Она представляет собой величину, характеризующую процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии. То есть по-другому является скоростью, с какой . Именно это значение отображается на электросчетчике и оплачивается потребителями. Вычисление активной мощности выполняется по формуле : P = U x I x cosф.

В отличие от активной, которая относится к той энергии, которая непосредственно потребляется электроприборами и преобразуется в другие виды энергии — тепловую, световую, механическую и т.д., реактивная мощность является своеобразным невидимым помощником. С ее участием создаются электромагнитные поля, потребляемые электродвигателями. Прежде всего она определяет характер нагрузки, и может не только генерироваться, но и потребляться. Расчеты реактивной мощности производятся по формуле : Q = U x I x sinф.

Полной мощностью является величина, состоящая из активной и реактивной составляющих. Именно она обеспечивает потребителям необходимое количество электроэнергии и поддерживает их в рабочем состоянии. Для ее расчетов применяется формула: S = .

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.

В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.

При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.

Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в , реактивная мощность измеряется в вар — вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.

Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).

Что такое треугольник силы? — Активная, реактивная и полная мощность

Треугольник мощности представляет собой прямоугольный треугольник, показывающий соотношение между активной мощностью, реактивной мощностью и полной мощностью.

Когда каждая составляющая тока, которая является активной составляющей (Icosϕ) или реактивной составляющей (Isinϕ), умножается на напряжение V, получается треугольник мощности, показанный на рисунке ниже:

Мощность, которая фактически потребляется или используется в цепи переменного тока, называется истинной мощностью или активной мощностью или реальной мощностью.Он измеряется в киловаттах (кВт) или МВт.

Мощность, которая течет вперед и назад, что означает, что она движется в обоих направлениях в цепи или реагирует на нее, называется Реактивная мощность . Реактивная мощность измеряется в киловольт-амперах, реактивная (кВАр) или МВАр.

Произведение среднеквадратичного значения напряжения и тока известно как кажущаяся мощность . Эта мощность измеряется в кВА или МВА.

Следующая точка показывает взаимосвязь между следующими величинами и объясняется графическим представлением, называемым треугольником мощности, показанным выше.

• Когда активная составляющая тока умножается на напряжение цепи V, получается активная мощность. Именно эта мощность создает крутящий момент в двигателе, нагревает нагреватель и т. Д. Эта мощность измеряется ваттметром.
• Когда реактивная составляющая тока умножается на напряжение цепи, получается реактивная мощность. Эта мощность определяет коэффициент мощности, и она течет вперед и назад по цепи.
• Когда ток в цепи умножается на напряжение в цепи, получается полная мощность.
• Из треугольника мощности, показанного над мощностью, коэффициент может быть определен путем взятия отношения истинной мощности к полной мощности.
  
  Как мы знаем, просто мощность означает произведение напряжения и тока, но в цепи переменного тока, за исключением чисто резистивной цепи, обычно существует разность фаз между напряжением и током, и поэтому VI не дает реальной или истинной мощности в цепи.

Что означает отдаваемая / потребляемая реактивная мощность?

Чтобы ответить на вопрос: Реальная мощность потребляется цепью.Реактивная мощность передается между цепью и источником.

Реальная мощность в Вт (П) — это полезная мощность. Что-то, что мы можем выйти из строя. Тепло, свет, механическая сила. Мощность, потребляемая резисторами или двигателями.

Полная мощность в ВА (S) — это мощность, которую источник вводит в цепь. Полное влияние схемы на источник.

Таким образом, коэффициент мощности — это своего рода КПД схемы pf = P / S. Чем ближе он к 1, тем лучше.

Реактивная мощность в VAR (вольт-ампер, реактивная) (Q) — это мощность, которая циркулирует между источником и нагрузкой.Энергия, которая хранится в конденсаторах или катушках индуктивности. Но это необходимо. Например, индуктивная реактивная мощность в электродвигателях формирует магнитные поля, вращающие двигатель. Без него двигатель не работал бы, поэтому опасно считать, что он потрачен впустую, но это вроде как.

Конденсаторы и катушки индуктивности реактивные. Они хранят энергию в своих полях (электрическом и магнитном). Для 1/4 формы волны переменного тока мощность потребляется реактивным устройством по мере формирования поля. Но в следующей четверти волны электрическое или магнитное поле схлопывается, и энергия возвращается к источнику.То же самое для последних двух кварталов, но с противоположной полярностью.

Чтобы увидеть это в анимации, см. Цепи переменного тока серии. Он показывает все 6 последовательных цепей (R, L, C, RL, RC и RLC). Включите мгновенное питание. Когда p положительно, источник обеспечивает питание. Когда p отрицательно, на источник подается питание.

Для R потребляется мощность. Для L или C мощность течет между источником и устройством. Для RL или RC эти два отношения объединены. Резистор потребляет, а реактивное устройство сохраняет / отправляет энергию источнику.

Истинное преимущество — когда в цепи включены индуктор И конденсатор. Опережающая емкостная реактивная мощность противоположна по полярности отстающей индуктивной реактивной мощности. Конденсатор подает питание на катушку индуктивности, уменьшая реактивную мощность, которую должен обеспечить источник. Основа для коррекции коэффициента мощности.

Выберите RLC в справочнике. Обратите внимание, что напряжение источника \ $ V_S \ $ (гипотенозное) формируется из \ $ V_R \ $ и \ $ V_L — V_C \ $. Это меньше, чем если бы образовано из \ $ V_R \ $ и \ $ V_L \ $

Если конденсатор обеспечивает всю мощность катушки индуктивности, нагрузка становится резистивной и P = S и pf = 1.Треугольник власти исчезнет. Требуемый ток источника меньше, что означает, что кабели и защита цепи могут быть меньше. Внутри двигателя существует неисправленный треугольник мощности с дополнительным током, исходящим от конденсатора.

Ссылка показывает последовательные цепи, но любой C будет подавать питание на любой L в цепи переменного тока, уменьшая полную мощность, которую должен обеспечивать источник.

---

Редактировать…

Возьмем пример. P = двигатель мощностью 1 кВт при отставании 0,707 пФ с источником 120 В.

До коррекции коэффициента мощности: \ $ Q_L = 1 кВАр \ $ и \ $ S_1 = 1,42 кВА \ $ (пунктирная линия) \ $ Θ_1 = отставание на 45 ° \ $, как в I, отставание \ $ V_S \ $ на 45 °. \ $ I_1 = 11,8А \

$

Увеличьте коэффициент мощности до 0,95, добавив конденсатор параллельно нагрузке.

После коррекции фактора: P и \ $ Q_L \ $ все еще существуют. Конденсатор добавляет \ $ Q_C = 671VAR \ $. Это уменьшает реактивную мощность, которую должен обеспечивать источник, поэтому чистая реактивная мощность составляет \ $ Q_T = 329VAR \ $. \ $ S_2 = 1,053 кВА \ $ и \ $ I_2 = 8,8 А \ $ A 25.Экономия тока 8%. В треугольнике мощности существует все, кроме \ $ S_1 \ $.

Конденсатор подает 671 ВАр опережающей реактивной мощности к отстающей реактивной мощности двигателя, уменьшая чистую реактивную мощность до 329 ВАр. Конденсатор действует как источник для индуктора (катушек двигателя).

Электрическое поле заряда конденсатора. По мере разряда электрического поля формируются магнитные поля катушек. Когда магнитные поля разрушаются, конденсатор заряжается. Повторить. Мощность передается между конденсатором и катушкой индуктивности.

Идеально, когда \ $ Q_L = Q_C \ $. Треугольник мощности исчезнет. \ $ S_2 = P = 1кВА \ $ и \ $ I_2 = 8.33A \

$

Если вы подали переменное напряжение на нагрузку, состоящую только из емкости или индуктивности, фазовый угол тока относительно напряжения сдвигается на 90 градусов. Когда напряжение и ток смещены на 90 градусов, на эту нагрузку не подается реальная мощность. То, что представляет собой , передается в нагрузку, называется реактивной мощностью.

Если бы нагрузкой был резистор, ток и напряжение были бы точно синфазными (согласно закону об омах), и не было бы подаваемой реактивной мощности — подаваемая мощность была бы реальной мощностью, и она нагревала бы резистор.

Между этими двумя пределами может подаваться как реактивная, так и активная мощность. Косинус фазового угла тока относительно напряжения называется коэффициентом мощности — возможно, вы слышали об этом; когда фаза равна нулю (резистивная нагрузка) cos (ноль) равна 1. Когда фаза равна 90 (реактивное сопротивление нагрузки), cos (90) равен нулю.

Диагональная (красная) линия на рисунке выше — это ВА, т. Е. Вольт-амперы, приложенные к нагрузке — в основном это среднеквадратичное напряжение x среднеквадратичный ток. ВА называется «кажущейся мощностью» и будет равняться реальной / истинной мощности (зеленый цвет), если нагрузка полностью резистивная.

Если нагрузка была чисто реактивной, «полная мощность» = «реактивная мощность» (синий)

Обратите внимание, что на диаграмме выше угол между реальной и реактивной мощностью всегда составляет 90 градусов. Следуя дальнейшим комментариям, приведенная ниже диаграмма должна помочь прояснить некоторые аспекты реактивной мощности: —

Существует четыре сценария: резистивная, индуктивная, емкостная и смешанная нагрузка. Черная кривая на всех четырех — это «мощность», т.е. \ $ v \ cdot i \ $. Обратите внимание, что для катушки индуктивности и конденсатора средняя мощность равна нулю.

Реактивная мощность не потребляется. Реактивная мощность является следствием электрического реактивного сопротивления цепи, то есть разности фаз между источником и нагрузкой. Вся мощность будет передана на активную нагрузку, но, поскольку цепь не активна на 100%, будет необходима реактивная мощность, чтобы «переместить» активную энергию через реактивную цепь. Это означает, что вам понадобятся кабели большего размера для передачи всей этой мощности (активная + реактивная).

Полная мощность, истинная мощность, реактивная мощность и общая мощность

Полная мощность

Полная мощность (S) — это мощность, подаваемая в электрическую цепь.

Приведенное ниже уравнение представляет собой математическое представление полной мощности.

Полная мощность измеряется в вольтамперах (ВА).

S = I ² Z = I _T E

где

S = полная мощность (ВА)
I = действующий ток (A)
E = действующее значение напряжения (В)
Z = полное сопротивление (Ом)

Истинная сила

Истинная мощность (P) — это мощность, потребляемая резистивными нагрузками в электрической цепи.

Приведенное ниже уравнение представляет собой математическое представление истинной мощности.

Истинная мощность измеряется в ваттах.

P = I ² R = EI cosθ

где

P = истинная мощность (Вт)
I = действующий ток (A).
E = действующее значение напряжения (В)
R = сопротивление (Ом)
θ = угол между синусоидальными волнами E и I

Реактивная мощность

Реактивная мощность (Q) — это мощность, потребляемая в цепи переменного тока из-за расширения и разрушения магнитных (индуктивных) и электростатических (емкостных) полей.

Реактивная мощность выражается в реактивных вольт-амперах (ВАР).

Уравнение ниже представляет собой математическое представление реактивной мощности.

Q = I ² X = EI sinθ

где

Q = реактивная мощность (ВАР)
I = действующий ток (А)
X = чистое реактивное сопротивление (Ом)
E = действующее напряжение (В)
θ = угол между синусоидальными волнами E и I

В отличие от реальной мощности, реактивная мощность не является полезной мощностью, потому что она хранится в самой цепи. Эта мощность накапливается индукторами, потому что они расширяют и сжимают свои магнитные поля, пытаясь поддерживать постоянный ток, и конденсаторами, потому что они заряжаются и разряжаются, пытаясь поддерживать постоянное напряжение.Индуктивность и емкость цепи потребляют и отдают реактивную мощность.

Реактивная мощность зависит от силы тока системы. Мощность, передаваемая на индуктивность, сохраняется в магнитном поле, когда поле расширяется, и возвращается к источнику, когда поле схлопывается. Мощность, подаваемая на емкость, накапливается в электростатическом поле, когда конденсатор заряжается, и возвращается к источнику, когда конденсатор разряжается.

Никакая мощность, подаваемая в цепь источником, не потребляется.Все возвращается в источник. Таким образом, истинная мощность, которая представляет собой потребляемую мощность, равна нулю. Мы знаем, что переменный ток постоянно меняется; таким образом, цикл расширения и схлопывания магнитного и электростатического полей происходит постоянно.

Общая мощность

Полная мощность, отдаваемая источником, — это полная мощность. Часть этой кажущейся мощности, называемой истинной мощностью, рассеивается сопротивлением цепи в виде тепла. Остальная полная мощность возвращается источнику индуктивностью и емкостью цепи.

Треугольников мощности и импеданса — тригонометрия и генерация однофазного переменного тока для электриков

Это тот момент, когда я попрошу вас взять меня за руку и поверить мне. Хорошо, тебе не нужно брать меня за руку, но ты должен мне доверять. Мы собираемся начать использовать некоторые термины, прежде чем полностью углубиться в их теорию. Я обещаю, что мы более подробно рассмотрим эти концепции в будущих уроках.

При работе с цепями постоянного тока единственное, что препятствует току, — это сопротивление в цепи.

Рис. 20. Резистивная цепь постоянного тока

Как мы узнаем в следующих разделах, переменный ток добавляет компонент, который также противодействует току. Это называется реактивным сопротивлением и проходит под углом 90 градусов к сопротивлению цепи. Это означает, что их невозможно арифметически сложить; это должно быть сделано с использованием теоремы Пифагора. Когда вы складываете эти два вместе, вы получаете полное сопротивление протеканию тока, называемое импедансом .

Рисунок 21. Индуктивная цепь постоянного тока

Треугольник, который образуется при добавлении сопротивления к реактивному сопротивлению, известен как треугольник импеданса .

Рис. 22. Треугольник полного сопротивления

В треугольнике полного сопротивления сопротивление (r) всегда находится в нижней части треугольника, реактивное сопротивление (x) всегда идет сбоку, а гипотенуза всегда является сопротивлением (z).

При работе с чисто резистивной схемой рассеиваемая мощность находится в форме тепла или света и измеряется в ваттах и ​​известна как истинная или активная мощность . Это продукт I ² R.

Рисунок 23. Цепь резистивной мощности

В цепи переменного тока с индуктивностью все еще присутствуют ватты.При прохождении тока через реактивное сопротивление также присутствует реактивная мощность. Эта мощность называется реактивной мощностью , а также мощностью без ваттной мощности или квадратурной мощностью . Его единица — варс.

Рис. 24. Индуктивная цепь питания

Подобно треугольнику импеданса, мы не можем просто сложить две мощности вместе, чтобы получить общую мощность. Их необходимо добавить, используя теорему Пифагора. Их сумма равна полной мощности (ВА).

Рис. 25. Треугольник мощности

При расчете реактивной мощности мы все еще можем использовать формулы мощности. Нам просто нужно использовать их с реактивным сопротивлением вместо сопротивления.

• I ² X = Вар
• E ² (напряжение индуктора) / X = Варс
• I x E (напряжение индуктора) = Варс

Помните

При построении треугольника импеданса или мощности резистивная составляющая всегда идет в нижней части треугольника, а реактивная составляющая всегда идет сбоку.

Реальная, реактивная и полная мощность в цепях переменного тока

Привет, друзья добро пожаловать в новый пост. В этом посте мы обсуждаем реальной, реактивной и полной мощности в цепях переменного тока. В системе электроснабжения переменного тока используется три типа мощности: реактивная, активная и полная. Все эти полномочия имеют собственное влияние на систему и определяют их действие.

В этом посте мы подробно обсуждаем все параметры, связанные с этими полномочиями.Итак, приступим.

Реальная, реактивная и полная мощность в цепях переменного тока

• Схема В постоянного тока показана на рисунке ниже.

• Мощность, подаваемая на нагрузку постоянного тока, кратна напряжению относительно нагрузки и току, протекающему в ней.

p = VI

• В случае цепей переменного тока, имеющих синусоидальную форму волны, это сложно, поскольку существует угловая разница между переменным напряжением и переменным током, подаваемым на нагрузку.
• Мгновенная мощность, подаваемая на нагрузку переменного тока, кратна мгновенному напряжению и току экземпляра.С этой средней мощностью, придаваемой нагрузке, через фазовый угол между напряжением и током.
• Здесь мы обсуждаем коэффициент разности фаз при средней мощности, подаваемой на нагрузку переменного тока.
• На рисунке ниже показан источник питания с однофазным напряжением, подающий питание на однофазную нагрузку с полным сопротивлением Z = Z∠θ Ом.
• Если мы предположим, что нагрузка представляет собой индуктор, это привело к тому, что угол θ нагрузки был положительным, и ток отстает от напряжения на ноль градусов.
• Напряжение, подаваемое на нагрузку, равно.

v (t) = √V cos wt

• Здесь V обозначает действующее значение напряжения, подаваемого на нагрузку, и результирующий проходящий ток имеет значение.

i (t) = ∨2I COS (wt-θ)

• Здесь I — действующее значение тока, протекающего в нагрузке.
• Здесь упоминается мгновенная мощность, отдаваемая нагрузке за заданное время t,

p (t) = v (t) i (t) = 2VI cos wt COS (wt — (θ)

• Угол θ в приведенном выше уравнении — это угол импеданса лаода.
• В случае индуктивной нагрузки угол импеданса имеет положительное значение, а токовый сигнал отстает от напряжения на угол θ.
• После применения тригонометрии к вышеприведенному уравнению, мы имеем.

p (t) = VI cos (θ) (1 + cos 2wt) + VI sin (θ) sin 2wt —- B

• Параметр ist в этом уравнении обозначает мощность, подаваемую на нагрузку через элемент тока, который находится в фазе с напряжением.
• Вторая терминология обозначает мощность, передаваемую нагрузке через элемент тока, который сдвинут по фазе на 90 градусов по отношению к напряжению.
• Элемент этого выражения изображен на рисунке ниже.
  
• Мы можем видеть, что первый фактор уравнения мгновенной мощности имеет положительное значение и генерирует сигнал мощности вместо постоянных параметров.
• Здесь показаны средние параметры.

p = Vl cosθ

• Это реальная мощность, передаваемая нагрузке в соответствии с приведенным уравнением B. Единицей измерения реальной мощности является ватт и обозначается как Вт.
• Мы видим, что вторая терминология уравнения мгновенной мощности — положительная половина времени и отрицательная часть времени.в связи с этим чистая мощность равна 0.
• Эта терминология обозначает мощность, которая передается от источника питания к нагрузке, после чего проходит через нее к источнику питания.
• Силовые компоненты, которые перемещаются между нагрузкой и источником питания, называются реактивной мощностью и обозначаются Q.
• Реактивная мощность означает мощность, которая сохраняется и после этого используется в магнитном поле индуктора.
• Уравнение реактивной мощности

Q = VIsinθ

• В этом уравнении θ обозначает угол импеданса нагрузки.Q положительный в случае индуктивных нагрузок и отрицательный в случае емкостных нагрузок, поскольку угол импеданса положительный для индуктивных нагрузок и имеет отрицательные значения для емкостных нагрузок
• Единица измерения реактивной мощности — вольт-ампер. размерные единицы имеют аналогичное значение для ватт и реактивной мощности.
• Полная мощность S, подаваемая на нагрузку, объясняется множеством напряжений относительно нагрузки и тока в нагрузке
• Это мощность, которая выглядит нормально, если разность фаз между напряжением и током уменьшается.
• Итак, здесь указана полная мощность нагрузки.

Уравнения мощности других типов

• Если импеданс является постоянным значением, закон Ома будет использоваться для выполнения других уравнений для реальной полной и реактивной мощности, передаваемой нагрузке.
• Как здесь упоминается величина напряжения около нагрузки.
• В = ИЗ
• , используя это уравнение в приведенном выше выражении, мы имеем.

Что такое комплексная мощность

• Для облегчения понимания, реальные реактивные мощности обозначены в комплексной мощности, обозначенной как S.
• с = P + jQ
• Здесь приводится уравнение комплексной мощности.
• S = VI *

Взаимосвязь между углом импеданса, углом тока и мощностью

• Согласно простой конфигурации схемы, индуктивная нагрузка предлагает положительное значение угла импеданса

• Реактивность катушки индуктивности положительна, если угол импеданса нагрузки имеет положительное значение, фазовый угол тока, проходящего в нагрузке, отстает от фазового угла напряжения относительно нагрузки на θ

Что такое угол поворота

• Фактическая реактивная и полная мощность, передаваемая нагрузке, соответствует треугольнику мощности.
• Треугольник власти можно увидеть здесь.

• Угол в более левой нижней части — это угол импеданса. Соседняя часть треугольника — это активная мощность, подаваемая на нагрузку, противоположная часть треугольника — это реактивная мощность Q, подаваемая на нагрузку, а гипотенуза этого треугольника показывает полную мощность S нагрузки.
• Термин cos θ обычно называют коэффициентом мощности. Коэффициент мощности объясняется как доля полной мощности S, приходящейся на нагрузку с реальной мощностью.
• PF = cos θ
• Здесь θ обозначает угол импеданса

Это подробный пост о реальной, реактивной и кажущейся мощности в цепях переменного тока, если у вас есть какие-либо вопросы, спрашивайте в комментариях. Увидимся в следующем посте.

Автор: Генри

http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром.Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

Зависимость активной мощности от реактивной мощности от полной мощности

В этой статье мы дадим вам определения истинной, реактивной и полной мощности. Также мы проверим их отличия друг от друга.

Что такое активная мощность?

Активная мощность — это мощность, которая используется нагрузкой для обеспечения функционального выхода.Активная мощность выполняет полезную работу и представляет собой полезную часть энергии, которая присутствует в сети. Его также называют истинной силой или реальной силой. Он измеряется в ваттах и ​​обозначается буквой «P».

Для расчета активной мощности можно использовать следующие формулы.

В цепях постоянного тока

P = V x I

В однофазных цепях переменного тока

P = V x I x Cosθ

В трехфазных цепях переменного тока

P = √3 x V x I x Cosθ

Что такое реактивная мощность?

Реактивная мощность — это мощность, которая подводится к нагрузке и возвращается к источнику, а не рассеивается в нагрузке.Это вызвано реактивными элементами в цепи переменного тока, в частности катушками индуктивности и конденсаторами, которые заряжаются и разряжаются во время нормальной работы. Реактивная мощность измеряется как вольт-ампер-реактивная (VAr) и обозначается буквой Q.

Для расчета реактивной мощности можно использовать следующие формулы.

В однофазных цепях переменного тока

Q = V x I x Sinθ

В трехфазных цепях переменного тока

Q = √3 x V x I x Sinθ

Реактивная мощность = √ (Полная мощность²– Истинная мощность²)

VAR = √ (VA² — P²)

Что такое кажущаяся мощность?

Полная мощность — это полная мощность в цепи в любой момент времени.Он включает как рассеиваемую (активную), так и возвращаемую (реактивную) мощность. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА) и обозначается буквой «S».

Для расчета полной мощности можно использовать следующие формулы?

В однофазных цепях переменного тока

S = V x I

В трехфазных цепях переменного тока

S = √3 x V x I

Полная мощность = √ (истинная мощность² + реактивная мощность²)

ВА = √ (Вт² + VAR²)

Соотношение между истинной активной мощностью, реактивной мощностью и полной мощностью

Взаимосвязь между этими тремя типами мощности может быть описана с помощью треугольника мощности.