Разбираемся с понятиями активной и реактивной нагрузки

Расчёты

Для вычисления полной мощности используют формулу в комплексной форме. Например, для генератора расчет имеет вид:

А для потребителя:

Но применим знания на практике и разберемся как рассчитать потребляемую мощность. Как известно мы, обычные потребители, оплачиваем только за потребление активной составляющей электроэнергии:

P=S*cosФ

Здесь мы видим, новую величину cosФ. Это коэффициент мощности, где Ф – это угол между активной и полной составляющей из треугольника. Тогда:

cosФ=P/S

В свою очередь реактивная мощность рассчитывается по формуле:

Q = U*I*sinФ

Для закрепления информации, ознакомьтесь с видео лекцией:

https://youtube.com/watch?v=MdbG1f-SIC4

Всё вышесказанное справедливо и для трёхфазной цепи, отличаться будут только формулы.

Определение

Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:

P=U*I

P=I2*R

P=U2/R

По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.

Нагрузку разделяют на два основных типа:

• Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
• Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).

Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.

Что это такое

Полная мощность (ВА, кВА) характеризуется потребляемой нагрузкой (например, ИБП) двух составляющих, а также отклонением формы электрического тока и напряжения от гармонической. С мощностью электротока человеку приходится сталкиваться и в быту и на производстве, где применяются электрические приборы. Каждый из них потребляет электроток, поэтому при их использовании всегда необходимо учитывать возможности этих приборов, в том числе заложенные в них технические характеристики.

Значение полной мощности — вычисление формулы

Чтобы определить работу мощности за одну секунду, на практике применяется формула для производительности постоянного тока. Следует отметить, что данная физическая величина меняется во времени и для выполнения практического расчета совершенно бесполезна. Для вычисления среднего значения производительности требуется интегрирование по времени.

Обратите внимание! С целью определения данного показателя в электрической цепи, где периодически происходит смена напряжения и тока, средняя ёмкость вычисляется по передаче мгновенной мощности в течение определённого времени. Как вычисляется ёмкость по другой формуле

Как вычисляется ёмкость по другой формуле

Есть определенная категория людей, которая интересуется вопросом, какая бывает мощность. Активная производительность делится на следующие категории: фактическую, настоящую, полезную, реальную.

Ёмкость, преобладающая в электрических цепях постоянного тока, которая при этом получает нагрузку постоянного тока, определяется простым произведением напряжения по показателям нагрузки и потребляемого тока. Данная величина вычисляется по формуле: P = U х I. Данный результат показывает, что фазовый угол между током и напряжением отсутствует в электрических цепях постоянного тока. То есть отсутствует коэффициент производительности.

Синусоидальный сигнал намного усложняет процесс. Так как фазовый угол между током и напряжением может значительно отличаться друг от друга. Поэтому среднее значение определяется по следующей формуле:

P = U I Cosθ

Важно! Если в соединениях переменного тока фиксируется активная (резистивная) производительность, тогда для вычисления данного показателя применяется формула следующего характера: P = U х I. Мощность трёхфазной цепи

Мощность трёхфазной цепи

Когда синусоиды напряжения и тока не совпадают?

Индуктивное сопротивление

Если мы включим в цепь вместо лампочки или обогревателя любое индуктивное сопротивление, например, электромагнит, то увидим странную картину. Ток волшебным образом начинает отставать от напряжения! Почему такое происходит?

Электромагнит — это электрическая катушка — сердечник с намотанным на него проводом. Мы где-то когда-то давно слышали, что при протекании тока через катушку вокруг неё образуется магнитное поле. Но физика этого процесса довольно примечательна.

Сначала, когда напряжение возрастает от нуля до +325 вольт, в катушке возникает ток, порождающий электромагнитное поле, которое, в свою очередь, порождает ток, обратный идущему из сети. Катушка сопротивляется проходящему по ней току (точнее, его изменению). Это можно сравнить с инерцией. Чем быстрее мы хотим изменить скорость стального ядра, тем сильнее ядро сопротивляется этому, причём как на разгоне, так и на торможении. Итак, напряжение растёт, а рост тока начинает отставать.

Когда напряжение замирает в верхней точке +325 вольт, катушка перестаёт сопротивляться (встречный ток в ней возникает только в момент изменения проходящего по ней тока, и чем резче меняется этот ток, тем выше значение встречного тока, а если изменений нет и ток постоянен — встречный ток не возникает). Итак, напряжение в пике, и ток начинает идти свободно, возрастая до своего пика.

Когда напряжение пошло вниз, ток начинает снижаться. Но мы помним, что у катушки есть инерция! Запасённая в магнитном поле энергия начинает порождать попутный ток, который начинает помогать сетевому току. Теперь катушка сопротивляется снижению тока. В результате, напряжение падает, а ток ещё держится. Падение тока начинает отставать.

То есть, катушка при возрастании напряжения сопротивляется росту тока, а при падении напряжения пытается удержать падение тока, отдавая его в цепь. В результате синусоида тока начинает отставать от синусоиды напряжения, например, на четверть периода:

График из статьи http://www.sxemotehnika.ru/zakon-oma-dlia-peremennogo-toka.html

При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду какая-то часть мощности забирается катушкой из сети, накапливается в её магнитном поле, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. При этом ток по цепи проходит, но безвозвратно в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток без толку греет провода.

Емкостное сопротивление

Помимо отставания тока от напряжения существует также цепи и с опережением тока от напряжения. Для этого вместо электромагнита включаем конденсатор (конденсатор — это емкостное сопротивление). При возрастании напряжения он нуля пустой конденсатор начинает заряжаться с максимальным током, хотя напряжение ещё не достигло максимума.

По мере заряда ток снижается, и во время максимума напряжения ток уже равен нулю.

Затем напряжение начинает падать, и конденсатор под действием всё увеличивающейся разности потенциалов между своим зарядом и напряжением сети начинает разряжаться, порождая всё возрастающий ток, который не прекращается с падением напряжения до нуля, поскольку тут же начинается его заряд обратной полярностью, когда напряжение становится отрицательным. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения.

То есть, конденсатор при возрастании напряжения сначала вызывает сильный ток, который падает до нуля при максимуме напряжения, а при последующем падении напряжения начинает вызывать сначала небольшой ток, а потом всё сильнее и сильнее, который достигает максимума при отсутствии напряжения сети. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения, например, на четверть периода:

График из статьи http://www.sxemotehnika.ru/zakon-oma-dlia-peremennogo-toka.html

При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду мощность забирается конденсатором из сети, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. То есть, как и в случае катушки электромагнита, ток по цепи проходит, но в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток точно так же без толку греет провода.

Нелинейная нагрузка

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

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

Пусковой ток

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

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

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

Чисто активная нагрузка

Чисто активные нагрузки, подключенные к безындуктивной питающей сети, желательно устранить, так как они дают наибольшую скорость нарастания тока при включениях.
 

Рассматривалась чисто активная нагрузка, характеризующаяся значениями k 0 5; 1 0 и 2 0 ( см. уравнение ( 4 — 52) ] и равная по величине 1 или 5 номинальным мощностям машины; нагрузка подключалась таким образом, что индуктивное сопротивление между ней и машиной составляло 0 1 или 0 3 о. Результат анализа показал, что влияние нагрузки на предел статической устойчивости незначителен, за исключением тех случаев, когда нагрузка очень велика по сравнению с номинальной мощностью машины ( в 5 раз больше) и расположена электрически близко от генератора ( л: 0 1 о. Этот результат показывает, что при анализе устойчивости генератора нет смысла учитывать влияние нагрузки, за исключением тех случаев, когда нагрузка значительно превышает мощность генератора и расположена электрически близко от него.
 

При чисто активной нагрузке времена спада tj и in практически не зависят от предшествующего прямого тока и от крутизны перехода тока через нуль. В основном они определяются параметрами самого вентиля. Для обычно применяемых управляемых вентилей их продолжительность составляет около 0 1 мксек.
 

При чисто активной нагрузке ( кривая /) увеличение нагрузочного тока сопровождается сравнительно небольшим уменьшением напряжения, происходящим, главным образом, за счет падения напряжения на собственном сопротивлении обмотки статора.
 

При чисто активной нагрузке ( ф0) показания обоих ваттметров одинаковы.
 

При чисто активной нагрузке напряжение и ток проходят через уль одновременно. В этом случае скорость восстановления напряжения будет целиком определяться уже не колебаниями, происходящими с относительно высокой частотой / о, а ростом напряжения, изменяющегося с частотой сети, что значительно облегчает условия гашения дуги.
 

При чисто активной нагрузке напряжение и ток проходят через нуль одновременно. В этом случае скорость восстановления напряжения будет целиком определяться не колебаниями, происходящими с относительно высокой частотой, а медленным ростом напряжения сети, что сильно облегчает условия гашения дуги.
 

При чисто активной нагрузке кривая тока повторяет кривую напряжения.
 

При чисто активной нагрузке все эти варианты ведут себя одинаково, поскольку это касается изменения напряжения на нагрузке в зависимости от величины угла задержки а. При индуктивной нагрузке каждая схема имеет свои особенности. Удобства ради данные о номинальных токах и напряжениях, требующихся для полупроводниковых приборов в этих схемах, приведены в табл. 8.1. Охарактеризуем вкратце все эти схемные варианты.
 

При чисто активной нагрузке ( рис. 3 — 35, а) поток реакции якоря направлен поперек полюсов и реакция якоря называется поперечной.
 

При чисто активной нагрузке ( Ха 0, fa 0) ур-ние (4.21) вырождается в уравнение прямой, что совпадает с полученными ранее результатами.
 

При чисто активной нагрузке ( / Ya 0 Ра0) ур-ние (4.21) вырождается в уравнение прямой, что совпадает с полученными ранее результатами.
 

При чисто активной нагрузке ( рис. 7.68, о), когда кривая выпрямленного напряжения иа содержит широкий спектр высших гармонических, высшие гармонические в кривой первичного тока / t отсутствуют. В другом предельном случае ( рис. 7.68, 6), когда кривая выпрямленного напряжения при Ха оо не содержит гармонических, в кривую первичного тока входит широкий их спектр. Эта закономерность сохраняется и при любом другом числе вторичных фаз.
 

При чисто активной нагрузке ( ф2 0) Ды ыа, % Вычисленные падения напряжения следует сопоставить с теми, которыми задались в (1.14), и уточнить число витков обмоток.
 

Активная нагрузка

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

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

Устройство компенсатора

Обычный компенсатор реактивной мощности представляет собой металлический шкаф стандартных размеров с панелью контроля и управления на лицевой панели, обычно открываемой. В нижней части его располагаются наборы конденсаторов (батареи). Такое расположение обусловлено простым соображением: электрические емкости довольно тяжелые, и вполне логично стремление сделать конструкцию более устойчивой. В верхней части, на уровне глаз оператора, находятся необходимые контрольные приборы, в том числе и фазоуказатель, при помощи которого можно судить о величине коэффициента мощности. Имеется также различная индикация, в том числе и аварийная, органы управления (включения и выключения, перехода на ручной режим и проч.). Оценку сравнения показаний измерительных датчиков и выработку управляющих воздействий (подключение конденсаторов нужного номинала) выполняет схема, основой которой служит микропроцессор. Исполнительные устройства работают быстро и бесшумно, они, как правило, построены на мощных тиристорах.

Смысл реактивной нагрузки

В электрической цепи с реактивной нагрузки фаза тока и фаза напряжения не совпадают во времени. В зависимости от характера подключенного оборудования напряжение либо опережает ток (в индуктивности), либо отстаёт от него (в ёмкости). Для описания вопросов используют векторные диаграммы. Здесь одинаковое направление вектора напряжения и тока указывает на совпадение фаз. А если вектора изображены под некоторым углом, то это и есть опережение или отставание фазы соответствующего вектора (напряжения или тока). Давайте рассмотрим каждый из них.

В индуктивности напряжение всегда опережает ток. «Расстояние» между фазами измеряется в градусах, что наглядно иллюстрируется на векторных диаграммах. Угол между векторами обозначается греческой буквой «Фи».

В идеализированной индуктивности угол сдвига фаз равен 90 градусов. Но в реальности это определяется полной нагрузкой в цепи, а в реальности не обходится без резистивной (активной) составляющей и паразитной (в этом случае) емкостной.

В ёмкости ситуация противоположна – ток опережает напряжение, потому что индуктивность заряжаясь потребляет большой ток, который уменьшается по мере заряда. Хотя чаще говорят, что напряжение отстаёт от тока.

Если сказать кратко и понятно, то эти сдвиги можно объяснить законами коммутации, согласно которым в ёмкости напряжение не может изменится мгновенно, а в индуктивности – ток.

Мощность электричества

Количество работы, совершаемой электрическим током за единицу времени, называется мощностью. Она преобразуется в различные виды энергий: механическую, тепловую и т. д. В цепях с постоянным и переменным токами она вычисляется различными способами. В большинстве случаев ее рассчитывать нет необходимости, поскольку она указывается на электрооборудовании (на корпусе и в документации). Расчет необходим только при проектировании устройств.

Основные соотношения

В цепи постоянного тока формула мощности записывается таким образом: P = I * U. Существуют и другие соотношения, получаемые из закона Ома (I = U / R):

1. Для участка цепи: P = sqr (I) * R = sqr (U) / R.
2. Для полной цепи (с учетом ЭДС — e) равенство записывается следующим образом: P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
3. P = I * (e + (I * Rвн)).

Во втором случае формулу нужно применять при условии, что в цепи присутствует электрический двигатель или выполняется зарядка аккумулятора, т. е. происходит потребление электроэнергии. При наличии в электроцепи генератора или гальванического элемента, поскольку происходит отдача энергии, следует применять последнюю формулу. Эти соотношения невозможно применять для цепей, которые потребляют переменный ток. Основная причина — его характеристики, которые меняются с течением времени по определенному закону.

В физике существуют три вида мощностей, которые зависят от элементов: активная (резистор), реактивная (емкость и индуктивность) и полная. Активная мощность вычисляется при помощи следующей формулы: Pа = I * U * cos (a). В соотношении учитываются значения U и I, которые являются среднеквадратичными, а также косинус угла сдвига фаз между ними. Реактивная мощность находится аналогично, только вместо косинуса следует использовать синус: Qр = I * U * sin (a). При индуктивной нагрузке в цепи значение Qp>0, а при емкостной Qp<0. Единицей измерения мощности в международной системе исчислений (СИ) является ватт (сокращенно Вт).

Физический смысл ватта

Физический смысл ватта следующий: расход электроэнергии за определенное время. Следовательно, 1 Вт — расход 1 джоуля (Дж) электрической энергии за 1 секунду. Иными словами, киловаттный чайник потребляет 1000 Дж электрической энергии за единицу времени. Для удобства выполнения расчетов используются специальные приставки: милливатт (мВт, mwatt), киловатт (кВт или kwatt), мегаватт (МВт, Mwatt), гигаватт (ГВт, Gwatt) и т. д.

Ватт связан следующим равенством с другими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее значение является электрической лошадиной силой. Численные значения приставок можно найти в технических справочниках, а также в интернете. Например, 1 кВт равен 1000 Вт. Приставка «к» обозначает, что следует число, стоящее перед ней, умножить на 1000. Для того чтобы перевести 1 МВт, следует умножить число на значение приставки: 1 * 1000000 = 1000000 Вт = 1000 кВатт. Если необходимо перевести Вт в кВт, то нужно количество ватт разделить на 1000.

Для учета расхода количества электроэнергии принята единица, которая называется ватт-час (Втч). Величины Втч и Вт отличаются. Ватт — мощность, а Ватт-час расшифровывается, как количество электроэнергии, потребляемое за единицу времени

Очень важно правильно писать и расшифровывать последнюю величину Вт*ч (умножение, а не деление). Разницу между Вт и ВТч возможно определить и расчетным методом

Например, необходимо рассчитать потребление электроэнергии за 30 минут электроприбором мощностью 2,5 кВт. Порядок вычисления следующий:

1. Следует перевести время в часы: 30/60 = 0,5 (ч).
2. Выполнить расчет по формуле: Pч = P * t = 2,5 * 0,5 = 1,25 (киловатт-час пишется — кВт*ч).

Таким образом, мощность и количество потребляемой электрической энергии являются различными физическими величинами, которые довольно просто рассчитываются. Вычисления помогают определить количество электроэнергии и помогают в экономии денежных средств.

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности при помощи конденсаторов

Коррекция коэффициента мощности (англ. power factor correction (PFC)) — процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам.

К ухудшению коэффициента мощности (изменению потребляемого тока непропорционально приложенному напряжению) приводят нерезистивные нагрузки: реактивная и нелинейная. Реактивные нагрузки корректируются внешними реактивностями, именно для них определена величина cos⁡φ{\displaystyle \cos \varphi }. Коррекция нелинейной нагрузки технически реализуется в виде той или иной дополнительной схемы на входе устройства.

Данная процедура необходима для равномерного использования мощности фазы и исключения перегрузки нейтрального провода трёхфазной сети. Так, она обязательна для импульсных источников питания мощностью в 100 и более ватт[источник не указан 3367 дней]. Компенсация обеспечивает отсутствие всплесков тока потребления на вершине синусоиды питающего напряжения и равномерную нагрузку на силовую линию.

Разновидности коррекции коэффициента мощности

• Коррекция реактивной составляющей полной мощности потребления устройства. Выполняется путём включения в цепь реактивного элемента, производящего обратное действие. Например, для компенсации действия электродвигателя переменного тока, обладающего высокой индуктивной реактивной составляющей полной мощности, параллельно цепи питания включается конденсатор. В масштабах предприятия для компенсации реактивной мощности применяются батареи конденсаторов и других компенсирующих устройств.
• Коррекция нелинейности потребления тока в течение периода колебаний питающего напряжения. Если нагрузка потребляет ток непропорционально приложенному напряжению, для повышения коэффициента мощности требуется схема пассивного (PPFC) или активного корректора коэффициента мощности (APFC). Простейшим пассивным корректором коэффициента мощности является дроссель с большой индуктивностью, включённый последовательно с питаемой нагрузкой. Дроссель выполняет сглаживание импульсного потребления нагрузки и выделение низшей, то есть основной, гармоники потребления тока, что и требуется (правда, это достигается в ущерб форме напряжения, поступающего на вход устройства). Активная коррекция коэффициента мощности ценой некоторого усложнения схемы устройства способна обеспечивать наилучшее качество коррекции, приближая коэффициент мощности к 1.

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.

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.