ВАЖНО: Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА).
Что такое активная мощность?
Электроприборы, подключенные к сети, работают в цепи переменного тока, поэтому именно в этих условиях мы будем рассматривать мощность. Однако сначала дадим общее определение мощности.
Мощность – это физическая величина, представляющая собой скорость преобразования или передачи электрической энергии.
В более узком смысле, электрическая мощность – это отношение работы, выполненной за определенный период времени, к этому периоду времени.
Если перефразировать это определение менее научным образом, то мощность – это количество энергии, потребляемое нагрузкой за определенный период времени. Самый простой пример – обычная лампочка. Скорость, с которой лампочка преобразует потребляемую электрическую энергию в тепло и свет, является ее мощностью. Соответственно, чем выше начальное значение мощности лампочки, тем больше энергии она будет потреблять и тем больше света излучать.
Поскольку в этом случае происходит не только процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии (свет, тепло и т.д.), но и процесс колебания электрического и магнитного полей, возникает фазовый сдвиг между током и напряжением, который необходимо учитывать в дальнейших расчетах.
При расчете мощности в цепи переменного тока обычно различают активную, реактивную и полную составляющие.
Понятие активной мощности
Полезная" активная мощность – это та часть мощности, которая используется для непосредственного преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Она обозначается латинской буквой P и измеряется в ваттах (Вт).
Она рассчитывается по формуле: P = U⋅I⋅cosφ,
где U и I – среднеквадратичные значения напряжения и тока соответственно, cos φ – косинус фазового угла между напряжением и током.
ВАЖНО: Описанная выше формула подходит для цепей 220 В, но мощные агрегаты обычно используют цепи 380 В. В этом случае умножьте формулу на корень из трех или умножьте на 1,73.
Что это значит
В сетях переменного тока, которые сегодня используются во всем мире, невозможно обойтись без активной и реактивной мощности – они взаимозависимы и даже необходимы. Активная мощность – это напряжение, которое вырабатывается на теплоэлектроцентрали, электростанции, атомной электростанции, мобильном генераторе, припаркованном в гараже, и т.д., и поступает к потребителю (заводам, фабрикам, заводам и т.д.). – поступает к потребителю (фабрики, заводы, наши дома) и питает все электроприборы от сети с напряжением ≈220-380 В. В то же время функция реактивной составляющей общего тока заключается в бесцельном блуждании от источника к потребителю и обратно. Откуда же берется эта, казалось бы, бесполезная субстанция?
Дело в том, что в наших домах, на заводах и других электрифицированных объектах есть устройства с индукционными катушками (например, статор электродвигателя), в которых постоянно создаются магнитные поля. Это означает, что часть энергии вращает ротор (якорь), а часть возвращается обратно, и так до бесконечности, пока существует активное движение энергии. Это хорошо видно на примере пинты свежего пива: человек выпивает вместе с жидкостью лишь небольшую часть пены, а остальное остается в бокале или вылетает на землю. Однако эта пена – продукт брожения (индукции), без которого пиво вообще бы не существовало.
Теперь мы можем подытожить первый пункт в понимании темы: если есть индуктивная нагрузка (а она есть всегда), то должен быть реактивный ток, потребляемый индукцией, которая сама его генерирует. Это означает, что индукция генерирует реактивную мощность, затем потребляет ее, снова генерирует и так далее, но здесь кроется одна проблема. Для того чтобы передать реактивное вещество обратно, необходима активная энергия, которая расходуется на непрерывное движение электронов по проводникам (нагрев проводников).
Интересные факты ➡ Электричество: что это такое, формулы, единицы измерения
Можно сделать вывод, что активная мощность генератора – это полная противоположность, казалось бы, бесполезной реактивной мощности? Но это не так. Вспомним, что сестры неразлучны, потому что любят друг друга, а пиво никто не пьет без пены, и ни один напиток без нее не забродит. То же самое можно сказать и о реактивной мощности – без нее нельзя создать магнитное поле, поэтому с ней приходится считаться. Но тут-то и включились мозги изобретателей, которые решили сократить территориальное пространство (чтобы не гонять туда-сюда по проводам) этой, до конца не понятой, субстанции и генерировать ее в непосредственной близости от объекта потребления.
Приложение
Пример 1: номинальная мощность трансформаторов и автотрансформаторов указывается в ВА (вольт-амперах)
Силовые трансформаторы с номинальной выходной мощностью 25-60 ВА
http://www.mstator.ru/products/sonstige/powertransf (трансформаторы TP)
http://metz.by/download_files/catalog/transform/tsgl__tszgl__tszglf.pdf (трансформаторы TSGL)
http://www.gstransformers.com/products/voltage-regulators.html (лабораторные автотрансформаторы LATR / TDGC2)
Пример 2: Выходная мощность конденсаторов задается в VAR (реактивных вольт-амперах).
http://www.elcod.spb.ru/catalog/k78-39.pdf (конденсаторы К78-39)
http://www.kvar.su/produkciya/25-nizkogo-napraygeniya-vbi (конденсаторы UC)
Пример 3: Технические характеристики электродвигателей включают активную мощность (кВт) и cosPh.
Для таких нагрузок, как электродвигатели, (газоразрядные) лампы, компьютерные блоки питания, комбинированные нагрузки и т.д., технические характеристики включают P [кВт] и cosPh. – Технические данные включают P [кВт] и cosPh (активная мощность и коэффициент мощности) или S [кВА] и cosP (кажущаяся 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 – плазморез / инверторный плазморез LGK160 (IGBT))
Характеристики газоразрядных ламп включают активную мощность (кВт) и cosPh
http://www.mscom.ru/katalog.php?num=38 (радиальные газоразрядные лампы)
Дополнительные вопросы
Вопрос 1:
Почему во всех учебниках по электротехнике при расчете цепей переменного тока используются мнимые числа / величины (например, реактивная мощность, реактивное сопротивление и т.д.), которые не существуют в реальности?
Ответ:
Да, все отдельные величины в окружающем нас мире реальны. К ним относятся температура, реактивное сопротивление и т.д. Использование мнимых (комплексных) чисел – это просто математический трюк для облегчения расчетов. Результатом вычислений должно быть действительное число. Пример: реактивная мощность нагрузки (конденсатора) в 20 кВАр – это реальный поток энергии, т.е. реальные ватты, циркулирующие в цепи источник-нагрузка. Однако, чтобы отличить эти ватты от ватт, безвозвратно поглощенных нагрузкой, эти "циркулирующие ватты" было решено называть пассивными вольт-амперами [6].
Замечание:
Ранее в физике использовались только единичные величины, и при расчетах все математические величины соответствовали реальным величинам окружающего нас мира. Например, расстояние равно скорости, умноженной на время (S=v*t). Позже, с развитием физики, то есть с изучением более сложных объектов (свет, волны, переменный электрический ток, атом, пространство и т.д.), появилось большое количество физических величин, так что вычислять каждую величину по отдельности стало невозможно. Это не только проблема ручного расчета, но и проблема компьютерного программирования. Для решения этой проблемы близкие единичные величины стали объединять в более сложные (содержащие 2 и более единичных величин), которые подчиняются законам преобразования, известным в математике. Это привело к появлению скалярных (сингулярных) величин (температура и т.д.), векторных и комплексных двойственных величин (импеданс и т.д.), строгих векторных величин (вектор магнитного поля и т.д.) и более сложных величин – матриц и тензоров (тензор проницаемости, тензор Риччи и т.д.). Следующие мнимые (комплексные) двойные величины используются в электротехнике для упрощения расчетов:
Как измеряется cosφ на практике
Значение cosφ обычно указывается на этикетках электроприборов, но если необходимо измерить его на практике, можно воспользоваться специализированным прибором – фазометром. Цифровой ваттметр также легко справится с этой задачей.
Если полученный cosφ достаточно мал, его можно практически компенсировать. В основном это делается путем включения в схему дополнительных приборов.
- Если необходимо компенсировать реактивную составляющую, в цепь должен быть включен реактивный элемент, действующий в противоположном направлении по отношению к уже работающему устройству. Для компенсации работы асинхронного двигателя, например, индуктивной нагрузки, параллельно подключается конденсатор. Для компенсации работы синхронного двигателя подключается соленоид.
- Если необходимо устранить проблемы нелинейности, в цепь вводится пассивный корректор cosφ, например, дроссель с высокой индуктивностью, подключенный последовательно с нагрузкой.
Читайте также: Определение направления вектора магнитной индукции с помощью правила Бюравера и правила правой руки
Мощность – один из важнейших показателей электрооборудования, поэтому знать, что это такое и как она рассчитывается, полезно не только студентам и тем, кто специализируется на инженерном деле, но и всем нам.
Похожие статьи:
Как перевести амперы в киловатты?
Как рассчитать падение напряжения на длине кабеля в электрической сети?
Как перевести амперы в ватты и обратно?
Что такое электрическая проницаемость
Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Что такое коэффициент трансформации трансформатора?
Учет реактивной мощности двигателей
Теперь давайте посмотрим, как рассчитывается активная энергия для тех самых электродвигателей, от которых зависит 70-80% производительности современного завода – они запускают насосы, станки, вентиляторы, конвейеры и т.д. и т.п. В таком случае кто-то должен постоянно следить за тем, чтобы потребление энергии не стало вдруг чрезмерно высоким. Конечно, этот контроль может осуществлять компьютер, но не без участия человека (инженера).
Большая часть реактивной энергии тратится впустую, когда двигатель работает на холостом ходу, и если в случае с насосами или конвейерами это незначительно, то в случае со станками это очень заметная трата реактивной энергии. Однако порог наиболее эффективной работы электродвигателей находится в пределах 60-100%, а при более низких значениях бесполезное потребление энергии все ближе и ближе к значению холостого хода. Что это означает? Что не следует переоценивать КПД установки при ее проектировании – на практике это может только навредить производству.
Примечание: Мировая практика показывает, что в последние годы технологи ведущих компаний отказываются от идеи использования двигателей с фазным ротором в пользу асинхронных короткозамкнутых двигателей.
Читайте также:
Мощность электроплиты: что это такое и что влияет на энергопотребление
Описание видео
Активная, реактивная и кажущаяся мощность.
Хороший инженер, знакомый со всеми возможностями генератора, может добиться высокой экономической выгоды для своей компании. Учитывая, что установка оборудования для компенсации реактивной мощности обычно составляет от 12 до 50% платежей коммунальным службам, предприятие окупится примерно за год. После этого такая установка начнет приносить прибыль.
Различия
Разница между этими двумя показателями заключается в том, что характеристика активной мощности показывает эффективность оборудования, в то время как характеристика реактивной мощности является передачей этой эффективности. Также существует разница в определении, символе, формуле и значении.
Возможно, вас заинтересуют подробности об измерительных единицах кВТ и кВА.
Примечание: Что касается значения, то последняя необходима только для управления напряжением, сформированным из первой величины, и для преодоления колебаний мощности.
Значение реактивных нагрузок
Любая реактивная нагрузка вызывает временный сдвиг фаз между током и напряжением. Эта величина измеряется в градусах. Наиболее очевидным является векторное представление электрических параметров. Если подключен индуктор, то напряжение будет опережать ток. Угол между ними обозначается в формулах буквой 'ϕ' (греч. 'Phi').
Временная и векторная диаграммы показывают, как изменяются основные параметры при подключении индуктивных (емкостных) элементов.
На рисунке видно, что при подключении емкостной нагрузки векторы "меняются местами". В идеальных условиях смещение между векторами составляет 90°. В реальности необходимо учитывать влияние электрического сопротивления цепи и несовершенство конструкции. Рассматривая характеристики элементов, следует напомнить, что в индуктивности (емкости) при сохранении параметров питания ток (напряжение) изменяется соответственно плавно.
Почему напряжение в сети колеблется?
Чтобы объяснить текущую ситуацию, нам необходимо совершить небольшой экскурс в историю. Электричество известно человеку уже сотни (по некоторым данным, тысячи) лет. Однако по-настоящему массовое использование этой энергии началось сравнительно недавно – в конце 19 века. Именно тогда (в 1879 году) Эдисон запатентовал первое функциональное устройство, помогающее решить проблемы освещения. Он начал устанавливать сеть постоянного тока для питания электрических лампочек.
Электроприборы, влияющие на качество потребления энергии
Узнайте, как легко рассчитать энергопотребление электроприбора
Коэффициент мощности для ламп и нагревателей равен единице. Он снижается до 0,7 и менее, когда в цепь добавляются энергоемкие электродвигатели и другие компоненты с пассивными элементами.
Правильное применение расчетов и определений мощности помогает оптимизировать проектирование электрической сети с учетом характеристик подключенных нагрузок. Приведенная выше информация будет полезна на этапе определения размеров кабельных линий, автоматических выключателей и защитных устройств. Комплексное использование этих знаний позволит повысить надежность электроснабжения и предотвратить возникновение и развитие непредвиденных ситуаций.