сила постоянного тока, как определить с помощью формулы

Электричество — один из важнейших технологических прорывов человечества, благодаря которому люди пользуются компьютерами, мобильными телефонами и любой бытовой техникой. Каждый, наверное, слышал о том, что есть постоянный и переменный электроток, но какими они обладают характеристиками знают далеко не все. Одной из важнейших является мощность. В этом материале будет рассмотрено, что такое мощность постоянного тока и как ее определить.

Что такое постоянный ток

Постоянный электрический ток — это такой ток, который не изменяет свое направление и величину с течением времени. Это своеобразная разновидность однонаправленного DC. Его мощностью называется значение, показывающее работу, которую он совершает в результате перемещения заряда на некоторое расстояние за единицу времени. Измеряется она, как и механическая или световая величина в ваттах.

Графики различных типов электрических токов

Что касается расстояния, то этот факт можно опустить, так как заряды в проводнике могут двигаться с очень большой скоростью, преодолевая огромные расстояния.

Постоянное течение зарядов не изменяет своей величины во времени

Виды мощности постоянного тока

Любая мощностная величина определяется работой, которая совершается за определенную единицу времени. Чаще всего ею становится секунда. Она означает величину, характеризующую, насколько быстро совершается работа. Касаемо электрической мощности это расход электроэнергии за одну секунду.

Мощностная характеристика тока соответствует отношению его работы ко времени

Работой тока называется процесс превращения электроэнергии в какую-либо другую энергию (механическую, тепловую или световую). Именно по мощности, которая обозначается буквой «P» или «W», и оценивается работоспособность электротока.

К сведению! Вообще у тока постоянного значения нет активной и реактивной P. Для этого вида сети характерна только мгновенная характеристика.

Мгновенная мощность

Если говорить о сетях переменного электротока, то рассматриваемая величина в них, как и электроток или напряжение, регулярно меняет свои значения. Это напрямую влияет на другие параметры. При константном течении зарядов все остается неизменным. Именно поэтому и возникает термин «мгновенная мощность».

Силы в сети регулярного тока остаются неизменными и равняются мгновенным их значениям, взятым в произвольный момент времени. Такую характеристику можно высчитать по мгновенным значениям. Для этого подходит формула мощности постоянного тока в цепи: P = I * U.

Рассматриваемая величина может быть найдена из произведения силы электротока и напряжения

Если сеть пассивна и в ней соблюдается закон Ома, то справедливо равенство. В случае подключения источника ЭДС нужна другая формула: P = I * E, где E — это электродвижущая сила.

Активная мощность

Активная мощность — это среднее за период значение мгновенной P. При активной P происходит конвертация мощности тока в энергию любого вида (механическую, световую или тепловую). Подобный перевод электротока нельзя выполнить в обратном направлении. Активный тип также измеряется в ваттах. 1 Ватт равен 1 вольту умноженному на 1 ампер.

Работа неразрывно связана с определением мощностных характеристик

К сведению! В бытовых и уж тем более промышленных масштабах единицу измерения ватт никогда не используют. Для этих целей задействуют показатели на порядок выше: мегаватты в киловатты.

Реактивная мощность

Реактивная мощностная характеристика определяет нагрузку, которая создается электрическими устройствами определенными колебаниями энергии электромагнитного поля в сетях синусоидального тока переменной частоты. Она равна произведению среднеквадратичных значений напряжения и силы тока, умноженных на синус угла, на который сдвигается фаза между ними. Реактивный параметр неразрывно связан с полной P и активным параметром.

Все основные величины могут быть найдены с использованием закона Ома

Если говорить про физический смыл реактивности, то он представляет собой некую энергию, которая перекачивается из источника к реактивным элементам приемника (конденсатор, обмотка генератора, катушка индуктивности и т. д.), а потом возвращается обратно в источник за время одного периода колебаний.

Полная мощность

Полная P электротока представляет собой значение, соответствующее произведению силы электротока и напряжения в цепи. Она неразрывно связана с активной и реактивной величинами и определяется следующим уравнением: , где Sos = полная мощность, а P и Q — ее активная и реактивная характеристики соответственно.

Общая мощность, которую можно представить в виде кружки пива

Если говорить проще, то активная P есть везде, где присутствует нагрузка активного плана. Например, в спиральных нагревателях, сопротивлении проводов и т. д. Реактивный параметр характерен для реактивной нагрузки, которая имеется в элементах индуктивности или емкости.

Какие факторы влияют на мощность тока

На постоянный ток влияют всего две величины: сила электротока (в амперах) и напряжение (в вольтах). Из формулы, описанной выше, становится понятно, что мощностная характеристика константного электротока высчитывается как произведение силы электротока в этой сети на напряжение.

Обратите внимание! В случае подключения к цепи источника электродвижущих сил P будет зависеть и от него, а если быть точнее, то он будет измеряться как сила тока, умноженная на ЭДС.

Как определить мощность постоянного тока в ваттах

Определить мощностные параметры электротока постоянного значения достаточно просто, так как она равна мгновенной его характеристике. Происходит это из-за того, что постоянный электроток не меняет своего направления и значения. Мгновенная характеристика может также применяться и в цепях переменного электротока, но это не будет иметь практического применения, так как его параметры регулярно меняют величину и направление.

Для определения P постоянного электротока необходимо найти произведение силы этого электротока и напряжения. В случае рассмотрения пассивной линейной цепи можно воспользоваться произведением квадрата силы тока и сопротивления цепи или отношением квадрата напряжения и общего сопротивления.

Единицей измерения P является Вт

Таким образом, было рассмотрено, как определить мощность электрического тока, что она собой представляет и от каких величин зависит. Эта физическая величина определяется работой электротока, совершаемой за единицу времени. Если смотреть с точки зрения электричества, то это расход электроэнергии за определенный промежуток времени. Он также измеряется в ваттах, как и механические или световые физические величины.

Понятия активной, полной и реактивной мощностей — Студопедия

Пусть приемник электро­энергии присоединен к источнику синусоидального напряжения u(t) =

Usin(ωt) и потребляет синусоидальный ток i(t) = I sin (ωt -φ), сдви­нутый по фазе относительно напряжения на угол φ. U и I – действующие значения. Значение мгновенной мощности на зажимах приемника определяется выражением

p(t) = u(t) ?i(t) = 2UI sin(ωt) sin (ωt -φ) = UI cos φ — UI cos (2ωt -φ)

(5.1)

и является суммой двух величин, одна из которых постоянна во времени, а другая пульсирует с двойной частотой.

Среднее значение

p(t) за период Т называется активной мощностью и полностью определяется первым слагаемым уравнения (5.1):

Активная мощность ха­рактеризует энергию, расходуемую необратимо источником в единицу времени на производство полезной работы потребителем. Активная энергия, потребляемая электроприёмниками, преобразуется в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и газа и т. п.

Среднее значение от второго слагаемого мгновенной мощности (1.1) (пульсирует с двойной частотой) за время Т равно нулю, т. е. на ее создание не требуется каких-либо материальных затрат и поэтому она не может совершать полезной ра­боты. Однако ее присутствие указывает, что между источником и приемником происходит обратимый процесс обмена энергией. Это возможно, если имеются элементы, способные накапливать и отдавать электромагнитную энергию – емкость и индуктивность. Эта составляющая характеризует реактивную мощность.

Полную мощность на зажимах приемника в комп­лексной форме можно представить следующим образом:

.

(5.2)

Единица измерения полной мощности S = UI – ВА.

Реактивная мощность – величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями (обменом) энергии между источником и приемником. Для синусоидального тока она равна произведению действующих значений тока I и напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними: Q = UI sinφ. Единица измерения – ВАр.

Реактивная мощность не связана с полезной работой ЭП и расходуется только на создание переменных электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, аппаратах, линиях и т. д.

Для реактивной мощности приняты такие понятия, как генерация, потребление, передача, потери, баланс. Считается, что если ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то реактивная мощ­ность потребляется и имеет положительный знак, а если ток опережает напряжение (емкостный характер нагрузки), то реактивная мощность ге­нерируется и имеет отрицательное значение.

Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели (60–65 % общего потреб­ления), трансформаторы (20–25 %), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10 %).

Передача реактивной мощности загружает электрические сети и установленное в ней оборудование, уменьшая их пропускную способность. Реактивная мощность генерируется синхронными генераторами электростанций, синхронными компенса­торами, синхронными двигателями (регулирование током возбуждения), батареями конденсаторов (БК) и линиями электропередачи.

Реактивная мощность, вырабатываемая емкостью сетей, имеет следующий порядок величин: воздушная линия 20 кВ генерирует 1 кВАр на 1 км трехфазной линии; подземный кабель 20 кВ – 20 кВАр/км; воздушная линия 220 кВ – 150 кВАр/км; подземный кабель 220 кВ – 3 МВАр/км.

Коэффициент мощности и коэффициент реактивной мощности.

Векторное представление величин, характеризующих состояние сети, приводит к представлению реактивной мощности Q вектором, перпендикулярным вектору активной мощности Р (рис. 5.2 ). Их векторная сумма дает полную мощность S.

Рис. 5.1. Треугольник мощностей

Согласно рис. 5.1 и (5.2) следует, что S² = Р² + Q²; tgφ = Q/P; cosφ = P/S.

Основным нормативным показателем, характе­ризующим реактивную мощность, ранее был коэффициент мощности cosφ. На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этого коэффициента должно было находиться в пределах 0,92–0,95. Однако выбор соотношения P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения реактивной мощности. Например, при изменении коэффициента мощности от 0,95 до 0,94 реактивная мощность изменяется на 10 %, а при изменении этого же коэффициента от 0,99 до 0,98 приращение реактивной мощности составляет уже 42 %. При расчетах удобнее оперировать соотношением tgφ = Q/P, которое называют коэффициентом реактивной мощности.

Предприятиям, у которых присоединенная мощность более 150 кВт (за исключением «бытовых» потребителей), определены предельные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети – с 7 до 23 часов (Приказ Министерства промышленности и энергетики РФ от 22.02.2007 г. № 49 «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии»).

Предельные значения коэффициентов реактивной мощности (tgφ) нормируются в зависимости от положения точки (напряжения) присоединения потребителя к сети. Для напряжения сети 100 кВ tgφ = 0,5; для сетей 35, 20, 6 кВ – tgφ = 0,4 и для сети 0,4 кВ – tgφ = 0,35.

Введение новых директивных документов по компен­сации реактивной мощности было направлено на повышение эффективности работы всей системы электроснабжения от генераторов энергосистемы до приемников электроэнергии.

С введением коэффициента реактивной мощности стало возможным представлять потери активной мощности через активную или реактивную мощности: Р = (P²/U²) R (l + tg²φ).

Угол между векторами мощностей Р и S соответствует углу φ между векторами активной составляющей тока I_а и полного тока I, который, в свою очередь, представляет собой векторную сумму активного тока I_а, находящегося в фазе с напряжением, и реактивного тока I_р, находящегося под углом 90° к нему. Это расположение токов является расчетным приемом, связанным с разложением на активную и реактивную мощности, которое можно считать естественным.

Большинство потребителей нуждаются в реактивной мощности, поскольку они функционируют благодаря изменению магнитного поля. Для наиболее употребительных двигателей в нормальном режиме работы можно привести следующие примерные значения tgφ.

Электродвигатели	tgφ	cosφ
Однофазный асинхронный двигатель	1,30–0,90	0,61–0,74
Трехфазный асинхронный двигатель	1,00–0,50	0,70–0,89
Коллекторный двигатель	1,30–1,00	0,61–0,70

В момент пуска двигателей требуется значительное количество реактивной мощности, при этом tgφ = 4–5 (cosφ = 0,2–0,24).

Синхронные машины обладают способностью потреблять или выдавать реактивную мощность в зависимости от степени возбуждения.

В синхронных генераторах и двигателях размеры цепей возбуждения ограничивают возможность поставки реактивной мощности до максимальных значений tgφ = 0,75 (cosφ = 0,8) или до tgφ = 0,5 (cosφ = 0,9) (табл. 5.1).

Синхронные двигатели, выпускаемые отечественной промышленностью, рассчитаны на опережающий коэффициент мощности (cosφ = 0,9) и при номинальной активной нагрузке P_ном и напряжении U_ном могут вырабатывать номинальную реактивную мощность Q_ном ≈ 0,5P_ном.

При недогрузке СД по активной мощности β = P/P_ном < 1 возможна перегрузка по реактивной мощности α = Q/Q_ном > 1.

Преимуществом СД, используемым для компенсации реактивной мощности, по сравнению с КБ является возможность плавного регулирования генерируемой реактивной мощности. Недостатком является то, что активные потери на генерирование реактивной мощности для СД больше, чем для КБ.

Дополнительные активные потери в обмотке СД, вызываемые генерируемой реактивной мощностью в пределах изменения cosφ от 1 до 0,9 при номинальной активной мощности СД, равной P_ном, кВт:

Р_ном = Q²_номR /U²_ном ,

где Q_ном – номинальная реактивная мощность СД, кВ Ар; R – сопротивление одной фазы обмотки СД в нагретом состоянии, Ом; U_ном – номинальное напряжение сети, кВ.

В системах электроснабжения промышленных предприятий КБ компенсируют реактивную мощность базисной (основной) части графиков нагрузок, а СД снижают пики нагрузок графика.

Таблица 5.1

Зависимости коэффициента перегрузки по реактивной мощности синхронных двигателей

Серия, номинальное напряжение, частота вращения двига теля	Относительное напряжение на зажимах двигателя U/Uном	Коэффициент перегрузки по реактивной мощности α при коэффициенте загрузки β
0,90	0,80	0,70
СДН, 6 и 10 кВ (для всех частот вращения) СДН, 6 кВ: 600–1000 об/мин 370–500 об/мин 187–300 об/мин 100–167 об/мин СДН, 10 кВ: 1000 об/мин 250–750 об/мин СТД, 6 и 10 кВ, 3000 об/мин     СД и СДЗ, 380 В (для всех частот вращения)	0,95 1,00 1,05   1,10 1,10 1,10 1,10   1,10 1,10 0,95 1,00 1,05 1,10 0,95 1,00 1,05 1,10	1,31 1,21 1,06   0,89 0,88 0,86 0,81   0,90 0,86 1,30 1,32 1,12 0,90 1,16 1,15 1,10 0,90	1,39 1,27 1,12   0,94 0,92 0,88 0,85   0,98 0,90 1,42 1,34 1,23 1,08 1,26 1,24 1,18 1,06	1,45 1,33 1,17   0,96 0,94 0,90 0,87   1,00 0,92 1,52 1,43 1,31 1,16 1,36 1,32 1,25 1,15

Синхронные компенсаторы.

Разновидностью СД являются синхронные компенсаторы (СК), которые представляют собой СД без нагрузки на валу. В настоящее время выпускается СК мощностью выше 5000 кВ?Ар. Они имеют ограниченное применение в сетях промышленных предприятий. Для улучшения показателей качества напряжения у мощных ЭП с резкопеременной, ударной нагрузкой (дуговые печи, прокатные станы и т. п.) используются СК.

Статические тиристорные компенсирующие устройства. 

В сетях с резкопеременной ударной нагрузкой на напряжении 6–10 кВ рекомендуется применение не конденсаторных батарей, а специальных быстродействующих источников реактивной мощности (ИРМ), которые должны устанавливаться вблизи таких ЭП. Схема ИРМ приведена на рис. 5.2. В ней в качестве регулируемой индуктивности используются индуктивности LR и нерегулируемые ёмкости С1–С3.

Рис. 5.2. Быстродействующие источники реактивной мощности

Регулирование индуктивности осуществляется тиристорными группами VS, управляющие электроды которых подсоединены к схеме управления. Достоинствами статических ИРМ являются отсутствие вращающихся частей, относительная плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть, возможность трёх- и четырёхкратной перегрузки по реактивной мощности. К недостаткам относится появление высших гармоник, которые могут возникнуть при глубоком регулировании реактивной мощности.

За счет дополнительных потерь мощности в сети, вызванных потреблением реактивной мощности, увеличивается общее потребление электроэнергии. Поэтому снижение перетоков реактивной мощности является одной из основных задач эксплуатации электрических сетей.

Мощность в цепях переменного тока — Студопедия

В цепях переменного тока различают три вида мощностей: активную Р, реактивную Q и полную S.

Активная мощность вычисляется по формуле:

(2.20)

Активную мощность потребляет резистивный элемент. Единица измерения активной мощности называется Ватт (Вт), производная единица – килоВатт (кВт), равная 10³ Вт.

Реактивная мощность вычисляется по формуле:

(2.21)

Реактивная мощность потребляется идеальным индуктивным и

емкостным элементами. Единица измерения реактивной мощности называется Вольт-Ампер реактивный (Вар), производная единица – килоВАр (кВАр), равная 10³ ВАр.

Полная мощность потребляется полным сопротивлением и обозначается буквой S:

S= (2.22)

Единица измерения полной мощности называется ВА (Вольт-Ампер), производная единица – килоВольт-Ампер (кВА), равная 10³ ВА.

По сути, размерность у всех выше перечисленных единиц измерения одинакова – . Разные название этих единиц нужны, чтобы различать эти виды мощности.

Проявляются различные виды мощности по-разному. Активная мощность необратимо преобразуется в другие виды мощности (например, тепловую, механическую). Реактивная мощность обратимо циркулирует в электрических цепях: энергия электрического поля конденсатора преобразуется в энергию магнитного поля, и наоборот. «Извлечь» реактивную мощность с «пользой для дела» невозможно.

Из формул (2.19) – (2.21) следует, что между активной, реактивной и полной мощностью имеет место соотношение:

(2.23)

Соотношение между P, Q и S можно интерпретировать как соотношение сторон прямоугольного треугольника (вспомните треугольник сопротивлений, треугольник напряжений – все эти треугольники подобны).

 

Рис. 2.10

Из рис. 2.10 видно, что cosφ = (2.24)

Отсюда вытекает определение одной из основных характеристик цепей переменного тока – коэффициента мощности. Специального обозначения он не получил.

Коэффициент мощности показывает, какую долю полной мощности составляет активная мощность.

Желательно, чтобы коэффициент мощности цепи был как можно больше, т.е. приближался к 1. Реально предприятия электрических сетей устанавливают такое ограничение для промышленных предприятий : соs φ = (0,92-0,95). Достигать значений соs φ >0,95 рискованно, так как разность фаз φ при этом может скачком перейти от положительных значений к отрицательным, что вредно для электрооборудования. Если соsφ < 0,92, предприятия подвергаются штрафу.

Если коэффициент мощности оказывается мал, его необходимо повышать. График функции соs φ имеет вид монотонно убывающей функции в интервале от 0⁰ до 90⁰. Следовательно, увеличить соsφ – значит уменьшить разность фаз , то есть уменьшить (Х_L-Х_С).

Если влиять на (Х_L-Х_С), меняя С и L, то это приведет к увеличению тока в последовательной цепи и изменению режима работы оборудования, поэтому такой способ практически не применяется. В следующем разделе рассмотрен другой способ повышения коэффициента мощности.

Цепь переменного тока с параллельным соединением ветвей.

Рассмотрим электрическую цепь с двумя параллельными ветвями (рис. 2.11). Полученные выводы распространим на цепь с любым количеством ветвей. К цепи, содержащей две параллельные ветви, включающие активные, индуктивные и емкостные элементы (R₁, L₁, C₁ и R₂, L₂, C₂ cоответственно), подводится переменное напряжение U частоты f.

Прямая задача: Заданы все Обратная задача: Заданы свойства входящие в цепь элементы. цепи. Найти неизвестные элементы Найти все токи и разности цепи (эта задача решена в лаборафаз. торной работе Ц-5)

Решим прямую задачу, то есть найдем токи I_1, I₂ и общий ток I .

 

Рис. 2.11. Электрическая цепь с двумя параллельными ветвями

Из второго закона Кирхгофа следует, что напряжения на параллельных участках цепи одинаковы:

U₁ = U₂ = U (2.25)

На основании закона Ома найдем токи I₁ и I₂ :

; (2.26)

Найдем также разности фаз тока и напряжения для каждой ветви:

(2.27)

На основании первого закона Кирхгофа применительно к узлу А можно записать:

_{= +} (2.28)

Таким образом, для определения тока I необходимо векторно сложить токи I₁ и I₂. В качестве опорного вектора удобно выбрать вектор напряжения .

Предположим, что при расчете разностей фаз тока и напряжения в ветвях цепи оказалось, что φ₁>0, а φ₂ под углом φ₁ к вектору , и вектор под углом φ₂ к вектору . Графически складываем эти векторы (см. рис.2.12). Величина тока определяется длиной полученного вектора с учетом выбранного масштаба. Разность фаз неразветвленного участка цепи определяется углом между векторами и

 

Рис. 2.12

Почему мощность трансформатора измеряют в ква, а не в квт ?

Многим из нас известна основная единица мощности – Ватт (Вт) или чаще используется его производная киловатт (кВт) и вы привыкли, что эта характеристика у электрооборудования указывается именно в них.

Но если взять трансформатор или приборы, в которых он является основным компонентом, например, стабилизаторы напряжения, вы увидите, что мощность там указана в кВА — киловольт-амперах.

Давайте разберемся, что такое кВА, почему именно в этих единицах измерения указывается мощность трансформатора и как она связана с обычными киловаттами.

Я не буду выкладывать здесь определения из учебников и сыпать физическими терминами, объясню коротко, простыми словами, чтобы было понятно любому.

В первую очередь, вы должны знать, что у некоторых электроприборов, работающих от переменного тока, не вся потребляемая мощность тратится на совершение полезной работы — нагрева, освещения, звучания, вращения и т.д.

Всего существует четыре основных типа нагрузок, которые могут подключаться в частности к трансформатору:

Резистивная

 

Ярким примером резистивной нагрузки является ТЭН, который нагревается при протекании через него электрического тока.

ТЭН — это обычное сопротивление, ему не важно в какую сторону протекает по нему ток, правило одно, чем сила тока больше, тем больше тепла вырабатывается – соответственно вся мощность тратится на это.

Мощность, которая тратится на резистивной нагрузке называется – активной, как раз она то и измеряется в кВт – киловаттах.

Индуктивная

Знакомым всем примером индуктивной нагрузки является электродвигатель, в нём не весь проходящий электрический ток тратится на вращения. Часть расходуется на создание электромагнитного поля в обмотке или теряется в медном проводнике, эта составляющая мощности называется реактивной.

Реактивная мощность не тратится на совершение работы напрямую, но она необходима для функционирования оборудования.

Кстати, индуктивные электрические плиты, которые так хотят заполучить многие домохозяйки, также используют реактивную мощность, в отличии от обычных электроплит, в которых нагреваются ТЭНы, те чисто резистивные. 

Ёмкостная

 

Еще один пример реактивной составляющей мощности содержит ёмкостная нагрузка, это, например, конденсатор. Принцип работы конденсатора – накапливание и передача энергии, соответственно часть мощности тратится именно на это и напрямую не расходуется на работу оборудования.

Практическаи вся окружающая вас электроника и бытовая техника содержит конденсаторы.

Смешанная

 

Здесь всё просто, смешенная нагрузка сочетает в себе все представленные выше, активную и реактивные составляющие, большинство бытовых приборов именно такие.

Полная мощность электрооборудования, состоит как из активной мощности, так и из реактивной, и измеряется в кВА — киловольт-амперах. Именно она чаще всего указана в характеристиках трансформатора.

Производители трансформаторов не могут знать, какого типа нагрузка к ним будет подключена и где они будут задействованы, поэтому и указывают полную мощность, для смешенной нагрузки.

Так, если нагрузка трансформатора — это ТЭН, то полная мощность будет равна активной, соответственно значение в кВт = кВА, если же нагрузка будет смешенная, включающая реактивную составляющую, то мощность нагрузки должна учитываться полная.

Будьте внимательны, нередко, на электрооборудовании, например, на электроинструменте, мощность прописана в киловаттах, но кроме того указан коэффициент мощности k. В этом случае, вы должны знать простую формулу:

S(полная мощность)=P(активная мощность)/k(коэффициент мощности)

Так, например, если мощность перфоратора P = 2,5кВт, а его коэффициент мощности k = 0,9, то полная мощность перфоратора будет равна S=2,5кВт/0,9=2,8 кВА, именно на столько он будет нагружать сеть.

Теперь, я думаю, вам понятно, почему мощность трансформатора измеряют в кВА, а не в кВт — это позволяет учитывать все виды нагрузок, которые могут подключаться к его вторичной обмотке.

Поэтому, обязательно учитывайте полную мощность указываемую в кВА или коэффициент мощности обордования, перед подключением к трансформатору.

Если же у вас еще остались какие-то вопросы – обязательно оставляйте их в комментариях к статье, кроме того, если есть что добавить, нашли неточности или есть, что возразить – также пишите!

Что такое активная, реактивная и полная мощность — определение и объяснение

Активная мощность

Определение: Мощность, которая фактически потребляется или используется в цепи переменного тока, называется Истинная мощность или Активная мощность или Реальная мощность . Он измеряется в киловаттах (кВт) или МВт. Это фактические результаты работы электрической системы, которая управляет электрическими цепями или нагрузкой.

Реактивная мощность

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

Полная мощность

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

Было замечено, что мощность потребляется только в сопротивлении. Чистая катушка индуктивности и чистый конденсатор не потребляют никакой энергии, поскольку в течение полупериода, какая бы мощность ни принималась от источника этими компонентами, та же самая мощность возвращается к источнику.Эта мощность, которая возвращается и течет в обоих направлениях цепи, называется реактивной мощностью. Эта реактивная мощность не выполняет никакой полезной работы в цепи.

В чисто резистивной цепи ток находится в фазе с приложенным напряжением, тогда как в чисто индуктивной и емкостной цепи ток сдвинут по фазе на 90 градусов, т. Е. Если индуктивная нагрузка подключена к цепи, ток отстает от напряжения на 90 градусов, и если подключена емкостная нагрузка, ток опережает напряжение на 90 градусов.

Следовательно, из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что ток , синфазный с напряжением, дает истинную или активную мощность , тогда как ток , сдвинутый по фазе на 90 градусов с напряжением, способствует реактивной мощности в цепи.

Следовательно,

• Истинная мощность = напряжение x ток в фазе с напряжением
• Реактивная мощность = напряжение x ток не в фазе с напряжением

Векторная диаграмма индуктивной цепи показана ниже:

Если взять за эталон напряжение V, то ток I отстает от напряжения V на угол ϕ.Ток I делится на две составляющие:

• I Cos ϕ в фазе с напряжением В
• I Sin ϕ, который сдвинут по фазе на 90 градусов с напряжением V

Следовательно, следующее выражение, показанное ниже, дает активную, реактивную и полную мощность соответственно.

• Активная мощность P = V x I cosϕ = V I cosϕ
• Реактивная мощность P _r или Q = V x I sinϕ = V I sinϕ
• Полная мощность P _a или S = ​​V x I = VI

Активная составляющая текущей

Составляющая тока, которая находится в фазе с напряжением цепи и вносит вклад в активную или истинную мощность схемы, называется активной составляющей или составляющей полной ватт, или синфазной составляющей тока.

Реактивная составляющая тока

Составляющая тока, которая находится в квадратуре или на 90 градусов по фазе относительно напряжения цепи и вносит вклад в реактивную мощность схемы, называется реактивной составляющей тока.

.

Реальная, реактивная комплексная и полная мощность

Полная мощность — это векторная сумма реальной и реактивной мощности

Инженеры используют следующие термины для описания потока энергии в системе (и назначают каждому из них разные единицы, чтобы различать их):

• Реальная мощность ( P ) [Единица: Вт]
• Реактивная мощность ( Q ) [Единица: ВАР]
• Комплексная мощность ( S )
• Полная мощность (| S |) [Единица: ВА]: i.е. абсолютное значение комплексной мощности S .

P — активная мощность, Q — реактивная мощность (в данном случае отрицательная), S — комплексная мощность, а длина S — полная мощность.

Единицей измерения для всех форм мощности является ватт (обозначение: Вт) . Однако этот блок обычно зарезервирован для компонента реальной мощности. Полная мощность обычно выражается в вольт-амперах (ВА), поскольку это простое произведение среднеквадратичного напряжения и действующего тока.Блоку реактивной мощности присвоено специальное название «VAR» , что означает реактивная мощность вольт-ампер (поскольку поток реактивной мощности не передает полезную энергию нагрузке, ее иногда называют мощностью без мощности). Обратите внимание, что не имеет смысла назначать одну единицу комплексной мощности, потому что это комплексное число, и поэтому оно определяется как пара из двух единиц: Вт и VAR.

Понимание взаимосвязи между этими тремя величинами лежит в основе понимания энергетики.Математическая связь между ними может быть представлена ​​векторами или выражена с помощью комплексных чисел
(где j — мнимая единица).

Комплексное значение S называется комплексной мощностью

.

Рассмотрим идеальную цепь переменного тока, состоящую из источника и обобщенной нагрузки, в которой и ток, и напряжение синусоидальны. Если нагрузка является чисто резистивной, две величины меняют полярность одновременно, направление потока энергии не меняется, и течет только реальная мощность.Если нагрузка является чисто реактивной, то напряжение и ток сдвинуты по фазе на 90 градусов и нет полезного потока мощности. Эта энергия, текущая вперед и назад, называется реактивной мощностью.

Если конденсатор и катушка индуктивности размещены параллельно, тогда токи, протекающие через катушку индуктивности и конденсатор, противоположны и имеют тенденцию компенсироваться, а не складываться. Традиционно считается, что конденсаторы генерируют реактивную мощность, а катушки индуктивности — ее потребляют. Это основной механизм управления коэффициентом мощности при передаче электроэнергии; конденсаторы (или катушки индуктивности) вставляются в цепь для частичного гашения реактивной мощности нагрузки.Практическая нагрузка будет иметь резистивную, индуктивную и емкостную части, поэтому к нагрузке будет поступать как реальная, так и реактивная мощность.
Полная мощность — это произведение напряжения и тока. Полная мощность удобна для определения размеров оборудования или проводки. Однако сложение полной мощности для двух нагрузок не даст точной полной полной мощности, если они не имеют одинакового смещения между током и напряжением.

Коэффициент мощности:

Коэффициент мощности измеряет эффективность системы питания переменного тока.Коэффициент мощности — это реальная мощность на единицу полной мощности. (pf = Wh / VAh) Коэффициент мощности, равный единице, идеален, а 99% — хорошо. Если формы сигнала являются чисто синусоидальными, коэффициент мощности представляет собой косинус фазового угла (f) между синусоидальными формами сигналов тока и напряжения. По этой причине в технических паспортах оборудования и паспортных табличках коэффициент мощности часто сокращается до «cosf».
Коэффициент мощности равен 1, когда напряжение и ток совпадают по фазе, и равен нулю, когда ток опережает или отстает от напряжения на 90 градусов.Коэффициенты мощности обычно указываются как «опережающие» или «запаздывающие», чтобы показать знак фазового угла, где опережение указывает отрицательный знак. Для двух систем, передающих одинаковое количество реальной мощности, система с более низким коэффициентом мощности будет иметь более высокие циркулирующие токи из-за энергии, которая возвращается к источнику из накопителя энергии в нагрузке. Эти более высокие токи в практической системе вызовут более высокие потери и снизят общую эффективность передачи. Схема с более низким коэффициентом мощности будет иметь более высокую кажущуюся мощность и более высокие потери при том же количестве передаваемой активной мощности.
Чисто емкостные цепи вызывают реактивную мощность, форма волны тока опережает волну напряжения на 90 градусов, в то время как чисто индуктивные цепи вызывают реактивную мощность, форма волны тока отстает от формы волны напряжения на 90 градусов. Результатом этого является то, что емкостные и индуктивные элементы схемы имеют тенденцию компенсировать друг друга.

Поток реактивной мощности:

При передаче и распределении энергии значительные усилия прилагаются для управления потоком реактивной мощности. Обычно это делается автоматически путем включения и выключения катушек индуктивности или конденсаторных батарей, регулировки возбуждения генератора и другими способами.Розничные продавцы электроэнергии могут использовать счетчики электроэнергии, которые измеряют реактивную мощность, для финансового наказания потребителей с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Это особенно актуально для клиентов, работающих с высокоиндуктивными нагрузками, такими как двигатели на водонасосных станциях.

Интеллектуальная батарея:

Выходной ток зависит от состояния батареи. Интеллектуальное зарядное устройство может контролировать напряжение, температуру и / или время зарядки аккумулятора, чтобы определить оптимальный ток заряда в этот момент.Зарядка прекращается, когда сочетание напряжения, температуры и / или времени показывает, что аккумулятор полностью заряжен.

Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов напряжение на аккумуляторе медленно увеличивается во время процесса зарядки, пока аккумулятор не будет полностью заряжен. После этого напряжение уменьшается до , что указывает интеллектуальному зарядному устройству, что аккумулятор полностью заряжен. Такие зарядные устройства часто обозначаются как зарядное устройство? V или «дельта-V», что указывает на то, что они контролируют изменение напряжения.

Типичное интеллектуальное зарядное устройство быстро заряжает аккумулятор примерно до 85% от его максимальной емкости менее чем за час, а затем переключается на непрерывную зарядку, которая занимает несколько часов, чтобы полностью зарядить аккумулятор.

Вольт-ампер:

Вольт-ампер в электрических терминах означает количество полной мощности в цепи переменного тока, равное току в один ампер при ЭДС одного вольт. Это эквивалентно ваттам для безреактивных цепей.

• 10 кВ · A = мощность 10 000 Вт (где префикс SI k равен килограммам)
• 10 МВ · A = мощность 10 000 000 Вт (где M равно мега)

В то время как вольт-ампер и ватт эквивалентны по размерам могут найти продукты, рассчитанные как в ВА, так и в ваттах с разными числами.Это обычная практика для ИБП (источников бесперебойного питания). Номинальная мощность в ВА — это кажущаяся мощность, которую способен производить ИБП, а номинальная мощность в ваттах — это реальная мощность (или истинная мощность), которую он способен производить, в отличие от реактивной мощности. Реактивная мощность возникает из-за влияния емкости и индуктивности компонентов нагрузки, питаемой от цепи переменного тока. В чисто резистивной нагрузке (например, лампы накаливания) кажущаяся мощность равна истинной мощности, а количество используемых ВА и ватт будет эквивалентным.Однако в более сложных нагрузках, таких как компьютеры (для питания которых предназначены ИБП), полная потребляемая мощность (ВА) будет больше, чем истинная потребляемая мощность (Вт). Отношение этих двух величин называется коэффициентом мощности.

.

Активная, реактивная и полная мощность

Требуемый источник питания для электрической цепи зависит от

• активной мощности — фактическая потребляемая мощность электрического сопротивления в цепи
• реактивная мощность — мнимая потребляемая индуктивная и емкостная мощность в цепи

Требуемый источник питания называется полной мощностью и представляет собой комплексное значение, которое может быть выражено в виде треугольника Пифагора, как показано на рисунке ниже.

Полная мощность — S

Полная мощность — это мощность, подаваемая в электрическую цепь (обычно от поставщика энергии в сеть) для покрытия реальной и реактивной мощности, потребляемой нагрузкой.

Полная мощность может быть рассчитана как

S = (Q ² + P ² ) ^1/2 (1)

, где

S = полная мощность, подаваемая в цепь ( вольт-ампер, ВА)

Q = потребляемая реактивная мощность в нагрузке (вольт-ампер, реактивная, ВАр)

P = активная потребляемая мощность в нагрузке (ватты, Вт)

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА) — напряжение системы переменного тока, умноженное на текущий ток.Полная мощность — это комплексное значение и векторная сумма активной и реактивной мощности, как показано на рисунке выше.

Однофазный ток

S = UI (2a)

где

U = электрический потенциал (В)

I = ток (A)

Трехфазный ток

S = 3 ^1/2 UI

= 1.732 U I (2b)

Активная мощность — P

Активная — или действительная, или истинная — мощность выполняет фактическую работу в нагрузке. Активная мощность измеряется в Вт (Вт) и — это мощность, потребляемая электрическим сопротивлением.

Однофазный ток

P = UI cos φ

= UI PF (3a)

где

φ = фазовый угол между электрическим потенциалом (напряжением) и током

PF = cos φ

= Коэффициент мощности

Трехфазный ток

P = 3 ^1/2 UI cos φ

= 1.732 U I PF (3b)

Постоянный ток

P = U I (3c)

Реактивная мощность — Q

Реактивная мощность — это мнимая или комплексная мощность в емкостной или индуктивной нагрузке. Реактивная мощность представляет собой обмен энергией между источником питания и реактивными нагрузками, при котором полезная мощность не увеличивается и не теряется. Чистая средняя реактивная мощность равна нулю. Реактивная мощность накапливается и разряжается асинхронными двигателями, трансформаторами, соленоидами и конденсаторами.

Реактивная мощность должна быть минимизирована, поскольку она увеличивает общий ток, протекающий в электрической цепи, не создавая никакой работы для нагрузки. Повышенные реактивные токи приводят только к невосстановимым потерям мощности из-за сопротивления линии питания.

Увеличение реактивной и полной мощности приведет к уменьшению коэффициента мощности — PF .

Реактивная индуктивная мощность измеряется в реактивных вольт-амперах (ВАР).

Однофазный ток

Q = UI sin φ

= UI PF (4a)

где

φ = фазовый угол

Трехфазный ток

Q = 3 ^1/2 UI sin φ

= 1.732 УИ ПФ (4б)

.Коэффициент мощности

, полная и эффективная мощность

коэффициентов мощности, кажущейся мощности и эффективной мощности

PFC (коррекция коэффициента мощности): она делает то, что говорит

Не волнуйтесь, для этой части вам не понадобится школьный учебник физики. Мы просто хотим отметить еще одну характеристику, по которой можно отличить качественный БП от плохого. Если вы усвоите основы, вероятность того, что вы примете неверное решение о покупке, значительно снизится. Итак, приступим.

Ток холостого хода и мощность холостого хода

Одна проблема, которая играет особенно большую роль в случае импульсных источников питания, — это так называемый ток холостого хода, который возникает из-за индуктивности.Обратите внимание, что ток простоя не имеет ничего общего с состоянием простоя вашего компьютера. Этот ток холостого хода только переносит энергию между генератором и нагрузкой, но никак не влияет на нагрузку. Опять же, load в этом контексте не имеет ничего общего с ПК, работающим на полную мощность, а относится к компоненту, который использует питание. Думайте об этом как о силовом шаттле, который задействован только в качестве транспортера. Этот ток холостого хода необходимо уменьшить как можно больше и как можно раньше, так как он вызывает потерю мощности в сочетании с омическими резисторами, проявляющуюся в виде тепла.Это потребление энергии в режиме ожидания является бесполезным, и его следует поддерживать как можно ниже с помощью соответствующих схем.

Эффективная мощность и полная мощность

В отличие от потребляемой мощности в режиме ожидания, эффективная мощность измеряет фактически используемую мощность, в то время как полная мощность представляет собой сумму эффективной мощности и совокупной мощности в режиме ожидания.

Коэффициент мощности

Этот коэффициент является результатом отношения между эффективной мощностью и полной мощностью, которое находится где-то между 0 (худшее) и 1 (идеальное).Таким образом, чем выше коэффициент мощности, тем меньше энергии возвращается в сеть. Хотя бытовые потребители не должны платить за полную мощность, чтобы минимизировать потребление кажущейся мощности, стандарт ЕС EN61000-3-2 гласит, что все импульсные источники питания с выходной мощностью более 75 Вт должны включать пассивный преобразователь PFC. Кроме того, для сертификации 80 PLUS требуется коэффициент мощности 0,9 или более. Несколько лет назад многие производители блоков питания использовали в своих продуктах пассивную коррекцию коэффициента мощности. PPFC использует фильтр, который пропускает ток только с частотой сети 50 или 60 Гц, поэтому гармонический ток уменьшается, а нелинейная нагрузка преобразуется в линейную нагрузку.Тогда с помощью конденсаторов или катушек индуктивности коэффициент мощности можно приблизить к единице. Недостатком PPFC является то, что он имеет меньший коэффициент мощности, чем APFC, и требует удвоителя напряжения, чтобы блок питания был совместим с 115/230 В. Напротив, PPFC имеет более высокую эффективность, чем APFC, о чем, вероятно, большинство из вас не знали. Но это не означает, что блоки питания с PPFC более эффективны, чем блоки APFC, поскольку блоки PPFC часто основаны на более старых конструкциях, которые не могут конкурировать с производительностью современных блоков питания APFC.

Практическое применение

Как следует из названия, активная коррекция коэффициента мощности (APFC) использует схему, которая активно корректирует коэффициент мощности. Как мы только что объяснили, коэффициент мощности является важным параметром в мире блоков питания, поскольку он описывает соотношение между эффективной мощностью и полной мощностью: Плюсы: • Практически идеальный коэффициент мощности, близкий к единице • Очень стабильный выходной ток даже при низких колебания входного напряжения • Требования к деталям меньшего размера (трансформатор) Минусы: • Более высокая начальная стоимость • Повышенная подверженность сбоям • Потери энергии возникают на повышающем диоде APFC (и полевых транзисторах)

Пассивный PFC пытается снизить токи холостого хода на с использованием больших дроссельных катушек.Хотя этот метод проще и дешевле, он гораздо менее эффективен. Плюсы: • Дешевле (в зависимости от диапазона мощности) • Практически отсутствуют электромагнитные помехи • Более эффективен, чем APFC (будьте осторожны: это не значит, что блоки питания PPFC более эффективны, чем блоки APFC) Минусы: • Нет автоматического универсального входа напряжения • Не подходит для более высоких уровней мощности • Тяжелее из-за большего дросселя PFC • Более низкий коэффициент мощности в диапазоне от 70% до 80% Источники питания с пассивным PFC следует считать устаревшими и могут считаться низшими.И не путайте КПД и PFC!

.