Для цепей постоянного тока мы не говорим о реактивной мощности. В этих цепях мгновенная и кажущаяся мощность идентичны. Исключением является включение и выключение емкостной или индуктивной нагрузки.
Еще раз про мощность: активную, реактивную, полную (P, Q, S), а также коэффициент мощности (PF)
Из письма клиента: Скажите, пожалуйста, почему мощность ИБП указывается в вольт-амперах, а не в привычных киловаттах. Это очень раздражает. Вроде бы все давно привыкли указывать мощность в киловаттах. И мощность всех электроприборов обычно указывается в киловаттах. Алексей. 21 июня 2007 г.
В технических характеристиках каждого ИБП указывается полная мощность кВА и активная мощность кВт — они характеризуют нагрузочную способность ИБП.
Характеристика мощности нагрузки может быть точно определена только по одному параметру (активная мощность в ваттах) для случая постоянного тока, поскольку в цепи постоянного тока существует только один тип сопротивления — активное сопротивление.
Характеристика мощности нагрузки для случая переменного тока не может быть точно определена по одному параметру, поскольку в цепи переменного тока существует два различных типа сопротивления — активное и реактивное. Поэтому только два параметра, активная мощность и реактивная мощность, могут точно характеризовать нагрузку.
Принцип работы активного и реактивного сопротивления совершенно разный. Активное сопротивление — необратимо преобразует электрическую энергию в другие виды энергии (тепло, свет и т.д.) — примеры: Лампочка, электронагреватель (параграф 39, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).
Реактивность — попеременно накапливает энергию, а затем возвращает ее в сеть — примеры: Конденсатор, Катушка (параграфы 40,41, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).
Также в любом учебнике по электротехнике можно прочитать, что активная мощность (теряемая в активном сопротивлении) измеряется в ваттах, а реактивная мощность (циркулирующая через реактивное сопротивление) — в ваттах; кроме того, для характеристики мощности нагрузки используются еще два параметра: полная мощность и коэффициент мощности. Все четыре этих параметра являются действительными:
- Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт
- Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)
- Полная мощность: обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер)
- Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ, единица измерения: безразмерная величина
Эти параметры связаны соотношениями: S*S=P*P+Q*Q, cosF=k=P/S.
Коэффициент cosF также называется коэффициентом мощности (PF).
Поэтому в электротехнике для характеристики мощности определяются любые два из этих параметров, поскольку остальные могут быть получены из этих двух.
Если нагрузка имеет высокий коэффициент мощности (0,8 … 1,0), ее характеристики близки к характеристикам активной нагрузки. Такая нагрузка идеально подходит как для сети, так и для источников питания, поскольку она не создает реактивных токов и мощностей в системе.
Если нагрузка имеет низкий коэффициент мощности (менее 0,8. 1,0), в линии протекают большие реактивные токи (и мощности). Это паразитное явление приводит к увеличению потерь в линии (нагрев и т.д.), нарушениям в работе источников (генераторов) и трансформаторов сети и другим проблемам.
По этой причине во многих странах приняты стандарты по коррекции коэффициента мощности.
Одиночные блоки (например, блок питания ПК) и многоблочные комбинированные блоки (например, промышленный фрезерный станок с несколькими двигателями, ПК, освещение и т.д.) имеют низкие коэффициенты мощности (менее 0,8) внутренних блоков (например, выпрямитель блока питания ПК или электродвигатель имеют коэффициент мощности 0,6 … 0,8). Поэтому большинство современных устройств имеют модуль для коррекции входного коэффициента мощности. В данном случае входной коэффициент мощности составляет 0,9. 1,0, что соответствует законодательным нормам.
Приложение 3. Важное замечание по коэффициенту мощности ИБП и стабилизаторов напряжения
Нагрузочные способности ИБП и DGS являются номинальными значениями для стандартных промышленных нагрузок (коэффициент мощности 0,8 с индуктивной характеристикой). Например, мощность ИБП составляет 100 кВА / 80 кВт. Это означает, что устройство может питать максимальную активную нагрузку 80 кВт или смешанную (активную/реактивную) нагрузку максимальной мощностью 100 кВА с индуктивным коэффициентом мощности 0,8.
Смысл реактивной нагрузки
Реактивная мощность в установке — это потеря мощности. После ее увеличения предприятие может начать тратить на электроэнергию больше денег, чем предполагалось изначально.
При полной мощности двигатели должны простаивать как можно меньше; нормальным считается показатель 60% и более. Важно проложить все таким образом, чтобы избежать чрезмерного перегрева сетевых проводников. Обычно это достигается установкой блока конденсаторов.
Что такое реактивная мощность — мощность, возникающая в сетях, где присутствует реактивная энергия. Энергия накапливается в цепи, а затем высвобождается.
Это приводит к нагреву оборудования во время работы, что можно наблюдать при длительной работе даже такого повседневного маломощного устройства, как зарядное устройство для смартфона.
Существует нормальный коэффициент реактивной мощности для электрического устройства. Обычно он составляет от 0,9 до 0,5, и производители указывают его в руководстве пользователя или техническом паспорте прибора.
Концепция коэффициента реактивной мощности заключается в том, что он вызывает временной сдвиг между фазами напряжения и тока. Расчет и применение формул для расчета реактивной мощности не только позволяет добиться высокой производительности электроприборов при меньших затратах на электроэнергию, но и помогает избежать аварийных ситуаций.
Часто возникает вопрос о том, как определить правильный коэффициент реактивной мощности для бытовых электрических сетей до бытового счетчика.
Для этого используется формула:
Ew — это активная мощность в данном случае, а Eq — реактивная мощность.
Треугольник мощностей
Формула для расчета кажущейся мощности, активной мощности и реактивной мощности может достаточно хорошо описать взаимосвязь между этими тремя аспектами. Но еще более четко их взаимосвязь можно выразить на плоскости в виде силового треугольника. Это происходит потому, что все эти величины тригонометрически связаны друг с другом. Угол, образованный между полной мощностью и активной мощностью, называется фазовым углом и хорошо виден на рисунке.
См. также.
Расчёт энергии и мощности
Средняя мощность P в ваттах (Вт) равна подведенной энергии E в джоулях (Дж), деленной на период t в секундах (с): P (Вт) = E (Дж) / D t (с).
Если ток и напряжение находятся в фазе 180 градусов, PF отрицателен, нагрузка отдает энергию источнику (примером может служить дом с солнечными батареями на крыше, питающимися от сети). Пример:
- P составляет 700 Вт, а фазовый угол составляет 45, 6;
- PF равен cos (45, 6) = 0, 700. Тогда S = 700 Вт / cos (45, 6) = 1000 В⋅А.
Отношение активной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности (PF). Для двух систем с одинаковой активной нагрузкой система с более низким PF будет иметь более высокие циркулирующие токи из-за возвратного тока. Эти более высокие токи приводят к увеличению потерь и снижают общую эффективность передачи. Цепь с более низким PF имеет более высокую общую нагрузку и более высокие потери при той же величине активной нагрузки. PF = 1, 0, если существует фазный ток. Он равен нулю, если ток опережает или отстает от напряжения на 90 градусов.
Например, PF = 0,68 означает, что только 68% общего потребляемого тока фактически совершает работу, а остальные 32% простаивают. Коммунальные службы не взимают плату со своих потребителей за потери реактивной мощности. Однако, если неэффективный источник нагрузки потребителя приводит к тому, что PF падает ниже определенного уровня, коммунальное предприятие может взимать плату с потребителя, чтобы покрыть повышенный расход топлива на электростанциях и ухудшение характеристик линии в сети.
Характеристики полной S
Формула для полной мощности зависит от активной и реактивной мощности и представлена в виде энергетического треугольника (теорема Пифагора). S = (Q 2 + P 2) 1 / 2, где:
- S = полная (измерение в киловольт-ампер, кВА );
- Q = реактивная (реактивность на киловольтах, kVAR);
- P = активная (киловатт, кВт).
Она измеряется в вольт-амперах (V⋅A) и зависит от напряжения, умноженного на общий входящий ток. Это векторная сумма компонентов P и Q, из которой может быть получена полная мощность. Однофазная сеть: V (В) = I (A) x R (Ω).
Напряжение V в вольтах (V) равно току I в амперах (A), умноженному на сопротивление Z в омах (Ω):
Активная P
Это мощность, потребляемая для работы, ее активная часть измеряется в Вт и является мощностью, потребляемой электрическим сопротивлением системы. P (Вт) = V (В) x I (А) x cos φ
Реактивная Q
Она не используется для работы сети. Q измеряется в вольт-амперах (VAR). Увеличение этих величин приводит к уменьшению коэффициента мощности (PF): Q (VAR) = V (V) x I (A) x sin φ.
Коэффициент эффективности сетей
PF определяется величинами P и S и рассчитывается по теореме Пифагора. При этом учитывается косинус угла между напряжением и током (несинусоидальный угол), фазовая диаграмма напряжения или тока из энергетического треугольника. Коэффициент PF равен абсолютному значению косинуса комплексного фазового угла энергии ( φ ).
Накопленная энергия в электрическом и магнитном полях в условиях нагрузки, например, от двигателя или конденсатора, вызывает поляризацию между напряжением и током. Когда через конденсатор протекает ток, к нему прикладывается противоположное напряжение из-за накопления заряда. Это напряжение возрастает до определенного максимального значения, которое определяется структурой конденсатора. В сети переменного тока напряжение на конденсаторе постоянно меняется. Конденсаторы называются источниками реактивных потерь и поэтому являются причиной пикового PF.
Асинхронные двигатели являются одним из наиболее распространенных типов нагрузок в энергосистеме. В этих машинах используются индуктивные элементы или большие проволочные катушки для накопления энергии в виде магнитного поля. Когда напряжение впервые проходит через катушку, катушка оказывает сильное сопротивление этому изменению тока и магнитного поля, в результате чего возникает временная задержка с пиковым значением. Это приводит к тому, что ток отстает по фазе от напряжения.
Индукторы поглощают Q и поэтому вызывают задержку PF. Асинхронные генераторы могут подавать или поглощать Q и предоставляют системному оператору возможность контролировать поток Q и перенапряжение. Поскольку эти устройства оказывают противоположное влияние на фазовый угол между напряжением и током, их можно использовать для взаимной компенсации. Обычно это делается в виде конденсаторных схем, используемых для нейтрализации запаздывающего ПФ, вызванного асинхронными двигателями.
Мощность активная, реактивная и полная
Перечисленные концепции рассматриваются с точки зрения характеристик нагрузки. Активная мощность поглощается общим проводником. При увеличении тока энергия расходуется на повышение температуры (чайник) или на производство света (нить накала лампы накаливания).
Индуктивная нагрузка и конденсатор потребляют реактивную энергию. В каждом из этих вариантов энергия преобразуется в магнитное (электрическое) поле. Общая величина — это полная мощность.
Различия
Разница между этими двумя величинами заключается в том, что кривая характеристики активной мощности показывает эффективность оборудования, а кривая характеристики реактивной мощности является мерой этой эффективности. Разница также отражается в определении, символе, формуле и значении.
Возможно, вас заинтересуют специальные сведения о единицах измерения кВТ и кВА.
Обратите внимание! Что касается величины, то последняя нужна только для того, чтобы управлять напряжением, создаваемым первой, и справляться с колебаниями мощности.
Смысл реактивной нагрузки
Любая реактивная нагрузка создает временной сдвиг между фазами тока и напряжения. Эта величина измеряется в градусах. Векторное представление электрических параметров является самым простым. Если подключена катушка, то напряжение будет предшествовать току. Угол между ними обозначается в формулах буквой «ϕ» (греч. «Фи»).
Временная и векторная диаграммы показывают, как изменяются важнейшие параметры при подключении индуктивных (емкостных) элементов.
На рисунке видно, что векторы «меняются местами» при подключении емкостной нагрузки. В идеальных условиях сдвиг между векторами составляет 90°. В реальности необходимо учитывать влияние электрического сопротивления цепи и несовершенство чертежей. Учитывая характеристики элементов, считайте, что ток (напряжение) в индуктивности (емкости) изменяется равномерно при сохранении параметров источника питания.
Почему в сети напряжение переменное
Чтобы объяснить текущую ситуацию, мы должны сделать краткий исторический обзор. Электричество известно человеку уже сотни (по некоторым данным, тысячи) лет. Однако реальное массовое использование этой энергии началось сравнительно недавно — в конце 19 века. Именно тогда (1879 год) Эдисон запатентовал первое работающее устройство для решения проблем освещения. Он начал устанавливать сети постоянного тока для питания ламп.
Десять лет спустя Тесла разработал генераторы переменного тока. После острой конкуренции победил его метод передачи энергии на расстояния. Такой результат был обусловлен рыночными методами, а не тщательным сравнением потребительских характеристик.
Напоминание. Метро Нью-Йорка до сих пор работает на постоянном токе.
