Активное и реактивное напряжение в электрических цепях: полное руководство

Что такое активное и реактивное напряжение в электрических цепях. Как рассчитать активное и реактивное напряжение. Чем отличается активное напряжение от реактивного. Где применяются эти виды напряжения на практике.

Что такое активное и реактивное напряжение

Активное и реактивное напряжение — это два компонента полного напряжения в цепях переменного тока:

• Активное напряжение связано с активным сопротивлением цепи и вызывает активную мощность, которая преобразуется в полезную работу или тепло.
• Реактивное напряжение связано с реактивным сопротивлением (индуктивным или емкостным) и вызывает реактивную мощность, которая колеблется между источником и нагрузкой.

Активное напряжение совпадает по фазе с током, а реактивное сдвинуто на 90 градусов. Векторная сумма активного и реактивного напряжений дает полное напряжение в цепи.

Формулы расчета активного и реактивного напряжения

Для расчета активного и реактивного напряжений используются следующие формулы:

• Активное напряжение: U_a = I * R, где I — ток, R — активное сопротивление
• Реактивное напряжение: U_р = I * X, где X — реактивное сопротивление
• Полное напряжение: U = √(U_a² + U_р²)

Также активное и реактивное напряжения можно рассчитать через полное напряжение U и коэффициент мощности cosφ:

• U_a = U * cosφ
• U_р = U * sinφ

Основные отличия активного и реактивного напряжения

Активное и реактивное напряжения имеют ряд принципиальных отличий:

Параметр	Активное напряжение	Реактивное напряжение
Связь с сопротивлением	Активное сопротивление	Реактивное сопротивление
Фаза относительно тока	Совпадает	Сдвинута на 90°
Вызываемая мощность	Активная	Реактивная
Преобразование энергии	В тепло или работу	Колебания между источником и нагрузкой

Роль активного напряжения в электрических цепях

Активное напряжение играет ключевую роль в электрических цепях:

• Вызывает активную мощность, которая преобразуется в полезную работу — нагрев, освещение, движение и т.д.
• Определяет реальное потребление электроэнергии в цепи
• Влияет на КПД электрических устройств
• Учитывается при расчете мощности источников питания

Чем выше активное напряжение, тем больше полезной работы совершает электрический ток в цепи. Поэтому для повышения эффективности стремятся увеличить долю активного напряжения.

Значение реактивного напряжения в электротехнике

Реактивное напряжение также играет важную роль в электротехнике:

• Вызывает реактивную мощность, необходимую для работы многих устройств
• Обеспечивает накопление энергии в магнитном и электрическом поле
• Влияет на величину тока в цепи
• Определяет сдвиг фаз между током и напряжением

Реактивное напряжение необходимо для работы многих устройств — электродвигателей, трансформаторов и др. Однако его избыток приводит к дополнительным потерям, поэтому реактивную мощность стараются компенсировать.

Способы измерения активного и реактивного напряжения

Для измерения активного и реактивного напряжений применяются следующие методы:

• Использование специальных приборов — фазометров, измерителей мощности
• Векторное измерение напряжения и тока с последующим расчетом
• Применение цифровых осциллографов с функцией анализа мощности
• Косвенные методы через измерение активной и реактивной мощности

Наиболее точные результаты дают прямые измерения с помощью специализированных приборов. Для приближенной оценки можно использовать расчетные методы на основе измерения тока, напряжения и коэффициента мощности.

Практическое применение активного и реактивного напряжения

Знание активного и реактивного напряжения необходимо во многих областях электротехники:

• Расчет и проектирование электрических сетей и установок
• Анализ режимов работы электрооборудования
• Компенсация реактивной мощности
• Повышение энергоэффективности систем электроснабжения
• Настройка устройств релейной защиты

Учет активного и реактивного напряжения позволяет оптимизировать работу электрических систем, снизить потери и повысить качество электроэнергии. Это важно как для крупных энергосистем, так и для локальных электроустановок.

Влияние активного и реактивного напряжения на работу электрооборудования

Активное и реактивное напряжение оказывают различное влияние на работу электрооборудования:

Влияние активного напряжения:

• Определяет полезную мощность электродвигателей, нагревательных приборов
• Влияет на световой поток источников света
• Вызывает нагрев проводников и обмоток

Влияние реактивного напряжения:

• Создает вращающееся магнитное поле в электродвигателях
• Обеспечивает работу трансформаторов
• Вызывает дополнительные потери в линиях электропередачи

Правильное соотношение активного и реактивного напряжения необходимо для эффективной и надежной работы электрооборудования. Избыток реактивного напряжения приводит к перегрузке сетей и снижению КПД.

что это, формулы, как найти

Содержание:

Что такое сопротивление

Ток, протекая через провода и различные радиодетали, тратит свою энергию. Это явление количественно выражается величиной сопротивления. В электротехнике его разделяют на активное и реактивное сопротивление. В первом случае при прохождении тока часть его энергии превращается в тепловой вид, а иногда и в другие (например, проявляется в химических реакциях). Величина активного сопротивления зависит от частоты переменного электротока и возрастает с ее увеличением.

Второй тип сопротивления имеет более сложную природу и возникает в момент включения или выключения потребителя электроэнергии в сеть переменного или постоянного тока. В цепи с реактивным сопротивлением энергия электрического тока частично превращается в другую форму, а затем переходит обратно, то есть, наблюдается периодический колебательный процесс. Полное сопротивление цепи включает в себя активный и реактивный типы, которые учитываются по особым правилам.

Понятие реактивного сопротивления

Данная разновидность репрезентирует взаимоотношение электротока и напряжения на определенных типах подключенных в сеть нагрузок (дросселях, конденсаторных компонентах), не сопряженное с объемами электроэнергии, используемыми потребителем. Измерительной единицей, как и для других разновидностей, выступает ом. Рассматриваемое явление обнаруживает себя только при переменном электротоке. В расчетах оно обозначается латинской литерой Х.

Активное и реактивное сопротивление

При необратимом изменении электроэнергии компонента цепи в другие типы энергии, сопротивление элемента является активным. При осуществлении обменного процесса электроэнергией между компонентом цепи и источником, то сопротивление реактивное.

В электрической плите электроэнергия необратимо преобразуется в тепло, вследствие этого электроплита имеет активное сопротивление, так же как и элементы, преобразующие электричество в свет, механическое движение и т.д.

В индуктивной обмотке переменный ток образует магнитное поле. Под воздействием переменного тока в обмотке образуется ЭДС самоиндукции, которая направлена навстречу току при его увеличении, и по ходу тока при его уменьшении. Поэтому, ЭДС оказывает противоположное действие изменению тока, создавая индуктивное сопротивление катушки.

С помощью ЭДС самоиндукции осуществляется возвращение энергии магнитного поля обмотки в электрическую цепь. В итоге обмотка индуктивности и источник питания производят обмен энергией. Это можно сравнить с маятником, который при колебаниях преобразует потенциальную и кинетическую энергию. Отсюда следует, что сопротивление индуктивной катушки имеет реактивное сопротивление.

Самоиндукция не образуется в цепи постоянного тока, и индуктивное сопротивление отсутствует. В цепи емкости и источника переменного тока изменяется заряд, значит между емкостью и источником тока протекает переменный ток. При полном заряде конденсатора его энергия наибольшая.

В цепи напряжение емкости создает противодействие течению тока своим сопротивлением, и называется реактивным. Между конденсатором и источником происходит обмен энергией.

После полной зарядки емкости постоянным током напряжение его поля выравнивает напряжение источника, поэтому ток равен нулю.

Конденсатор и катушка в цепи переменного тока работают некоторое время в качестве потребителя энергии, когда накапливают заряд. И также работают в качестве генератора при возвращении энергии обратно в цепь.

Если сказать простыми словами, то активное и реактивное сопротивление – это противодействие току снижения напряжения на элементе схемы. Величина снижения напряжения на активном сопротивлении имеет всегда встречное направление, а на реактивной составляющей – попутно току или навстречу, создавая сопротивление изменению тока.

Настоящие элементы цепи на практике имеют все три вида сопротивления сразу. Но иногда можно пренебречь некоторыми из них ввиду незначительных величин. Например, емкость имеет только емкостное сопротивление (при пренебрежении потерь энергии), лампы освещения имеют только активное (омическое) сопротивление, а обмотки трансформатора и электромотора – индуктивное и активное.

Активное сопротивление

В цепи действия напряжения и тока, создает противодействие, снижения напряжения на активном сопротивлении. Падение напряжения, созданное током и оказывающее противодействие ему, пропорционально активному сопротивлению.

При протекании тока по компонентам с активным сопротивлением, снижение мощности становится необратимым. Можно рассмотреть резистор, на котором выделяется тепло. Выделенное тепло не превращается обратно в электроэнергию. Активное сопротивление, также может иметь линия передачи электроэнергии, соединительные кабели, проводники, катушки трансформаторов, обмотки электромотора и т.д.

Отличительным признаком элементов цепи, которые обладают только активной составляющей сопротивления, является совпадение напряжения и тока по фазе. Это сопротивление вычисляется по формуле:

R = U/I, где R – сопротивление элемента, U – напряжение на нем, I – сила тока, протекающего через элемент цепи.

На активное сопротивление влияют свойства и параметры проводника: температура, поперечное сечение, материал, длина.

Какое сопротивление называется реактивным, какое активным

Активное электросопротивление — это важный параметр электрической сети, который обуславливает превращение электрической энергии, поступающей в участок электроцепи или в отдельный элетроэлемент в любой другой тип энергии: химическую, механическую, тепловую, электромагнитную. Процесс превращения при этом считаю необратимым.

Типы рассматриваемой величины и формулы ее расчета

Реактивное сопротивление по-другому называется реактансом и представляет собой сопротивляемость элементов электроцепи, которые вызывается измерением силы электротока или напряжения из-за имеющейся емкости или индуктивности этого элемента. При реактансе происходит обменный процесс между отдельным компонентом сети и источником энергии. Часто это понятие относят к простому электрическому сопротивлению, однако оно отличается некоторыми моментами.

Течение переменного электротока не зависит от типа сопротивляемости элементов и всей сети

Различия между активным и реактивным сопротивлением

Разница между активным и реактивным сопротивлением состоит в том, что при прохождении электротока по компонентам цепи, несущим активную нагрузку, имеют место мощностные потери в виде выделения тепла, которое не может быть снова превращено в электрическую энергию. В качестве наглядного примера можно привести конфорку электроплиты, выделяющую тепловую энергию. Такими свойствами обладают и осветительные устройства, электрические двигатели, различные кабели. Фазы проходящих через такие компоненты напряжения и электротока будут совпадать.

От чего зависит сопротивление проводника

Реактивные нагрузки отличаются наличием емкостных свойств либо способностью к индукции. В первом случае величина рассматриваемого сопротивления зависит от емкости, во втором – от электродвижущей силы самоиндукции.

Важно! Величина, в противоположность активной, может иметь плюсовой и минусовой знаки. Это зависит от того, в какую сторону идет фазовый сдвиг. При опережении электрическим током напряжения будет иметь место отрицательный показатель, в обратном случае – положительный.

Активное сопротивление в цепи переменного тока

Определим величину тока в цепи переменного тока с чисто активным сопротивлением.

Схема с чисто активной нагрузкой.

Для переменного тока закон, по которому меняется мгновенное значение напряжения, имеет следующий вид:

$$U=U_m sin(omega t+varphi)$$

Мгновенное значение тока через любой элемент находится по закону Ома:

$$I ={U over R}$$

Подставляя предыдущую формулу в закон Ома, получим:

$$I={U_m sin(omega t+varphi)over R}=I_m sin(omega t+varphi)$$

Из этой формулы видно, что колебания силы тока в цепи с чисто активным сопротивлением имеют ту же частоту и фазу, что и колебания напряжения. Ток в цепи в любой момент времени возрастает пропорционально напряжению. 2Rt$$

Указанные соотношения справедливы только для чисто активных сопротивлений. Для сопротивлений, которые имеют реактивную составляющую, к примеру, для катушки индуктивности, зависимость мгновенного значения тока сложнее, и закон Джоуля-Ленца в таком виде использовать нельзя.

Любой реальный проводник обладает некоторой индуктивностью, а между любыми частями реальных проводников и элементов существует некоторая электроемкость. Поэтому чисто активных сопротивлений, строго говоря, не существует. Любое реальное активное сопротивление имеет некоторую реактивную составляющую. На низких частотах она очень мала, и ею пренебрегают. На высоких же частотах ею пренебречь нельзя, и она всегда оказывает заметное влияние на поведение и параметры цепи.

Индуктивное реактивное сопротивление

Оно встречается в цепях, где есть своего рода электромагниты, влияющие на магнитное поле электрической цепи. Еще их называют катушками индуктивности. Катушки индуктивности имеют низкое полное электрическое сопротивление на низких частотах и высокое полное электрическое сопротивление на высоких частотах.

Разные катушки индуктивности. Обратите внимание на общность

конструкции – медный провод намотан на магнит, образуя катушку.

 

Как рассчитать емкостное реактивное сопротивление

Рассмотрим пример расчета емкостного реактивного сопротивления: предположим, что конденсатор 6 мкФ подключен к розетке переменного тока с напряжением 40 В и частотой F 60 Гц.

Для определения емкостного реактивного сопротивления используется определение, данное в начале. Угловая частота ω определяется как:

ω = 2πf = 2π x 60 Гц = 377 с-1

Затем этот результат подставляется в определение:

ИксC = 1 / ωC = 1 / (377 с-1х 6 х10 -6 F) = 442,1 Ом

Теперь посмотрим на амплитуду тока, циркулирующего в цепи. Поскольку источник предлагает напряжение амплитудой VC = 40 В, мы используем соотношение между емкостным реактивным сопротивлением, током и напряжением для вычисления амплитуды тока или максимального тока:

яC = VC / ИКСC = 40 В / 442,1 Ом = 0,09047 А = 90,5 м А.

Если частота становится очень большой, емкостное реактивное сопротивление становится небольшим, но если частота становится равной 0 и у нас есть постоянный ток, реактивное сопротивление стремится к бесконечности.

Приложения с емкостным реактивным сопротивлением

Фильтры верхних частот, фильтры нижних частот, мостовые схемы для измерения емкости и индуктивности и схемы фазового сдвига являются одними из основных применений схем, которые содержат емкостные реактивные сопротивления в сочетании с индуктивностями и электрическими сопротивлениями.

В стереосистемах некоторые динамики поставляются с отдельными динамиками. вуфер (больше) для низких частот и твитер или небольшой рог для высоких частот. Это улучшает производительность и качество звука.

В них используются конденсаторы, которые предотвращают попадание низких частот в высокочастотный динамик, а в низкочастотном динамике добавлен индуктор, чтобы избежать высокочастотных сигналов, поскольку индуктивность имеет реактивное сопротивление, пропорциональное частоте: XL = 2πfL.

Активное сопротивление проводов, кабелей и линий

Из-за того что переменный ток проходит неравномерно, то при одинаковых условиях тока переменного и постоянного R будет отличаться. Как уже было сказано, стальные электропровода имеют лучшее активное R по сравнению с проводниками из цветных металлов, которые имеют одинаковое R при любой силе тока.

Напротив, активное R электрокабелей из стали всегда зависит от электрического тока, поэтому удельную постоянную проводимость в этом случае никогда не используют. Активное R электрокабеля определяют с помощью формулы: R=l/у*s.

Определение активного сопротивления проводов

Активное сопротивлении проводов проще всего определять по справочным данным, составленным на основании ГОСТ 839-80 – «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач» таблицы 1 – 4. Данные таблицы вы сможете найти непосредственно в самом ГОСТ, приведу лишь не которые.

Пользоваться всеми известными формулами по определению активного сопротивления — не рекомендуется [Л1. с.18],связано это с тем, что действительное сечение отличается от номинального сечения, провода выпускались в разное время, по разным ГОСТ и ТУ и величины удельной проводимости (ρ) и удельного сопротивления (γ) у них разные:

где:

• γ – значение удельной проводимости для медных и алюминиевых проводов при температуре 20 °С принимается: для медных проводов – 53 м/Ом*мм2; для алюминиевых проводов – 31,7 м/Ом*мм2;
• s – номинальное сечение провода(кабеля),мм2;
• l – длина линии, м;
• ρ – значение удельного сопротивления принимается: для медных проводов — 0,017-0,018 Ом*мм2/м; для алюминиевых проводов – 0,026 — 0,028 Ом*мм2/м, см. таблицу 1.14 [Л2. с.30].

Активные сопротивления стальных проводов математическому расчету не поддаются. Поэтому рекомендую для определения активного сопротивления использовать приложения П23 – П25 [Л1. с.80,81].

Предыдущая

РазноеЧто такое фазное и линейное напряжение?

Следующая

РазноеБлуждающие токи и способы борьбы с ними

активная, реактивная, полная (P, Q, S), коэффициент мощности (PF)

Из письма клиента:
Подскажите, ради Бога, почему мощность ИБП указывается в Вольт-Амперах, а не в привычных для всех киловаттах. Это сильно напрягает. Ведь все уже давно привыкли к киловаттам. Да и мощность всех приборов в основном указана в кВт.

Алексей. 21 июнь 2007

 

 

В технических характеристиках любого ИБП указаны полная мощность [кВА] и активная мощность [кВт] – они характеризуют нагрузочную способность ИБП. Пример, см. фотографии ниже:

 

 

Мощность не всех приборов указана в Вт, например:

• Мощность трансформаторов указывается в ВА:
  http://www.mstator.ru/products/sonstige/powertransf (трансформаторы ТП: см приложение)
  http://metz.by/download_files/catalog/transform/tsgl__tszgl__tszglf.pdf (трансформаторы ТСГЛ: см приложение)
• Мощность конденсаторов указывается в Варах:
  http://www.elcod.spb.ru/catalog/k78-39.pdf (конденсаторы K78-39: см приложение)
  http://www.kvar.su/produkciya/25-nizkogo-napraygeniya-vbi (конденсаторы УК: см приложение)
• Примеры других нагрузок — см. приложения ниже.

 

Мощностные характеристики нагрузки можно точно задать одним единственным параметром (активная мощность в Вт) только для случая постоянного тока, так как в цепи постоянного тока существует единственный тип сопротивления – активное сопротивление.

Мощностные характеристики нагрузки для случая переменного тока невозможно точно задать одним единственным параметром, так как в цепи переменного тока существует два разных типа сопротивления – активное и реактивное. Поэтому только два параметра: активная мощность и реактивная мощность точно характеризуют нагрузку.

Принцип действия активного и реактивного сопротивлений совершенно различный. Активное сопротивление – необратимо преобразует электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, световую и т.д.) – примеры: лампа накаливания, электронагреватель (параграф 39, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).

Реактивное сопротивление – попеременно накапливает энергию затем выдаёт её обратно в сеть – примеры: конденсатор, катушка индуктивности (параграф 40,41, Физика 11 класс В. А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).

Дальше в любом учебнике по электротехнике Вы можете прочитать, что активная мощность (рассеиваемая на активном сопротивлении) измеряется в ваттах, а реактивная мощность (циркулирующая через реактивное сопротивление) измеряется в варах; так же для характеристики мощности нагрузки используют ещё два параметра: полную мощность и коэффициент мощности. Все эти 4 параметра:

1. Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт
2. Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)
3. Полная мощность: обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер)
4. Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ, единица измерения: безразмерная величина

Эти параметры связаны соотношениями:  S*S=P*P+Q*Q,   cosФ=k=P/S

Также cosФ называется коэффициентом мощности (Power Factor – PF)

Поэтому в электротехнике для характеристики мощности задаются любые два из этих параметров так как остальные могут быть найдены из этих двух.

Например, электромоторы, лампы (разрядные) — в тех. данных указаны P[кВт] и cosФ:
http://www.mez.by/dvigatel/air_table2.shtml (двигатели АИР: см. приложение)
http://www.mscom.ru/katalog.php?num=38 (лампы ДРЛ: см. приложение)

(примеры технических данных разных нагрузок см. приложение ниже)

То же самое и с источниками питания. Их мощность (нагрузочная способность) характеризуется одним параметром для источников питания постоянного тока – активная мощность (Вт), и двумя параметрами для ист. питания переменного тока. Обычно этими двумя параметрами являются полная мощность (ВА) и активная (Вт). См. например параметры ДГУ и ИБП.

Большинство офисной и бытовой техники, активные (реактивное сопротивление отсутствует или мало), поэтому их мощность указывается в Ваттах. В этом случае при расчёте нагрузки используется значение мощности ИБП в Ваттах. Если нагрузкой являются компьютеры с блоками питания (БП) без коррекции входного коэффициента мощности (APFC), лазерный принтер, холодильник, кондиционер, электромотор (например погружной насос или мотор в составе станка), люминисцентные балластные лампы и др.

– при расчёте используются все вых. данные ибп: кВА, кВт, перегрузочные характеристики и др.

 

См. учебники по электротехнике, например:

1. Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. — М.: Издательский центр «Академия», 2004.

2. Немцов М. В. Электротехника и электроника. — М.: Издательский центр «Академия», 2007.

3. Частоедов Л. А. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1989.

Так же см. AC power, Power factor, Electrical resistance, Reactance http://en.wikipedia.org
(перевод: http://electron287.narod.ru/pages/page1.html)

 

---

Приложение

 

Пример 1: мощность трансформаторов и автотрансформаторов указывается в ВА (Вольт·Амперах)

Трансформаторы питания номинальной выходной мощностью 25-60 ВА
http://www.mstator.ru/products/sonstige/powertransf (трансформаторы ТП)

 

http://metz. by/download_files/catalog/transform/tsgl__tszgl__tszglf.pdf (трансформаторы ТСГЛ)

 

		АОСН-2-220-82
	Латр 1.25	АОСН-4-220-82
	Латр 2.5	АОСН-8-220-82
		АОСН-20-220
		АОМН-40-220

http://www.gstransformers.com/products/voltage-regulators.html (ЛАТР / лабораторные автотрансформаторы TDGC2)

 

 

Пример 2: мощность конденсаторов указывается в Варах (Вольт·Амперах реактивных)

http://www. elcod.spb.ru/catalog/k78-39.pdf (конденсаторы K78-39)

 

http://www.kvar.su/produkciya/25-nizkogo-napraygeniya-vbi (конденсаторы УК)

 

 

Пример 3: технические данные электромоторов содержат активную мощность (кВт) и cosФ

Для таких нагрузок как электромоторы, лампы (разрядные), компьютерные блоки питания, комбинированные нагрузки и др. — в технических данных указаны P [кВт] и cosФ (активная мощность и коэффициент мощности) или S [кВА] и cosФ (полная мощность и коэффициент мощности).

http://www.mez.by/dvigatel/air_table2.shtml (двигатели АИР)

 

http://www.weiku.com/products/10359463/Stainless_Steel_cutting_machine.html
(комбинированная нагрузка – станок плазменной резки стали / Inverter Plasma cutter LGK160 (IGBT)

 

Технические данные разрядных ламп содержат активную мощность (кВт) и cosФ
http://www. mscom.ru/katalog.php?num=38 (лампы ДРЛ)

 

http://www.silverstonetek.com.tw/product.php?pid=365&area=en (блок питания ПК)

 

 

Дополнение 1

Если нагрузка имеет высокий коэффициент мощности (0.8 … 1.0), то её свойства приближаются к активной нагрузке. Такая нагрузка является идеальной как для сетевой линии, так и для источников электроэнергии, т.к. не порождает реактивных токов и мощностей в системе.

Если нагрузка имеет низкий коэффициент мощности (менее 0.8 … 1.0), то в линии питания циркулируют большие реактивные токи (и мощности). Это паразитное явление приводит к повышению потерь в проводах линии (нагрев и др.), нарушению режима работы источников (генераторов) и трансформаторов сети, а также др. проблемам.

Поэтому во многих странах приняты стандарты нормирующие коэффициент мощности оборудования.

 

Дополнение 2

Оборудование однонагрузочное (например, БП ПК) и многосоставное комбинированное (например, фрезерный промышленный станок, имеющий в составе несколько моторов, ПК, освещение и др. ) имеют низкие коэффициенты мощности (менее 0.8) внутренних агрегатов (например, выпрямитель БП ПК или электромотор имеют коэффициент мощности 0.6 .. 0.8). Поэтому в настоящее время большинство оборудования имеет входной блок корректора коэффициента мощности. В этом случае входной коэффициент мощности равен 0.9 … 1.0, что соответствует нормативным стандартам.

 

Дополнение 3. Важное замечание относительно коэффициента мощности ИБП и стабилизаторов напряжения

Нагрузочная способность ИБП и ДГУ нормирована на стандартную промышленную нагрузку (коэффициент мощности 0.8 с индуктивным характером). Например, ИБП 100 кВА / 80 кВт. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 80 кВт, или смешанную (активно-реактивную) нагрузку максимальной мощности 100 кВА с индуктивным коэффициентом мощности 0.8.

В стабилизаторах напряжения дело обстоит иначе. Для стабилизатора коэффициент мощности нагрузки безразличен. Например, стабилизатор напряжения 100 кВА. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 100 кВт, или любую другую (чисто активную, чисто реактивную, смешанную) мощностью 100 кВА или 100 кВАр с любым коэффициентом мощности емкостного или индуктивного характера. Обратите внимание, что это справедливо для линейной нагрузки (без высших гармоник тока). При больших гармонических искажениях тока нагрузки (высокий КНИ) выходная мощность стабилизатора снижается.

 

Дополнение 4

Наглядные примеры чистой активной и чистой реактивных нагрузок:

• К сети переменного тока 220 VAC подключена лампа накаливания 100 Вт – везде в цепи есть ток проводимости (через проводники проводов и вольфрамовый волосок лампы). Характеристики нагрузки (лампы): мощность S=P~=100 ВА=100 Вт, PF=1 => вся электрическая мощность активная, а значит она целиком поглащается в лампе и превращается в мощность тепла и света.
• К сети переменного тока 220 VAC подключен неполярный конденсатор 7 мкФ – в цепи проводов есть ток проводимости, внутри конденсатора идёт ток смещения (через диэлектрик). Характеристики нагрузки (конденсатора): мощность S=Q~=100 ВА=100 ВАр, PF=0 => вся электрическая мощность реактивная, а значит она постоянно циркулирует от источника к нагрузке и обратно, опять к нагрузке и т.д.

 

Дополнение 5

Для обозначения преобладающего реактивного сопротивления (индуктивного либо ёмкостного) коэффициенту мощности приписывается знак:

+ (плюс) – если суммарное реактивное сопротивление является индуктивным (пример: PF=+0.5). Фаза тока отстаёт от фазы напряжения на угол Ф.

— (минус) – если суммарное реактивное сопротивление является ёмкостным (пример: PF=-0,5). Фаза тока опережает фазу напряжения на угол Ф.

 

Дополнение 6

В различных областях техники мощность может быть либо полезной, либо паразитной НЕЗАВИСИМО от того активная она или реактивная. Например, необходимо различать активную полезную мощность рассеиваемую на рабочей нагрузке и активную паразитную мощность рассеиваемую в линии электропередачи. Так, например, в электротехнике при расчете активной и реактивной мощностей наиболее часто активная мощность является полезной мощностью, передаваемой в нагрузку и является реальной (не мнимой) величиной. А в электронике при расчёте конденсаторов или расчёте самих линий передач активная мощность является паразитной мощностью, теряемой на разогрев конденсатора (или линии) и является мнимой величиной. Причём, деление на мнимые и немнимые величины производится только для удобства рассчётов. На самом деле, все физические величины конечно реальные.

 

 

Дополнительные вопросы

 

Вопрос 1:
Почему во всех учебниках электротехники при расчете цепей переменного тока используют мнимые числа / величины (например, реактивная мощность, реактивное сопротивление и др.), которые не существуют в реальности?

Ответ:
Да, все отдельные величины в окружающем мире – действительные. В том числе температура, реактивное сопротивление, и т. д. Использование мнимых (комплексных) чисел – это только математический приём, облегчающий вычисления. В результате вычисления получается обязательно действительное число. Пример: реактивная мощность нагрузки (конденсатора) 20кВАр – это реальный поток энергии, то есть реальные Ватты, циркулирующие в цепи источник–нагрузка. Но что бы отличить эти Ватты от Ваттов, безвозвратно поглащаемых нагрузкой, эти «циркулирующие Ватты» решили называть Вольт·Амперами реактивными [6].

Замечание:
Раньше в физике использовались только одиночные величины и при расчете все математические величины соответствовали реальным величинам окружающего мира. Например, расстояние равно скорость умножить на время (S=v*t). Затем с развитием физики, то есть по мере изучения более сложных объектов (свет, волны, переменный электрический ток, атом, космос и др.) появилось такое большое количество физических величин, что рассчитывать каждую в отдельности стало невозможно. Это проблема не только ручного вычисления, но и проблема составления программ для ЭВМ. Для решения данное задачи близкие одиночные величины стали объединять в более сложные (включающие 2 и более одиночных величин), подчиняющиеся известным в математике законам преобразования. Так появились скалярные (одиночные) величины (температура и др.), векторные и комплексные сдвоенные (импеданс и др.), векторные строенные (вектор магнитного поля и др.), и более сложные величины – матрицы и тензоры (тензор диэлектрической проницаемости, тензор Риччи и др.). Для упрощения рассчетов в электротехнике используются следующие мнимые (комплексные) сдвоенные величины:

1. Полное сопротивление (импеданс) Z=R+iX
2. Полная мощность S=P+iQ
3. Диэлектрическая проницаемость e=e’+ie»
4. Магнитная проницаемость m=m’+im»
5. и др.

 

 

Вопрос 2:

На странице http://en.wikipedia.org/wiki/Ac_power показаны S P Q Ф на комплексной, то есть мнимой / несуществующей плоскости. Какое отношение это все имеет к реальности?

 

 

Ответ:
Проводить расчеты с реальными синусоидами сложно, поэтому для упрощения вычислений используют векторное (комплексное) представление как на рис. выше. Но это не значит, что показанные на рисунке S P Q не имеют отношения к реальности. Реальные величины S P Q могут быть представлены в обычном виде, на основе измерений синусоидальных сигналов осциллографом. Величины S P Q Ф I U в цепи переменного тока «источник-нагрузка» зависят от нагрузки. Ниже показан пример [5] реальных синусоидальных сигналов S P Q и Ф для случая нагрузки состоящей из последовательно соединённых активного и реактивного (индуктивного) сопротивлений.

 

 

 

Вопрос 3:
Обычными токовыми клещами и мультиметром измерен ток нагрузки 10 A, и напряжение на нагрузке 225 В. Перемножаем и получаем мощность нагрузки в Вт: 10 A · 225В = 2250 Вт.

Ответ:
Вы получили (рассчитали) полную мощность нагрузки 2250 ВА. Поэтому ваш ответ будет справедлив только, если ваша нагрузка чисто активная, тогда действительно Вольт·Ампер равен Ватту. Для всех других типов нагрузок (например электромотор) – нет. Для измерения всех характеристик любой произвольной нагрузки необходимо использовать анализатор сети, например APPA137:

 

 

 

---

См. дополнительную литературу, например:

 

[1]. Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. — М.: Издательский центр «Академия», 2004.

[2]. Немцов М. В. Электротехника и электроника. — М.: Издательский центр «Академия», 2007.

[3]. Частоедов Л. А. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1989.

[4]. AC power, Power factor, Electrical resistance, Reactance
http://en.wikipedia.org (перевод: http://electron287.narod.ru/pages/page1.html)

[5]. Теория и расчёт трансформаторов малой мощности Ю.Н.Стародубцев / РадиоСофт Москва 2005 г. / rev d25d5r4feb2013

[6]. Международная система единиц, СИ, см напр. ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН

Что такое активная, реактивная и полная мощность?

Активная мощность

Мощность, потребляемая нагрузкой для выполнения работы, называется истинной мощностью, активной мощностью или реальной мощностью. Когда электрическая энергия подается на нагрузку, электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии, такие как тепловая, механическая или химическая. Таким образом, мощность, фактически потребляемая электрической нагрузкой, называется активной мощностью. Нагреватель с номиналом 220 вольт, 400 ватт потребляет 400 ватт, когда на его резистивный элемент подается 220 вольт. Мощность 400 ватт, потребляемая нагревателем, является реальной мощностью или активной мощностью. Активная мощность измеряется в киловаттах (кВт) или МВт.

Для расчета активной мощности рассчитывается ток, протекающий в фазе с приложенным напряжением.

Произведение напряжения и тока в фазе с напряжением дает реальную мощность или активную мощность.

Реактивная мощность

Мощность, которая течет от источника к нагрузке и от нагрузки к источнику, называется реактивной энергией. Реактивная энергия течет в обоих направлениях. Реактивная мощность измеряется в киловольтах-амперах реактивных (кВАр) или МВАР.

Индуктивная нагрузка вызывает реактивный ток, поэтому ток отстает от приложенного напряжения. Емкостная нагрузка вызывает реактивное сопротивление приложенному напряжению, и, таким образом, ток опережает приложенное напряжение. Сдвиг фаз между напряжением и током всегда существует, если нагрузка емкостного или реактивного типа.

Импеданс емкостной и индуктивной нагрузок вызывает перетекание мощности туда и обратно от источника к нагрузке и от нагрузки к источнику. В пурпурной индуктивной цепи ток отстает от напряжения на 90 электрический градус. В чисто емкостной цепи ток опережает напряжение на 90 электрических градусов.

Активная мощность в случае чисто индуктивной и емкостной цепи VICosΦ= VI Cos90=0. Реактивная мощность в случае чисто индуктивной и емкостной цепи VISinΦ= VI Sin90=VI.

Полная мощность

Если нагрузка не является ни резистивной, ни чисто реактивной, ток, потребляемый нагрузкой, состоит из двух составляющих тока.

Активная составляющая тока:

Ток, находящийся в фазе с приложенным напряжением, называется активной составляющей тока. Активная или реальная потребляемая мощность нагрузки зависит от активной составляющей тока цепи.

Реактивная составляющая тока:

Ток, который на 90 градусов не совпадает по фазе с приложенным напряжением, называется реактивной составляющей тока или безваттным током. Реактивная составляющая тока вносит вклад в реактивную мощность.

Независимо от того, потребляет ли нагрузка активный или реактивный ток, общий ток системы будет увеличиваться. Поэтому мощность электрической системы выражается в полной мощности кВА или МВА. Система должна обрабатывать как активный, так и реактивный ток, поэтому система спроектирована с учетом полной мощности.

Пусть электрическая индуктивная нагрузка потребляет ток I, а сдвиг фаз между напряжением и током равен Φ.

Активная, реактивная и полная мощность, потребляемая индуктивной нагрузкой, может быть рассчитана следующим образом.

Активная составляющая тока, совпадающая по фазе с напряжением, равна ICosΦ, а реактивная составляющая тока, не совпадающая по фазе с напряжением, равна ISinΦ.

Активная мощность однофазной нагрузки

Активная мощность (P)

= Напряжение x Ток в фазе с напряжением

= V x ICosΦ

= V I CosΦ

Активная мощность трехфазной нагрузки Активная мощность

90 (P)

= Напряжение x Ток в фазе с напряжением

= √3 Vx ICosΦ

= √3 V I CosΦ

Реактивная мощность однофазной нагрузки

Реактивная мощность (Q)

Q = Напряжение x Ток не совпадает по фазе с напряжением 5

Реактивная мощность трехфазной нагрузки. активной и реактивной мощности.

Для однофазной системы питания кажущаяся потребляемая мощность может быть выражена следующим математическим выражением.

Для трехфазной нагрузки полная мощность составляет;

Похожие сообщения:

1. Что такое треугольник власти?
2. В чем разница между кВт и кВА?

Похожие сообщения:

Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк:

Что такое коэффициент мощности? Разница активной и реактивной мощности —

Посмотрим, какой коэффициент мощности? И, следовательно, мы увидим разницу между KVA и KW.

Сначала посмотрим, что такое коэффициент мощности?

Проще говоря, Коэффициент мощности — это мера эффективного использования электроэнергии. Это означает, что чем больше коэффициент мощности, тем лучше использование энергии.

Коэффициент мощности — это не что иное, как угол между напряжением и током. Это разность фаз между напряжением и током. Следовательно, коэффициент мощности напрямую связан с разностью фаз между напряжением и током. Здесь мы можем видеть векторную диаграмму напряжения и тока источника переменного тока. Если мы рассмотрим напряжение как эталон, а Φ как угол между напряжением и током. Тогда коэффициент мощности равен cos Φ.

 

Теперь рассмотрим формы сигналов напряжения и тока. Это форма волны напряжения.

Уравнение напряжения:

V=VmsinωT

Где Vm=пиковое значение напряжения

ω=2πf, где f — частота, а T — время

Уравнения тока будут отличаться в зависимости от разности фаз между напряжением и током .

1. Ток в фазе с напряжением (Φ=0):

 

Это означает, что разность фаз между напряжением и током равна нулю. Это означает, что Φ равно нулю.

Следовательно, уравнение для тока:

I=ImsinωT

Аналогичное уравнение и векторная диаграмма, что и для напряжения.

Где

Im= Пиковое значение тока. ω=2πf. f — частота. Т — время.

Ток в фазе с напряжением.

2. Ток опережает напряжение (Φ+Ve):

Это означает, что Φ положителен.

Отсюда уравнение тока

I=Imsin(ωT+Φ)

Ток опережает напряжение в емкостной цепи или нагрузке.

Ток опережает напряжение.

3. Ток отстает от напряжения (Φ-Ve):

Это означает, что Φ отрицательно.

Отсюда уравнение тока

I=Imsin(ωT-Φ)

Ток отстает от напряжения в индуктивной цепи или нагрузке. Как правило, любая бытовая или промышленная нагрузка является индуктивной. Ток отстает от напряжения.

Теперь давайте посмотрим, почему существует разница фаз между напряжением и током переменного тока?

Поскольку мы знаем, что разность фаз есть не что иное, как разница во времени между распространением напряжения и тока. Разница фаз в основном связана с частотой источника питания переменного тока. Из-за своей переменной природы мощность переменного тока имеет частоту, которая вызывает разность фаз между напряжением и током как в индуктивных, так и в емкостных цепях. В силовой цепи постоянного тока нет частоты, следовательно, нет разности фаз между напряжением и током, и, следовательно, коэффициент мощности равен единице.

Что такое активная мощность? А что такое реактивная мощность?

Простыми словами, активная мощность полезна для мощности, за счет которой нагрузка выполняет свою функцию. Реактивная мощность существует в основном за счет индуктивных и емкостных свойств цепи или нагрузки, которая потребляется для зарядки цепей или нагрузок. Эта мощность перемещается между источником и нагрузкой. Следовательно, реактивная мощность не влияет непосредственно на функцию нагрузки.

Для лучшего понимания рассмотрим треугольник мощности. В этом треугольнике мощности это активная мощность, обозначаемая как P, это реактивная мощность, обозначаемая как Q, и это векторное сложение активной и реактивной мощностей, называемое полной мощностью, обозначаемое как S. Как мы видели, только эта активная мощность полезна для мощности. . Опять же, эти три типа мощности существуют из-за фазового угла, который представляет собой разность фаз между напряжением и током. Следовательно, активная и реактивная мощности также напрямую связаны с коэффициентом мощности.

Теперь давайте посмотрим на соотношение между реактивной мощностью.

Как мы знаем, активная мощность

P = VIcosΦ

И реактивная мощность

Q = VIsinΦ

Где

В — напряжение, I — ток, а Phi — разность фаз между напряжением и током.