Активная мощность

Активная мощность – это часть общей, потреблённой от источника. Пришедшая впрок потреблена нагрузкой. Пишут, что электрическая энергия обязана превратиться в другие виды, не это главное. Реактивная энергия отражается обратно к источнику. Прочее – тема сегодняшнего разговора.

Основные понятия

Когда на уроке физики учитель рассказывает про закон Ома, он оперирует с активными составляющими тока и напряжения. Значит, их сдвиг фаз равен нулю. И мощность выходит активная. Вычисляется как произведение тока на напряжение. На уроке физики мощность превращается в тепло на абстрактном сопротивлении. В жизни это, как правило, негативный эффект потери энергии на проводах. Полезными 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 масса. К примеру, трансформатор подстанции считается нагрузкой для ГЭС. На ЛЭП теряются тепло и звук, часть мощности отражается. Последняя носит название реактивной, описывает реакцию цепи, содержащей индуктивности (в случае трансформатора) или ёмкости, на внешнее воздействие. Некоторое время элементами мощность накапливается, потом отдаётся в обратном направлении. Возникает вопрос – зачем использовать подобные “вредящие” реактивные элементы.

1. Реактивные элементы преобразуют виды энергии, что часто требуется. К примеру, 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. Считается хорошим тоном, если предприятие потребляет отражённую собственным оборудованием мощность. За превышение лимита над разрешённым уровнем реактивной мощности возможен штраф за перегрузку ЛЭП и трансформаторов подстанции. Чтобы подобного избежать, индуктивное сопротивление двигателей уравнивают ёмкостным сопротивлением конденсаторных установок. Образуется колебательный контур, реактивная мощность циркулирует исключительно по цепям предприятия, нанося немалый урон, по большей части, осаждаясь теплом на проводке.

Всё, написанное выше, даёт понятие в простейшем виде о происходящих в сети процессах. Учащиеся не в силах объяснить рассматриваемые понятия. Допустим, процесс заряда конденсатора. Напряжение на нем отстаёт от тока. Реактивная ли мощность? Если после заряда конденсатор отключится, завод не оштрафуют. Но мощность все-таки реактивная – 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 материя. Тесла напророчил, к примеру:

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

Это сегодня кажется окружающий мир простым. Тесла предвидел мир спустя сотню лет. Колебание в физике и радиотехнике удобно представить в виде вектора (направленного отрезка), вращающегося вокруг начала координат со скоростью, равной собственной частоте. Круговая частота находится, как ω = 2 Пи f. Параметр применяется в ряде формул.

Когда источник тока формирует мощность, ток и напряжение вращаются синхронно с нулевым сдвигом фаз. Разумеется, реальность сильно отличается от идеала, но происходящее понятно. Для напряжения вторичной обмотки трансформатора записывается выражение:

E2 = I2R2 + U2 + I2 2 Пи L, где:

• I2 – ток вторичной обмотки, чуть 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 (находится по закону Ома);
• I2 2 Пи L – реактивная составляющая напряжения, как видно из рисунка, откладывается перпендикулярно току, становясь причиной наличия сдвига фаз.

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

Как уже говорилось выше, предприятия потребят часть мощности, но неизбежно влияние паразитных эффектов. Пора вспомнить определение, данное вначале. Отдельные источники утверждают, что активная мощность преобразуется в прочие виды энергии. Когда компенсаторная установка наберётся реактивной мощности, потом отдаёт её на индуктивности не до бесконечности. Реактивная мощность рассеивается постепенно в виде тепла на кабелях. Некорректно говорить о неких превращениях. Подытожим:

1. В промышленности реактивной мощностью называют энергию, отдаваемую обратно по цепи питания. Эффект от начала и до конца сегодня негативный.
2. В физике реактивная мощность появляется немедленно при возникновении сдвига фаз. Не всегда паразитный эффект.

Два определения тесно связаны, нераздельно присутствуют в литературе. Осталось добавить, что не всегда компенсаторные установки требуется ставить на подстанции. Сопротивление ЛЭП носит ярко выраженный ёмкостной оттенок. Негативный эффект уравновешивается при умелом проектировании. Присутствует иногда необходимость в установке реакторов, чтобы избежать ряда негативных моментов.

Активная мощность трёхфазного тока

Активная мощность трёхфазной сети равна сумме по каждой из фаз. Величина выражается через линейные величины. При симметричном потреблении ток через нейтраль не наблюдается, мощность выражается соотношениями, представленными на скрине. Формулы простые для понимания. В симметричной системе токи по фазам равны, как и напряжения, прямо суммируются. Возникает коэффициент 3.

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

Знатоки заметят, что схема звезда работает при пониженных напряжениях, следовательно, потребляемый ток уменьшится. Но речь здесь идёт о выводе соотношений для одинаковой мощности. В этих условиях, если уменьшилось напряжение, повышается ток. Для вычисления реактивной мощности представленное выражение нужно умножить на синус угла, а не на косинус. Полная мощность равна гипотенузе треугольника, ограниченного указанными величинами. 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 описанной особенности. Первым шагом считается введение отдельных величин для отображения обоих показателей:

1. Активная мощность измеряется в ваттах. Так преподаётся на уроках физики. Мощность 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 демонстрирует, за что платит предприятие. Отражённая энергия не несёт пользы, исключительно экономические потери.
3. Реактивная мощность выражается в варах. Иногда буквы пишут заглавными, получается: кВАР, ВАР и пр. Реактивная мощность измеряется счётчиками предприятий для разных целей: особенности тарификации поставщика, настройка системы компенсации индуктивного сопротивления оборудования конденсаторными установками.

Из формул, приведённых выше, заключаем, 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 собственный измеритель. Добавим, что принцип физический используется одинаковый, но устройство приборов отличается. К примеру, аналоговые модели работают на принципе, открытом зимой 1819-1820 гг. Гансом Эрстедом. Точнее говоря, влияние проводника на стрелку компаса замечали прежде, но не привлекали столько внимания, как случилось осенью 1820 года. Когда научный мир узрел, что электричество и магнетизм связаны.

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

Современные приборы работают иначе. В перспективе измеритель упростится до единственного процессора, выполняющего дискретные преобразования Фурье и вычисляющего необходимые величины. Понятно, что важно найти сдвиг фаз и ток, напряжение априорно задано. Создатели измерителей знают, что по ГОСТ вольтаж способен гулять на 10% в обе стороны. Следовательно, нельзя считать напряжение априорно заданным, величина также измеряется.

Потом остаётся лишь перемножить по формулам, приведённым выше. В аналоговых приборах коэффициенты задаются передаточными числами механизмов, числом витков и пр. В цифровых обходится без затруднений, в наличии масса алгоритмов для расчёта. Использованные формулы появились гораздо раньше, нежели создали первую ЭВМ. И мир находился в ожидании сообразных приложению вычислительных мощностей.

Аналоговый ваттметр включает основные части:

1. Неподвижная катушка напряжения. Для Эрстеда это звучало бы странно, любая катушка создаёт магнитный поток при помощи тока. Напряжение ни при чём. Для измерительных цепей тщательно рассчитываются коэффициенты, параллельно участку цепи ставится высокоомное сопротивление (конструктивно входит в ваттметр), которым ограничивается ток. Не напряжение! Малый ток управляет магнитным потоком. Отклонение стрелки пропорционально напряжению. Это принцип измерения обоснован законом Ома для участка цепи.
2. Неподвижная катушка тока включена прямо в цепь. Поэтому сопротивление предвидится минимальным. На высоких напряжениях сигнал снимается измерительным трансформатором. Передаточный коэффициент его рассчитан не по напряжению, как случается, а по току. Зная коэффициент пропорциональности, легко найти искомую величину. Следовательно, ваттметр настраивается на используемый трансформатор, либо априорно задано единственное значение. Тогда настройка не требуется, но приходится выбрать 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 берется катушка индуктивности. Конструкция просчитана так, что отклонение стрелки приобретает нужный коэффициент пропорциональности и показывает либо синус угла сдвига фаз (для реактивной мощности), либо косинус (для активной мощности).