Активная мощность

Активная мощность – это часть общей, потреблённой от источника, которая пришлась впрок, то потреблена нагрузкой. Кое-где пишут, что электрическая энергия обязательно должна превратиться в другие виды, но не это главное. Реактивная энергия отражается обратно к источнику. Все прочее – тем сегодняшнего разговора.

Основные понятия

Когда на уроке физики учитель рассказывает про закон Ома, то он оперирует с активными составляющими тока и напряжения. Это значит, что их сдвиг фаз равен нулю. И мощность тоже выходит активная. Потому что она вычисляется, как произведение тока на напряжение. На уроке физики мощность превращается в тепло на некоем абстрактном сопротивлении. В реальной жизни это, как правило, негативный эффект потери энергии на проводах. Полезными же считаются:

  1. Превращение тока в движение ротора двигателя.
  2. Обогрев помещений.
  3. Иллюминация (освещение).
  4. Розжиг конфорки плиты.
  5. Формирование на выходе блока питания нормативных напряжений.

Примеров много. Так, трансформатор подстанции тоже является нагрузкой для ГЭС. На ЛЭП теряются тепло и звук, и часть мощности отражается. Последняя носит название реактивной, потому что описывает реакцию цепи, содержащей индуктивности (в случае трансформатора) или ёмкости, на внешнее воздействие. Некоторое время этими элементами мощность накапливается, а затем отдаётся в обратном направлении. Возникает вопрос – зачем вообще использовать реактивные элементы, если от них такой вред?

  1. Реактивные элементы позволяют преобразовать один вид энергии в другой, что часто бывает необходимо. Так например, для гальванической развязки цепей разного вольтажа применяется трансформатор. Без катушек индуктивности собрать его нет возможности. Аналогичным образом конденсаторы нужны для фильтрации.
  2. Использование реактивных элементов не всегда во вред. Так например, считается хорошим тоном, если предприятие потребляет всю отражённую своим оборудованием мощность. И в любом случае за превышение некого лимита над разрешённым уровнем реактивной мощности можно получить и штраф за перегрузку ЛЭП и трансформаторов подстанции. Чтобы этого избежать, индуктивное сопротивление двигателей уравнивают ёмкостным сопротивлением конденсаторных установок. Образуется колебательный контур, и реактивная мощность циркулирует только по цепям предприятия, нанося немалый урон, но по большей части, осаждаясь теплом на проводке.

Всё, написанное выше, сказано для того, чтобы дать понятие в простейшем виде о происходящих в сети процессах. Потому что многие учащиеся откровенно не могут объяснить своими словами рассматриваемых понятий. Так, например, процесс заряда конденсатора. Ведь напряжение на нем отстаёт от тока. Будет ли мощность реактивной? Если после заряда конденсатор отключится, то завод за это не оштрафуют. Но мощность все-таки реактивная. Почему? Потому что у тока и напряжения разная фаза:

P = IU cosφ, где φ – угол сдвига фаз между напряжением и током.

Что такое угол сдвига фаз

Никола Тесла видел мир, как эфир, заполненный колебаниями разных частот. Из гармоник образуется вся материя. Тесла напророчил многое, в частности:

  • Появление сети интернет.
  • Центральные выпуски новостей по радио и телевидению.
  • Охват всей планеты энергетическими сетями.

Это сегодня кажется таким простым окружающий мир. Но кто может угадать, что будет через 100 лет? Тесла предвидел все, от начала и до конца. Колебание в физике и радиотехнике удобно представить в виде вектора (направленного отрезка), который вращается вокруг начала координат со скоростью равной своей частоте. Круговая частота при этом находится, как ω = 2 Пи f. Этот параметр применяется во многих формулах.

Когда источник тока формирует мощность, то ток и напряжение вращаются синхронно и с нулевым сдвигом фаз. Разумеется, реальность сильно отличается от этого идеала, но все-таки можно понять, что именно происходит. Для напряжения вторичной обмотки трансформатора может быть записано следующее выражение:

E2 = I2R2 + U2 + I2 2 Пи L, где:

  • I2 – ток вторичной обмотки, он немного отстаёт от напряжения, но не на 90 градусов;
  • U2 – выходное напряжения на обмотке, вместе с I2 поставляется предприятиям и иным потребителям;
  • I2R2 – потери теплом на омическом сопротивлении вторичной обмотки (поэтому и находится по закону Ома);
  • I2 2 Пи L – реактивная составляющая напряжения, как видно из рисунка, она откладывается перпендикулярно току, и служит причиной наличия сдвига фаз.

Итак, индуктивное сопротивление приводит к тому, что потребителям отгружается некачественная энергия. Чтобы выправить ситуацию, можно ставить на подстанции блоки конденсаторов. Тогда реактивные сопротивления уравновесят друг друга, и реактивная мощность будет циркулировать только по территории подстанции. Это плохо, но таков принцип действия электромагнитной индукции. Потребителям же поставщик отгрузит чистую активную мощность без каких-либо сдвигов фаз.

Как уже говорилось выше, предприятия потребят часть мощности, но неизбежен и здесь процесс влияния паразитных эффектов. И вот здесь пора вспомнить определение, данное вначале. Некоторые источники утверждают, что активная мощность преобразуется в другие виды энергии. Но… Когда компенсаторная установка наберётся реактивной мощности, то потому отдаёт её на индуктивности, но не до бесконечности. Реактивная мощность рассеивается постепенно в виде тепла на кабелях. Вот почему некорректно говорить о каких-то превращениях. Подытожим:

  1. В промышленности реактивной мощностью называют энергию, отдаваемую обратно по цепи питания. Эффект от начала и до конца на сегодняшний день негативный.
  2. В физике реактивная мощность появляется сразу же при возникновении сдвига фаз. Но это далеко не всегда паразитный эффект.

Эти два определения тесно связаны, поэтому и нераздельно присутствуют в литературе. Осталось к этому добавить, что не всегда компенсаторные установки нужно ставить на подстанции. Дело в том, что сопротивление ЛЭП имеет ярко выраженный ёмкостной оттенок. Поэтому негативный эффект может быть полностью уравновешен при умелом проектировании. Бывает даже необходимость в установке реакторов, чтобы избежать некоторых негативных моментов.

Активная мощность трёхфазного тока

Активная мощность трёхфазной сети равна сумме по каждой из фаз. Величина также может быть выражена через линейные величины. При симметричном потреблении ток через нейтраль не наблюдается, а мощность выражается соотношениями, представленными на скрине. Формулы достаточно простые для понимания. В симметричной системе токи по всех фазам равны, как и напряжения, поэтому они прямо суммируются. Откуда и появляется коэффициент 3.

В свою очередь линейное напряжение при включении треугольником, составляющее в обычном случае 380 В, больше фазного в корень из трёх раз. Тогда как для токов никаких отличий нет, они равны фазным. Схема звезда обусловливает равенство линейного напряжения фазному, тогда как токи больше фазных. Поэтому в последней формуле коэффициент будет равен корню из трёх.

Знатоки могут заметить, что схема звезда работает при более низких напряжениях, следовательно, и потребляемый ток уменьшится. Но речь здесь идёт о выводе соотношений для одной и той же мощности. В этих условиях, если уменьшилось напряжение, то должен повыситься ток. Для вычисления реактивной мощности представленное выражение нужно умножить на синус угла, а не на его косинус. Полная мощность равна гипотенузе треугольника, ограниченного указанными величинами. Поэтому вычисляется простым перемножением напряжения и тока на корень из трёх без участия угла.

Единицы измерения

Сказанное выше прямо показывает, что активная мощность в реальных системах неотделима от реактивной. Сообразно этому находится множество применений такой особенности. Первым шагом, сделанным когда-либо, является введение отдельных величин для отображения того и другого:

  1. Активная мощность измеряется в ваттах. Это то, что преподаётся на уроках физики. Её показывает, как правило, счётчик, установленный в электрическом щитке на лестничной клетке.
  2. Полная мощность выражается в вольт-амперах. Это геометрическая сумма активной и реактивной составляющей. Полная мощность обычно то, за что платит предприятие. То есть отражённая энергия не несёт в себе никакой пользы, а только экономические потери.
  3. Реактивная мощность выражается в варах. Иногда эти буквы пишут заглавными, получается нечто вроде: кВАР, ВАР и пр. Реактивная мощность измеряется счётчиками предприятий для самых разных целей. Это и особенности тарификации поставщика, и настройка системы компенсации индуктивного сопротивления оборудования конденсаторными установками.

Из формул, приведённых выше, можно также заключить, что косинус угла сдвига фаз напряжения и тока численно равен отношению активной мощности к полной, а синус – реактивной к полной.

Измерение мощности

Для каждого вида мощности существует свой измеритель. Здесь нужно добавить, что принцип физический используется один и тот же, но устройство приборов отличается. Так, например, все аналоговые модели работают на принципе, открытом зимой 1819-1820 гг. Гансом Эрстедом. Точнее говоря, влияние проводника на стрелку компаса замечали и ранее, но не привлекали к этому столько внимания, как это было осенью 1820 года. Когда весь научный мир узрел, что электричество и магнетизм связаны.

Итак, в основе всех аналоговых измерительных приборов лежал мульпликатор Иоганна Швейггера (сентябрь 1820 года): ток проходил через катушку из проволоки и отклонял стрелку в том или иной направлении. Показания считывались по циферблату и заносились в таблицы вручную.

Нужно ли говорить, что современные приборы работают совершенно другим образом. В перспективе измеритель упростится до одного единственного процессора, выполняющего дискретные преобразования Фурье и вычисляющего необходимые величины. Понятно, что важно найти сдвиг фаз и ток. Поскольку напряжение априорно задано. Но создатели измерителей знают, что по ГОСТ вольтаж может гулять на 10% в ту и другую сторону. Следовательно, нельзя считать напряжение априорно заданным, и тогда эта величина также измеряется.

После этого остаётся лишь перемножить все по формулам, приведённым выше. В аналоговых приборах коэффициенты задаются передаточными числами механизмов, числом витков и пр. В цифровых вообще не существует никаких затруднений, потому что в наличии довольно много алгоритмов для расчёта. Если говорить точнее, то все эти формулы появились гораздо раньше, нежели создали первую ЭВМ. И мир находился в ожидании сообразных приложению вычислительных мощностей.

Аналоговый ваттметр включает в себя следующие основные части:

  1. Неподвижная катушка напряжения. Для Эрстеда это звучало бы странно, потому что любая катушка создаёт магнитный поток при помощи тока. Напряжение здесь не при чем. Поэтому для измерительных цепей тщательно рассчитываются коэффициенты, параллельно участку цепи ставится высокоомное сопротивление (конструктивно входит в ваттметр), которым ограничивается ток. Не напряжение! И вот это малый ток управляет магнитным потоком. Так, что отклонение стрелки пропорционально напряжению. Это принцип измерения обоснован законом Ома для участка цепи.
  2. Неподвижная катушка тока включена прямо в цепь. Поэтому сопротивление её должно быть минимальным. На высоких напряжениях сигнал снимается измерительным трансформатором. Передаточный коэффициент его рассчитан не по напряжению, как это обычно бывает, а по току. Зная коэффициент пропорциональности, можно найти искомую величину. Следовательно, и ваттметр должен настраиваться на используемый трансформатор, либо априорно задано какое-то одно значение. И тогда настройка не требуется, но нужно выбрать именно тот трансформатор, передаточный коэффициент которого соответствует требованиям.

Подвижная рамка со стрелкой показывает результат на циферблате. Неподвижные катушки расположены в перпендикулярных плоскостях. Рамка выполняется из металлического сплава, либо может быть катушкой индуктивности. В любом случае конструкция просчитана так, что отклонение стрелки имеет нужный коэффициент пропорциональности и показывает либо синус угла сдвига фаз (для реактивной мощности), либо его косинус (для активной мощности).

Читайте также:  Переменный ток