Активная мощность трансформатора формула

ЧТО ТАКОЕ ПОЛНАЯ, АКТИВНАЯ И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ? ОТ СЛОЖНОГО К ПРОСТОМУ.

В повседневной жизни практически каждый сталкивается с понятием «электрическая мощность», «потребляемая мощность» или «сколько эта штука «кушает» электричества».

В данной подборке мы раскроем понятие электрической мощности переменного тока для технически подкованных специалистов и покажем на картинке электрическую мощность в виде «сколько эта штука кушает электричества» для людей с гуманитарным складом ума :-).

Мы раскрываем наиболее практичное и применимое понятие электрической мощности и намеренно уходим от описания дифференциальных выражений электрической мощности.

ЧТО ТАКОЕ МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА?

В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для практических расчётов бесполезна. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени.

Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел.

Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол φ (сдвиг фаз) — аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

• Активная мощность (Real Power)
• Единица измерения — ватт (русское обозначение: Вт, киловатт — кВт; международное: ватт -W, киловатт — kW).
• Среднее за период Τ  значение мгновенной мощности называется активной  мощностью, и

В цепях однофазного синусоидального тока , где υ и Ι это  среднеквадратичные значения напряжения и тока,  а 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 . 

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной мощностью.

Реактивная мощность (Reactive Power)

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (русское обозначение: вар, кВАР; международное: var).

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними:

 (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью P  соотношением:  .

Физический смысл реактивной мощности — это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до минус 90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой    

реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока.

Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например,асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора.

За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети.

Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

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

Полная мощность (Apparent Power)

Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (русское обозначение: В·А, ВА, кВА-кило-вольт-ампер; международное: V·A, kVA).

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: ; соотношение полной мощности с активной и реактивной мощностями выражается в следующем виде:     где P — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q›0, а при ёмкостной Q‹0).Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому полная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Визуально и интуитивно-понятно все вышеперечисленные формульные и текстовые описания полной, реактивной и активной мощностей передает следующий рисунок 🙂 

Специалисты компании НТС-групп (ТМ Электрокапризам-НЕТ) имеют огромный опыт подбора специализированного оборудования для построения систем обеспечения жизненно важных объектов бесперебойным электропитанием.

Мы умеем максимально качественно учитывать большое количество электрических и эксплуатационных параметров, которые влияют на выбор оборудования. Производители ИБП и электрогенераторов в документации обязательно указывают полную и активную мощность.

Производители стабилизаторов напряжения обычно указывают коэффициент 1(кВт=кВА). Специалисты компании НТС-ГРУПП помогут Вам разобраться  в технических характеристиках и максимально комфортно купить ИБП.

 Несмотря на то что у нас большой выбор стабилизатор напряжения для дома или офиса-  мы поможем Вам найти именно тот, который Вам нужен.

© Материал подготовлен специалистами компании НТС-групп (ТМ Электрокапризам-НЕТ) с использованием информации из открытых источников, в т.ч. из свободной энциклопедии ВикипедиЯ https://ru.wikipedia.org  

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

• 1) Активную мощность P;
• 2) Реактивную мощность Q;
• 3) Полную (кажущуюся) мощность S.
• Активная мощность P вычисляется по формуле:

где φ — угол сдвига фаз между напряжением и током; cos φ — коэффициент мощности, который всегда меньше единицы.

Активная мощность проявляется в приемниках тока, таких как электрическая печь, лампа накаливания, мотор, пре­образуясь там в механическую энергию, в тепловую и т. п.

Реактивная мощность Q может быть найдена по формуле:

Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр или кВАр, если речь о киловольт-амперах реактивных).

Реактивная мощность загружает линию между приемником и генератором, просто циркулируя по проводам между ними. Она проявляется при создании и разрушении магнитных и электрических полей при индуктивном или емкостном характере нагрузки.

Трансформаторы, асинхронные электродвигатели — вот лишь пара примеров, где реактивная мощность значительно проявляется, особенно при работе устройств вхолостую.

Таким образом, чем ниже реактивная мощность, тем эффективнее используются электрические установки.

Полная мощность (или кажущаяся мощность) выражается формулой: 

Полная мощность измеряется в вольт-амперах. Эта мощность включает как активную, так и реактивную составляющие.

Коэффициентом мощности, или cosφ («косинусом фи»), цепи переменного тока, называется отношение активной мощности к полной мощности.

Коэффициент мощности, обычно, меньше единицы, но в случае когда нагрузка полностью активная, вся мощность является активной мощностью, и тогда коэффициент мощности равен единице.

В общем случае, чем большую долю полной мощности составляет непосредственно активная мощность, тем более коэффициент мощности приближен к единице.

И задача состоит в том, чтобы по линии к потребителю протекала только минимально необходимая величина реактивной энергии.

Уменьшить реактивную мощность можно путем уменьшения сдвига фаз между напряжением и током. Низкий cosφ (коэффициент мощности) имеет следствием неполное использование электрического оборудования установок и снижение общего коэффициента полезного действия.

Поэтому, необходимо добиваться поддержания cosφ установок на приемлемо высоком уровне.

Для повышения Cosφ применяют специальные компенсирующие установки (синхронные компенсаторы, статические конденсаторы) или добиваясь полной загрузки трансформаторов и электродвигателей.

3.5. Активная, реактивная и полная мощности

Пусть
ток отстает по фазе от напряжения на
угол ,
т.е..
Тогда мгновенное значение мощности

Но

Мгновенная
мощность имеет постоянную составляющую
и переменную двойной
частоты. Диаграммы изменения приведены на рис.40.

На ин­тервалах,
когдаu
и iимеют
одинаковое направление, мгновенная
мощность положительна,
энергия потребляется от источника.

На
интервалах, когда u
и i
имеют
противоположное направление, мгновенная
мощность отрицательна и энергия
возвращается источнику.

Среднее
значение мгновенной мощности за период
переменного напряжения (или тока)
называется активной
мощностью
и обозначается, как и в целях постоянного
тока, прописной буквой Р. Так как среднее
значение гармонической составляющей
на периоде повторения равно нулю, то

Активная
мощность физически представляет собой
энергию, которая выделяется в единицу
времени в виде теплоты на участке цепи
с сопротивлением R:

Единицей измерения
активной мощности является ватт (Вт).

Под
реактивной
мощностью
Q
понимают произведение

Единица измерения
здесь та же, что и у активной мощности,
но для различия используется вольт-ампер
реактивный (ВАр).

Полная (или
кажущаяся) мощность

S=UI (39)

Полную
мощность можно характеризовать как
максимальную активную мощность, которую
мог бы отдать генератор при активной
нагрузке. Мощности Р, Q
и S
связаны следующей зависимостью:

Очень важной
характеристикой цепей переменного тока
является отношение

Для
лучшего использования электрических
генераторов желательно иметь максимально
возможное значение .

Например, для питания приемника мощностью
10000 кВт при

png» width=»63″>источник питания должен быть рассчитан
на мощность 14300 кВА, а при- на 10000 кВА.

Высокое
значение желательно также для уменьшения потерь
в ЛЭП. При неизменной активной мощности
Р приемника ток в линии тем меньше, чем
больше значение:

Большинство
реальных потребителей электроэнергии
имеют индуктивный характер нагрузки,
т.е. в сети ток отстает от напряжения.
Отмеченное можно проиллюстрировать
схемой на рис.41, а (конденсатор отключен)
и векторной диаграммой на рис.41,б

При отключенном
конденсаторе имеем:

Подключение
в схему конденсатора приведет к изменению
тока I, что можно проследить по векторной
диаграмме на рис.42 (для удобства построений
здесь вектор

png» width=»13″>направлен вертикально, но взаимное
расположение векторови

png» width=»15″>не изменилось).

На
диаграмме обозначено: и

png» width=»15″>-
активная и реактивная составляющие
токаI;
и

png» width=»19″>- активная и реактивная составляющие
тока.
Для схемы с конденсатором получим

Отсюда
требуемая емкость для уменьшения
отставания тока от величины до
величины

Если требуется
полная компенсация угла сдвига фаз, то

Рассмотрим простой
прием расчета активной и реактивной
мощностей. Пусть задан некоторый комплекс

Обозначим
напряжение на некотором участке цепи
,
ток поэтому участку.

Угол между напряжением и током.
Умножим комплекс напряжения на сопряженный
комплекс тока

png» width=»47″>и обозначим полученный комплекс черезS

Для определения
же полной мощности следует пользоваться
только формулой (40).

Из
закона сохранения энергии следует, что
в любой цепи должен соблюдаться баланс
мощностей.
Для цепей переменного тока он формулируется
следующим образом: сумма активных
мощностей источников равна сумме
активных мощностей приемников, а сумма
реактивных мощностей источников равна
сумме реактивных мощностей приемников.

При этом под
реактивной мощностью приемников энергии
понимается сумма произведений квадратов
токов ветвей на реактивные сопротивления
ветвей с учетом их знака.

Для
экспериментального определения мощности
применяются специальные приборы —
ваттметры. Ваттметр содержит две обмотки
и соответственно две пары зажимов для
подключения его в цепь.

Одна обмотка
включается в цепь последовательно,
подобно амперметру, вторая — параллельно
участку цепи, подобно вольтметру.

На
схемах ваттметр изображается в виде
кружка с буквой W,
из которого выходят четыре конца, как
показано на рис.43.

Для
правильного включения в цепь начала
обмоток обозначаются звездоч-ками.
Ваттметр устроен таким образом, что
измеряет произведение эффективных
значений напряжения

png» width=»23″>на
ток I и на косинус угла сдвига между
током и напряжением (предполагается,
что ток втекает в вывод последовательной
обмотки, отмеченной звездочкой, а
напряжение на параллельной обмотке
равно разности потенциалов между выводом
со звездочкой – точка на рис.

43 – и выводом без звездочки – точкаb
на рисунке) Как правило, ваттметр включают
в схему так, что он измеряет активную
мощность. По можно при определенном
подклюю-чении измерять и реактивную
мощность.

Пример 15.

Требуется
вычислить комплексное сопротивление
Z
и комплексные проводимости Y
цепи для случаев: а) >0;
б)

Единицы измерения мощности производственного оборудования

Она расходуется на то, чтобы в проводнике происходило перемещение электронов. В случае одного электрона, имеющего единичный заряд, она сопоставима с величиной напряжения сети.

Полная энергия, которая необходима для перемещения всех электронов, будет определяться как произведение напряжения на число электронов, находящихся в цепи при работе электрического прибора.

Ниже представлена формула электрической мощности:

• Р=(U*Q)/t.
• Учитывая, что число электронов, протекающих за промежуток времени через поперечное сечение проводника, представляет собой электрический ток, можно представить его в выражение для искомой величины. Формула электрической мощности будет выглядеть:
• Р=I*U.

В реальности приходится вычислять не саму мощность, а величину тока, зная напряжение сети и номинальную мощность. Определив ток, который потребляется определенным прибором, можно соотнести номинал розетки и автоматического выключателя.

Чем отличаются кВа и кВт?

1. Вольт-ампер (ВА или VA)
2. – единица, используемая для обозначения полной мощности переменного тока, определяемая как произведение силы тока действующей в цепи (измеряется в амперах, сокращенно A) и напряжения на зажимах цепи (измеряется в вольтах, сокращенно B).

3. Ватт (Вт или W)

– единица , применяемая для измерения мощности. Своим названием данная единица обязана шотландско-ирландскому изобретателю Джеймсу Уатту. 1 ватт – мощность, при которой за время равное 1с. совершается работа в 1Дж.

Ватт является единицей активной мощности, значит, 1 ватт – мощность постоянного электрического тока силой 1A при напряжении равном 1B.

!Выбирая дизельный генератор нужно помнить о том, что полная мощность, потребляемая прибором, измеряется в кВА, а активная мощность, затрачиваемая на то, чтобы совершить полезную работу измеряется в кВт.

Полная мощность рассчитывается как сумма двух слагаемых реактивной мощности и активной мощности. Весьма часто отношение полной и активной мощностей имеет различные значения для разных потребителей, поэтому, для того, чтобы найти суммарную мощность всего потребляющего оборудования требуется провести суммирование полных, а не активных мощностей оборудования.

Номинальная мощность

Мощность большинства промышленных электроприборов определяется в ваттах, это активная мощность

, выделяющаяся на резистивной нагрузке (лампочка, нагревательные приборы, холодильник и т.п.).

Обычно под потребляемой мощностью

понимают именно активную мощность, полностью идущую на полезную работу. В случае, если речь идет об активном потребителе (чайник, лампа накаливания), то на нем, как правило, написаны номинальное напряжение и номинальная мощность в Вт, этой информации достаточно, чтобы вычислить косинус «фи».

Угол «фи» – это угол между напряжением и током. Для активных потребителей угол «фи» равен 0, а, как известно, cos(0) = 1. Для того, чтобы вычислить активную мощность (обозначается P) нужно найти произведение трех множителей: тока через потребитель, напряжения на потребителе, косинуса «фи», то есть провести расчёты по формуле

P=I×U×сos(φ)= I×U×cos(0)=I×U

Рассмотрим пример для ТЭНа. Так как это активный потребитель, то cos(0) = 1. Полная мощность (обозначаемая S) будет равна 10кВА. Следовательно, P=10× cos(0)=10 кВт — активная мощность.

  Коэффициентом трансформации называют

Если же речь идет о потребителях, имеющих не только активное, но и реактивное сопротивление, то на них, как правило, указывается P в Вт (активная мощность) и величина косинуса «фи».

Приведем пример для двигателя, на бирке которого написано: P=5 кВт, сos(φ)=0.8, отсюда следует, что этот двигатель, работая в номинальном режиме будет потреблять S = P/сos(φ)=5/0,8= 6,25 кВа — полная (активная) мощность и Q = (U×I)/sin(φ) — реактивная мощность.

• Чтобы найти номинальный ток
• двигателя необходимо разделить его полную мощность S на рабочее напряжение равное 220 B.
• Однако номинальный ток можно также прочитать на бирке.
• Чтобы увидеть разницу между кВА и кВт на практике, изучите товары в разделе Дизельные генераторы >>
• Почему мощность на генераторах указывается в ВА?
• Ответ следующий: пусть мощность стабилизатора напряжения, указанная на бирке равна 10000 ВА, если к этому трансформатору подключить некоторое количество ТЭНов, то отдаваемая трансформатором мощность (трансформатор работает в номинальном режиме) не превысит 10000 Вт.

В данном примере все сходится. Однако, если же подключить к стабилизатору напряжения катушку индуктивности (много катушек) или электродвигатель со значением сos(φ)=0.8. В итоге мощность отдаваемая стабилизатором будет равна 8000 Вт. Если же для электродвигателя сos(ф)=0.

85, то отдаваемая мощность будет равна 8500 Вт. Отсюда следует, что надпись 10000Ва на бирке трансформатора не будет соответствовать действительности.

Именно поэтому, мощность генераторов (стабилизаторов и трансформаторов напряжения) определяется в полной мощности (для рассмотренного примера 1000 кВА).

Коэффициент мощности

рассчитывается как соотношение средней мощности переменного тока и произведения действующих в цепи значений тока и напряжения. Максимальное значение,которое может принимать коэффициент мощности равно 1.

1. При рассмотрении синусоидального переменного тока
2. , для определения коэффициента мощности используется формула:
3. сos(φ) = r/Z
4. r
5. иZ – соответственно активное и полное сопротивления цепи, а
6. угол φ

– это разность фаз напряжения и тока. Отметим, что коэффициент мощности может принимать значения меньшие 1, даже в цепях с только активным сопротивлением, если в них присутствуют нелинейные участки, так как происходит изменение формы кривых тока и напряжения.

Коэффициент мощности равен также косинусу угла фаз между основаниями кривых тока и напряжения. Коэффициент мощности – отношение активной мощности к полной мощности: сos(φ) = активная мощность/полная мощность = P/S (Вт/ВА). Коэффициент мощности – это комплексная характеристика нелинейных и линейных искажений, которые вносятся в сеть нагрузкой.

Значения, принимаемые коэффициентом мощности:

• 1.00 – очень хороший показатель;
• 0.95 — хорошее значение;
• 0.90 — удовлетворительное значение;
• 0.80 — среднее значение;
• 0.70 — низкое значение;
• 0.60 — плохое значение.

Для того, чтобы увидеть отличия кВА и кВт на конкретном примере, перейдите в раздел Стабилизаторы напряжения >>

Примеры расчетов

• Для чайника, электрическая мощность которого рассчитана на два киловатта, потребляемый ток определяется по формуле:
• I=P/U=(2*1000)/220=9А
• Чтобы подключать такой прибор в обычную электрическую сеть, разъем, рассчитанный на 6 ампер, явно не подойдет.

Приведенные выше зависимости между мощностью и электрическим током уместны только при полном совпадении по фазе значений напряжения и тока. Практически для всех бытовых электрических приборов подходит формула электрической мощности.

Расчет и виды

Из-за прямой зависимости мощности от напряжения в сети и токовой нагрузки следует, что эта величина может появляться как от взаимодействия большого тока с малым напряжением, так и в результате возникновения значительного напряжения с малым током. Такой принцип применим для превращения в трансформаторах и при передаче электроэнергии на огромные расстояния.

Существует формула для расчета этого показателя. Она имеет вид P = A / t = I * U, где:

• Р является показателем токовой мощности, измеряется в ваттах;
• А — токовая работа на цепном участке, исчисляется джоулями;
• t выступает временным промежутком, на протяжении которого совершалась токовая работа, определяется в секундах;
• U является электронапряжением участка цепи, исчисляется Вольтами;
• I — токовая сила, исчисляется в амперах.

Электрическая мощность может иметь активные и реактивные показатели. В первом случае происходит преобразование мощностной силы в иную энергию. Ее измеряют в ваттах, так как она способствует преобразованию вольта и ампера.

Реактивный показатель мощности способствует возникновению самоиндукционного явления. Такое преобразование частично возвращает энергетические потоки обратно в сеть, из-за чего происходит смещение токовых значений и напряжения с отрицательным воздействием на электросеть.

Исключительные ситуации

1. В том случае, если в цепи присутствует большая емкость либо индуктивность, используемые формулы будут недостоверными, ими нельзя пользоваться для проведения математических расчетов.

   Например, электрическая мощность для двигателя переменного тока будет определяться следующим образом:

2. Р=I*U*cosφ.
3. cosφ – это коэффициент мощности, который для электрических двигателей составляет 0,6-0,8 единиц.

4. Определяя параметры прибора в трехфазной сети с напряжением 380 В, необходимо суммировать мощность из отдельных величин для каждой фазы.

Работа электрического тока

Проходя по цепи, ток совершает работу. Как например, водный поток направить течь, на лопасти генератора, то пон будет совершать работу, вращая лопасти. Так же и ток совершает работу, двигаясь по проводнику. И эта работа тем выше, чем больше величина сила тока и напряжения.

Работа электрического тока, совершаемая на участке цепи, прямо пропорциональна силе тока, напряжению и времени действия тока. Работа электрического тока обозначается латинским символом A.

Так как, произведение I×U есть мощность, то формулу работы электрического тока можно записать: A = P×t

Будет интересно➡ Законы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

Единицей измерения работы электрического тока, является ватт в секундах или в джоулях.

Поэтому, если мы хотим вычислить, какую работу осуществил ток, идя по цепи в течение временного интервала, мы должны умножить мощность на время Рассмотрим практический пример, через реостат с сопротивлением 5 Ом идет ток силой 0,5 А. Нужно вычислить, какую работу совершит ток в течение четырех часов. Работа в течение одной секунды будет: P=I2R = 0,52×5= 0,25×5 =1,25 Вт,

Тогда за 4 часа t=14400 секунд. Следовательно: А = Р×t= 1,25×14 400= 18 000 вт-сек. Ватт-секунда или один джоуль считаетсяя слишком малой велечиной для измерения работы.

Поэтому на практике применяют единицу, называемую ватт-час (втч). Один ватт-час это эквивалентно 3 600 Дж.

В электротехнике используются и еще большие единицы, гектоваттчас (гвтч) и киловаттчас (квтч): 1 квтч =10 гвтч =1000 втч = 3600000 Дж, 1 гвтч =100 втч = 360 000 Дж, 1 втч = 3 600 Дж.

Мощность электрического тока

Как рассчитать сопротивление и мощность

Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать.

По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом. На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.

Согласно действию закона Джоуля — Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой Р=24х0,5=12 Вт.

Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит. Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.

Активная и реактивная мощность. За что платим и работа

Активная и реактивная мощность — потребители электрической энергии на то и потребители, чтобы эту энергию потреблять.

Потребителя интересует та энергия, потребление которой идет ему на пользу, эту энергию можно назвать полезной, но в электротехнике ее принято называть активной.

Это энергия, которая идет на нагрев помещений, готовку пищи, выработку холода, и превращаемая в механическую энергию (работа электродрелей, перфораторов, электронасосов и пр.).

Кроме активной электроэнергии существует еще и реактивная. Это та часть полной энергии, которая не расходуется на полезную работу. Как понятно из вышесказанного, полная мощность – это активная и реактивная мощность в целом.

Активная и реактивная мощность

В понятиях активная и реактивная мощность сталкиваются противоречивые интересы потребителей электрической энергии и ее поставщиков. Потребителю выгодно платить только за потребленную им полезную электроэнергию, поставщику выгодно получать оплату за сумму активной и реактивной электроэнергии. Можно ли совместить эти кажущиеся противоречивыми требования? Да, если свести количество реактивной электроэнергии к нулю

Активная мощность

Существуют потребители электроэнергии, у которых полная и активная мощности совпадают. Это потребители, у которых нагрузка представлена активными сопротивлениями (резисторами). Среди бытовых электроприборов примерами подобной нагрузки являются лампы накаливания, электроплиты, жарочные шкафы и духовки, обогреватели, утюги, паяльники и пр.

Указанная у этих приборов в паспорте, одновременно является активная и реактивная мощность .

Это тот случай, когда мощность нагрузки можно определить по известной из школьного курса физики формуле, перемножив ток нагрузки на напряжение в сети.

Ток измеряется в амперах (А), напряжение в вольтах (В), мощность в ваттах (Вт). Конфорка электрической плиты в сети с напряжением 220 В при токе в 4,5 А потребляет мощность 4,5 х 220 = 990 (Вт).

Реактивная мощность

Иногда, проходя по улице, можно увидеть, что стекла балконов покрыты изнутри блестящей тонкой пленкой. Эта пленка изъята из бракованных электрических конденсаторов, устанавливаемых с определенными целями на питающих мощных потребителей электрической энергии распределительных подстанциях. Конденсатор – типичный потребитель реактивной мощности.

В отличие от потребителей активной мощности, где главным элементом конструкции является некий проводящий электричество материал (вольфрамовый проводник в лампах накаливания, нихромовая спираль в электроплитке и т.п.). В конденсаторе главный элемент – не проводящий электрический ток диэлектрик (тонкая полимерная пленка или пропитанная маслом бумага).

Реактивная емкостная мощность

Красивые блестящие пленки, что вы видели на балконе – это обкладки конденсатора из токопроводящего тонкого материала. Конденсатор замечателен тем, что он может накапливать электрическую энергию, а затем отдавать ее – своеобразный такой аккумулятор.

Если включить конденсатор в сеть постоянного тока, он зарядится кратковременным импульсом тока, а затем ток через него протекать не будет. Вернуть конденсатор в исходное состояние можно, отключив его от источника напряжения и подключив к его обкладкам нагрузку.

Некоторое время через нагрузку будет течь электрический ток, и идеальный конденсатор отдает в нагрузку ровно столько электрической энергии, сколько он получил при зарядке.

Подключенная к выводам конденсатора лампочка может на короткое время вспыхнуть, электрический резистор нагреется, а неосторожного человека может «тряхнуть» или даже убить при достаточном напряжении на выводах и запасенном количестве электричества.

Интересная картина получается при подключении конденсатора к источнику переменного электрического напряжения.

Поскольку у источника переменного напряжения постоянно меняются полярность и мгновенное значение напряжения (в домашней электросети по закону, близкому к синусоидальному).

Конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, через него будет непрерывно протекать переменный ток. Но этот ток не будет совпадать по фазе с напряжением источника переменного напряжения, а будет опережать его на 90°, т.е. на четверть периода.

Это приведет к тому, что суммарно половину периода переменного напряжения конденсатор потребляет энергию из сети, а половину периода отдает, при этом суммарная потребляемая активная электрическая мощность равна нулю. Но, поскольку через конденсатор течет значительный ток, который может быть измерен амперметром, принято говорить, что конденсатор – потребитель реактивной электрической мощности

Вычисляется реактивная мощность как произведение тока на напряжение, но единица измерения уже не ватт, а вольт-ампер реактивный (ВАр).

Так, через подключенный к сети 220 В частотой 50 Гц электрический конденсатор емкостью 4 мкФ течет ток порядка 0,3 А.

Это означает, что конденсатор потребляет 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивной мощности – сравнимо с мощностью средней лампы накаливания, но конденсатор, в отличие от лампы, при этом не светится и не нагревается.

Реактивная индуктивная мощность

Если в конденсаторе ток опережает напряжение, то существуют ли потребители, где ток отстает от напряжения? Да, и такие потребители, в отличие от емкостных потребителей, называются индуктивными, оставаясь при этом потребителями реактивной энергии. Типичная индуктивная электрическая нагрузка – катушка с определенным количеством витков хорошо проводящего провода, намотанного на замкнутый сердечник из специального магнитного материала.

На практике хорошим приближением чисто индуктивной нагрузки является работающий без нагрузки трансформатор (или стабилизатор напряжения с автотрансформатором). Хорошо сконструированный трансформатор на холостом ходу потребляет очень мало активной мощности, потребляя мощность в основном реактивную.

Реальные потребители электрической энергии и полная электрическая мощность

Из рассмотрения особенностей емкостной и индуктивной нагрузки возникает интересный вопрос – что произойдет, если емкостную и индуктивную нагрузку включить одновременно и параллельно.

Ввиду их противоположной реакции на приложенное напряжение, эти две реакции начнут компенсировать друг друга. Суммарная нагрузка окажется только емкостной или индуктивной, и в некотором идеальном случае удастся добиться полной компенсации.

Выглядеть это будет парадоксально – подключенные амперметры зафиксируют значительные (и равные!) токи через конденсатор и катушку индуктивности, и полное отсутствие тока в объединяющих их общей цепи.

Описанная картина несколько нарушается лишь тем, что не существует идеальных конденсаторов и катушек индуктивности, но подобная идеализация помогает понять суть происходящих процессов.

Вернемся к реальным потребителям электрической энергии. В быту мы пользуемся в основном потребителями чисто активной мощности (примеры приведены выше), и смешанной активно-индуктивной. Это электродрели, перфораторы, электродвигатели холодильников, стиральных машин и прочей бытовой техники.

Также к ним относятся электрические трансформаторы источников питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры и стабилизаторов напряжения. В случае подобной смешанной нагрузки, помимо активной (полезной) мощности, нагрузка потребляет еще и реактивную мощность, в итоге полная мощность отказывается больше активной мощности.

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), и всегда представляет собой произведение тока в нагрузке на напряжение на нагрузке.

Таинственный «косинус фи»

В случае смешанной нагрузки значение коэффициента мощности заключается в пределах от 0 до 1. Для бытовой техники обычно в диапазоне 0,5-0,9. В среднем можно считать его равным 0,7, более точное значение указывается в паспорте электроприбора.

За что платим?

И, наконец, самый интересный вопрос – за какой вид энергии платит потребитель. Исходя из того, что реактивная составляющая суммарной энергии не приносит потребителю никакой пользы, при этом долю периода реактивная энергия потребляется, а долю отдается, платить за реактивную мощность незачем.

Но бес, как известно, кроется в деталях.

Поскольку смешанная нагрузка увеличивает ток в сети, возникают проблемы на электростанциях, где электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, а именно: индуктивная нагрузка «развозбуждает» генератор, и приведение его в прежнее состояние обходится в затраты уже реальной активной мощности на его «довозбуждение».

Таким образом, заставить потребителя платить за потребляемую реактивную индуктивную мощность вполне справедливо. Это побуждает потребителя компенсировать реактивную составляющую своей нагрузки, а, поскольку эта составляющая в основном индуктивная, компенсация заключается в подключении конденсаторов наперед рассчитанной емкости.

Потребитель находит возможность платить меньше

Если потребителем оплачивается отдельно потребляемая активная и реактивная мощность. Он готов идти на дополнительные затраты и устанавливать на своем предприятии батареи конденсаторов, включаемые строго по графику в зависимости от средней статистики потребления электроэнергии по часам суток.

Существует также возможность установки на предприятии специальных устройств (компенсаторов реактивной мощности), подключающих конденсаторы автоматически в зависимости от величины и характера потребляемой в данный момент мощности. Эти компенсаторы позволяют поднять значение коэффициента мощности с 0,6 до 0,97, т.е. практически до единицы.

Принято также, что если соотношение потребленной реактивной энергии и общей не превышает 0,15, то корпоративный потребитель от оплаты за реактивную энергию освобождается

Что же касается индивидуальных потребителей, то, ввиду сравнительно невысокой потребляемой ими мощности, разделять счета на оплату потребляемой электроэнергии на активную и реактивную не принято.

Бытовые однофазные счетчики электрической энергии учитывают лишь активную мощность электрической нагрузки, за нее и выставляется счет на оплату. Т.е.

в настоящее время даже не существует технической возможности выставить индивидуальному потребителю счет за потребленную реактивную мощность.

Особых стимулов компенсировать индуктивную составляющую нагрузки у потребителя нет, да это и сложно осуществить технически. Постоянно подключенные конденсаторы при отключении индуктивной нагрузки будут бесполезно нагружать подводящую электропроводку.

За электросчетчиком (перед счетчиком тоже, но за то потребитель не платит), что вызовет потребление активной мощности с соответствующим увеличением счета на оплату, а автоматические компенсаторы дороги и вряд ли оправдают затраты на их приобретение.

Другое дело, что производитель иногда устанавливает компенсационные конденсаторы на входе потребителей с индуктивной составляющей нагрузки. Эти конденсаторы, при правильном их подборе, несколько снизят потери энергии в подводящих проводах, при этом несколько повысив напряжение на подключенном электроприборе за счет уменьшения падения напряжения на подводящих проводах.

Но, что самое главное, компенсация реактивной энергии у каждого потребителя, от квартиры до огромного предприятия, снизит токи во всех линиях электропитания, от электростанции до квартирного щитка. За счет реактивной составляющей полного тока, что уменьшит потери энергии в линиях и повысит коэффициент полезного действия электросистем.

Похожие темы: