Мощность переменного тока. Определение, классификация

• admin
• 03.02.2022
• 0 comments

Мощность переменного тока есть произведением напряжения на ток. Для переменного тока, величина которого изменяется со временем произведение мгновенных значений в данный момент времени тока и напряжения даст мгновенную мощность. Она будет равна нулю в те моменты, когда ток проходит через нуль и максимальна при амплитудных значениях. Эту мощность достаточно сложно измерить, да и необходимости в этом особой нет. Так как она не показательна. На практике используют среднее значение мгновенной мощности за период. И называется она активной.

Если цепь переменного тока состоит только из активного сопротивления, то средняя мощность в ней будет равна произведению среднего тока на среднее напряжение. При этом от источника тока энергия передается потребителю, где преобразуется в другие виды энергии.

Формула 1 — средняя мощность в активной нагрузке

Представим что в цепь переменного тока, включена нагрузка индуктивного характера.

При прохождении тока в течение первого периода, когда идет увеличение тока энергия от источника переходит в энергию магнитного поля. Но с уменьшением напряжения энергия магнитного поля переходит в электрическую и возвращается обратно в источник. При этом активная мощность равна нулю, так как ток не совершает работы, он всего лишь переходит от источника к нагрузке и обратно. Такой ток называется реактивным, а мощность реактивной. Она бесполезна и мало того еще и вредна. Так как ток, текущий по проводам увеличивается, а полезная работ совершаемая активным тока остается той же.

Когда источник переменного тока нагружен на емкостную нагрузку, так же протекает реактивный ток. Емкость запасает энергию, а потом отдает ее источнику. Протекают процессы аналогичные с индуктивной нагрузкой. Только энергия накапливается в электрическом поле. Измеряется реактивная мощность вольт ампер реактивных, то есть ВАР.

Допустим, что в цепи переменного тока присутствуют как активное, так и реактивное сопротивление, например индуктивность. Тогда суммарный ток будет отставать от напряжения на какой-то угол фи. Следовательно, активная мощность в цепи будет зависеть от величины индуктивности.

Рисунок 1 — треугольник напряжений

Формула 3 — мощность при наличии сдвига фаз между током и напряжением

Существует еще такое понятие как полная мощность. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения. Эта та мощность, которая потребляется от источника тока. Размерность полной и активной мощности совпадает, и чтобы их различать полную мощность измеряют в вольт-амперах (ВА). Косинус угла между полной мощностью и активной называется коэффициентом мощности. Он показывает, какая часть активной мощности может быть преобразована в другие виды энергии. То есть, какая часть энергии, передаваемая по линии передач, является полезной.

Рисунок 2 — треугольник мощностей

Отличия кВА от кВт

«В чем отличия кВА от кВт?» — этот вопрос — один из наиболее популярных. Его часто задают покупатели ИБП. Продавцы ИБП (которым, собственно, и задают это вопрос) отвечают на него по-разному и почти всегда неправильно. Попробуем разобраться, как рассчитывают мощность в электрической цепи.
В цепи постоянного тока дело обстоит довольно просто. Электрический ток, поступая из источника постоянного тока в нагрузку, производит в ней полезную (или бесполезную) работу по перемещению зарядов в направлении электрического поля. Рассчитать мощность в такой цепи очень просто: нужно умножить ток на падение напряжения на нагрузке:

P[Ватт] = I[Ампер] × U[Вольт]

В цепи переменного тока, с которой нам приходится иметь дело, рассматривая работу ИБП, все немного по-другому.
Для переменного тока вводится понятие мгновенной мощности — это произведение мгновенных значений переменных напряжения и тока. Активная мощность (средняя по времени мощность, выделяемая в нагрузке) — она измеряется в ваттах — равна среднему за период значению мгновенной мощности.
Если напряжение имеет синусоидальную форму, и нагрузка в цепи активная (или, иначе говоря, омическая — например, лампы накаливания), то активная мощность равна произведению действующих значений напряжения и тока. Т.е. она рассчитывается примерно так же, как и мощность в цепи постоянного тока:

P[Ватт] = Uдейств × Iдейств.

Рис. 1. Мгновенная мощность в цепи переменного тока

 

• а) синусоидальный ток в
  активной нагрузке;
• б) синусоидальный ток в
  нагрузке с реактивной составляющей;
• в) несинусоидальный ток.

На рис.1. видно, что в этом случае напряжение и ток всегда имеют одинаковый знак (становятся положительными и отрицательными одновременно). Поэтому мгновенная мощность всегда положительна. Физически это означает, что в любой момент времени мощность выделяется в нагрузке. Иначе говоря, так же как в цепи постоянного тока, заряды всегда движутся в направлении действия электрического поля.

Если напряжение и ток имеют синусоидальную форму, но нагрузка имеет емкостную или индуктивную (реактивную) составляющую, то ток опережает по фазе напряжение или отстает от него. В этом случае мощность, выделяемая в нагрузке, уменьшается.
На рисунке б) видно, что из-за фазового сдвига, в некоторые моменты времени, напряжение и ток имеют противоположные знаки. В это время мгновенная мощность оказывается отрицательной и уменьшает среднюю за период мгновенную мощность. Электротехник скажет, что в эти моменты времени ток течет из нагрузки в источник тока. С точки зрения физика, в эти моменты времени заряды по инерции движутся против сил электрического поля.
Формула для средней за период мощности для случая нагрузки с реактивной составляющей несколько изменяется. В ней появляется коэффициент мощности. Для синусоидальных напряжения и тока он численно равен знакомому со средней школы «косинусу фи»:

P[Ватт] = Uдейств × Iдейств × Cos (fi).
Здесь: fi — угол сдвига фаз между напряжением и током.

Произведение действующих значений напряжения и тока называется полной мощностью цепи переменного тока и измеряется в вольт-амперах (ВА). Полная мощность всегда больше или равна активной (выделяемой в нагрузке) мощности.
Если нагрузкой является компьютер, то дело обстоит еще немного сложнее. Ток, потребляемый компьютером, имеет несинусоидальную форму (см. рис. 30в). Мощность, выделяемая в нагрузке, при такой форме тока также меньше, чем произведение действующих значений напряжения и тока. На рис. 30в видно, что при некоторых значениях напряжения (когда напряжение мало) компьютер не потребляет тока. Мгновенная мощность в эти моменты времени равна нулю — напряжение как бы «пропадает зря», не производя работы.

Активная (выделяемая в нагрузке) мощность для случая нелинейной нагрузки выражается формулой:

P[Ватт] = Uдейств × Iдейств × К,
где: К — коэффициент мощности.

Ток «компьютерной» нагрузки как правило несколько опережает напряжение. Но сдвиг фаз очень невелик (10-30 градусов), поэтому коэффициент мощности для компьютера не равен косинусу угла фазового сдвига, а значительно меньше.
Если посчитать среднюю за период мощность импульсного блока питания и разделить на произведение действующих значений напряжения и тока, то получившийся коэффициент мощности будет примерно равен 0.6-0.8.

По данным фирмы American Power Conversion коэффициент мощности равен 0.6 для персональных компьютеров и 0.7 для мини компьютеров. На самом деле, коэффициент мощности компьютерной нагрузки связан с коэффициентом амплитуды тока и, даже для одного и того же импульсного блока питания, зависит от того, насколько блок питания использует свою номинальную мощность. Так, если импульсный блок питания нагружен слабо (к нему подключено мало потребителей — дисководов, процессоров и т.д.), то коэффициент амплитуды увеличивается, а коэффициент мощности уменьшается.

В зависимости от устройства ИБП, ток в разных местах его схемы зависит либо от активной мощности нагрузки (например, ток, отбираемый от аккумуляторов), либо от ее полной мощности (например, ток на выходе ИБП). Поэтому, как правило, производители ИБП указывают два значения максимальной мощности нагрузки, которая может быть подключена к ИБП: полную мощность в вольт-амперах и активную мощность в ваттах.

В принципе, в каждом конкретном случае (для каждого сочетания ИБП + нагрузка) можно определить, какой из пределов (в ваттах или вольт-амперах) является критичным. Но это может сделать только специалист, зная, как устроен ИБП и как устроена нагрузка. Общего рецепта здесь дать нельзя — слишком много вариантов (разные типы и схемы ИБП, разные сдвиги фаз и коэффициенты амплитуды нагрузки и т.д.). Поэтому подбирая ИБП, покупатель должен просто учитывать оба ограничения. Т.е. и активная, и полная мощность его оборудования должны быть меньше заявленных производителем ИБП максимальных значений. Обычно, для надежной работы ИБП, берут еще и запас примерно в 30%.

Что такое полная мощность?

К

• Пол Кирван

Что такое полная мощность?

Полная мощность — это мера мощности переменного тока (AC), которая вычисляется путем умножения среднеквадратичного (среднеквадратического) тока на среднеквадратичное напряжение. В цепи постоянного тока (DC) или в цепи переменного тока, полное сопротивление которой представляет собой чистое сопротивление, напряжение и ток совпадают по фазе, и выполняется следующая формула:0014

P = E _СКЗ I _СКЗ

В этой формуле P — мощность в ваттах, E _rms — действующее значение напряжения в вольтах, а I _rms — действующее значение тока в амперах. Однако в цепи переменного тока полное сопротивление состоит из реактивного сопротивления и сопротивления. В результате напряжение и ток не совпадают по фазе. Это усложняет определение мощности.

Как кажущаяся мощность соотносится с активной и реактивной мощностью?

В цепи переменного тока произведение среднеквадратичного значения напряжения и среднеквадратичного значения тока называется полной мощностью . Когда импеданс представляет собой чистое сопротивление, кажущаяся мощность совпадает с истинной мощностью. Но когда реактивное сопротивление существует, кажущаяся мощность больше истинной мощности.

Треугольник мощности показывает, как кажущаяся мощность и истинная мощность соотносятся с реактивной мощностью.

Разность векторов между кажущейся и истинной мощностью называется реактивной мощностью, которая измеряется реактивными вольт-амперами, или вар. Реактивная мощность — это энергия, которая накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля в случае катушки индуктивности и электростатического поля в случае конденсатора.

Если P _a представляет полную мощность в сложной цепи переменного тока, P _t представляет собой действительную мощность, а P _r представляет собой реактивную мощность, то выполняется следующее уравнение:

P _a ² = P _t ² + P _r ²

Чем полная мощность отличается от активной мощности?

Полная мощность — это общая мощность, доступная для работы компьютера, освещения лампочки и питания производственной системы.

Если вся доступная мощность не используется, активная мощность или реальная мощность — это мощность, которая фактически используется для конкретной нагрузки. Это важно, потому что именно активная мощность используется энергетическими компаниями и именно за нее клиенты платят по своим счетам.

Отношение активной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности. Это число от 0,0 до 1,0.

Сравнение вольт-ампер и ватт

Вольт-ампер (ВА) и ватт (Вт) используются для измерения мощности в электрической цепи. Оба используются в системах постоянного и переменного тока. В цепях постоянного тока значения W и VA обычно равны. В системах переменного тока значения W и VA могут отличаться. Первое указывает на «истинную силу», а второе указывает на «кажущуюся силу».

ВА обозначает энергопотребление электрического устройства, то есть, сколько тока потребляет устройство при использовании. Он измеряется путем умножения вольт (В) и ампер (А). Вольты определяют электродвижущую силу, которая толкает электроны по цепи. Амперы измеряют поток — или ток — электронов в цепи. Сопротивление — это то, что ограничивает или замедляет поток электронов.

Посмотрите, как работают основные компоненты электрической цепи в системах переменного и постоянного тока.

Применение полной мощности и вольт-ампер

Энергоэффективность является ключевой задачей во многих организациях, особенно в центрах обработки данных, которые являются крупными потребителями электроэнергии. При определении атрибутов мощности и требований центра обработки данных важно знать ВА и полную мощность.

ВА помогает упростить расчет энергопотребления, которое затем используется для определения источников питания, автоматических выключателей и других компонентов управления питанием.

Полная мощность полезна, например, при расчете мощности источника бесперебойного питания (ИБП). При расчете ИБП необходимо знать требования к питанию различных устройств, таких как серверы, ноутбуки, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также знание центра обработки данных в целом.

Энергоэффективность является важной частью построения и эксплуатации центра обработки данных. Узнать шесть лучших практик по энергоэффективности .

Последнее обновление: август 2022 г.

Продолжить чтение О полной мощности

• Сколько энергии потребляют центры обработки данных?

• Плюсы и минусы локальной выработки электроэнергии для центров обработки данных

• Глобальное состояние устойчивого развития центров обработки данных

• Что нужно знать об управлении питанием периферийных устройств

• Энергоэффективность центра обработки данных: не пора ли сейчас резко отключиться?

управление правами на информацию (IRM)

Управление правами на доступ к данным (IRM) — это дисциплина, которая включает в себя управление, контроль и защиту содержимого от нежелательного доступа.

Сеть

• граница службы безопасного доступа (SASE)

  Пограничный сервис безопасного доступа, также известный как SASE и произносится как «дерзкий», представляет собой модель облачной архитектуры, объединяющую сеть и …

• Протокол конфигурации сети (NETCONF)

  Протокол конфигурации сети (NETCONF) — это протокол сетевого управления инженерной группы Интернета (IETF), который …

• геоблокировка

  Геоблокировка — это блокировка чего-либо на основе его местоположения.

Безопасность

• черный список приложений (занесение приложений в черный список)

  Занесение приложений в черный список — все чаще называемое занесением в черный список — представляет собой практику сетевого или компьютерного администрирования, используемую …

• идентификация на основе утверждений

  Идентификация на основе утверждений — это средство аутентификации конечного пользователя, приложения или устройства в другой системе способом, который абстрагирует . ..

• Сертифицированный специалист по облачной безопасности (CCSP)

  Certified Cloud Security Professional (CCSP) — это международный консорциум по сертификации безопасности информационных систем, или (ISC)2,…

ИТ-директор

• Общепринятые принципы ведения учета (Принципы)

  Общепринятые принципы ведения документации — это основа для управления записями таким образом, чтобы поддерживать …

• система управления обучением (LMS)

  Система управления обучением представляет собой программное приложение или веб-технологию, используемую для планирования, реализации и оценки конкретных …

• Информационный век

  Информационная эпоха — это идея о том, что доступ к информации и контроль над ней являются определяющими характеристиками нынешней эпохи …

HRSoftware

• аутсорсинг процесса подбора персонала (RPO)

  Аутсорсинг процесса найма (RPO) — это когда работодатель передает ответственность за поиск потенциальных кандидатов на работу . ..

• специалист по кадрам (HR)

  Специалист по персоналу — это специалист по кадрам, который выполняет повседневные обязанности по управлению талантами, сотрудникам …

• жизненный цикл сотрудника

  Жизненный цикл сотрудника — это модель человеческих ресурсов, которая определяет различные этапы, через которые работник проходит в …

Служба поддержки клиентов

• Платформа Adobe Experience

  Adobe Experience Platform — это набор решений Adobe для управления качеством обслуживания клиентов (CXM).

• виртуальный помощник (помощник ИИ)

  Виртуальный помощник, также называемый помощником ИИ или цифровым помощником, представляет собой прикладную программу, которая понимает естественные …

• входящий маркетинг

  Входящий маркетинг — это стратегия, направленная на привлечение клиентов или лидов с помощью созданного компанией интернет-контента, тем самым . .. 92 и имеет смысл для линейных систем с фазовым сдвигом или без него. Но довольно многие современные нагрузки содержат большое количество гармонических токов, которые, на мой взгляд, не могут создать никакой работы (активной мощности), если напряжение чисто синусоидальное. Но если кажущаяся мощность определяется как S = V_rms * I_rms , содержание гармоник составляет I_rms , таким образом, S > P . Простой способ подумать об этом состоит в том, что разницу можно назвать реактивной мощностью Q , придерживаясь 92 . Но мне интересно, будет ли это правильно. Поскольку я всегда считал, что Q определяется как реактивная мощность с компонентой вектора тока, перпендикулярной напряжению, соотношениями P = V_rms * I_rms * cos(phi) и Q = V_rms * I_rms * sin(phi) . Впоследствии я бы поверил, что высшие гармоники тока в сочетании с теми же гармониками напряжения также могут иметь эти отношения, так что высшие гармоники могут создавать как активную, так и реактивную мощность. Но если напряжение чисто синусоидальное, оно не имеет высших гармоник, и, на мой взгляд, гармоники тока не будут создавать реактивную мощность (ни активную мощность). Было бы здорово, если бы это воспринималось как «сила искажения» D , который добавляет к P и Q квадратичным образом (аналогично коэффициентам мощности смещения и искажения), но я такого не видел.

  Мой вопрос заключается в том, существует ли определение мощности, генерируемой гармониками, которое зафиксирует разницу между активной и полной мощностью. И я ошибаюсь, полагая, что если эта разность (в квадратичном смысле) называется Q , то определение реактивной мощности должно быть другим?

  Я сделал нелинейную систему с синусоидальным напряжением и прямоугольным током, которые совпадают по фазе, и провел некоторые расчеты, чтобы получить представление о «недостающей» мощности. Активная мощность соответствует моим ожиданиям, и я могу рассчитать ее двумя способами. Во-первых, путем интегрирования напряжения и тока по кратному их периоду и деления его на прошедшее время (фактически простое среднее значение произведения). Во-вторых, умножив среднеквадратичное значение напряжения на среднеквадратичное значение основной гармоники тока, зная, что мне не нужно умножать это на 9.0243 cos(phi) , так как они синфазны. Эти значения совпадают, и я показал их в выводе моего скопированного скрипта ниже. Активной мощности по высшим гармоникам нет, так как напряжение не имеет высших гармоник. И то же самое верно для реактивной мощности как основной, так и высших гармоник: она равна нулю для основной гармоники, поскольку напряжение и ток совпадают. И равно нулю для более высоких гармоник, учитывая, что гармонические значения напряжения равны нулю, и, следовательно, произведение будет равно нулю.

   импортировать numpy как np
  импортировать scipy как sp
  импортировать matplotlib.pyplot как plt
  среднеквадратичное значение по определению (x):
   вернуть np.