Ток напряжение мощность в цепях переменного тока

Угол сдвига фаз между током и напряжением зависит от соотношения между активным и реактивным сопротивлениями, включенными в электрическую цепь.

Увеличение активного сопротивления приводит к уменьшению угла сдвига фаз, а следовательно, к возрастанию косинуса этого угла и увеличению коэффициента мощности. Индуктивная нагрузка, подключенная в цепь, наоборот, увеличивает угол сдвига фаз и тем самым понижает коэффициент мощности.Причиной низкого коэффициента мощности может быть работа электродвигателей станков или машин вхолостую; недогрузка стайка связанная с тем, что на станке большой мощности обрабатывая мелкие детали; неправильный выбор мощности двигателя, устанавливаемого на станке; низкое качество ремонта двигателя; плохая смазка и т. д.

При нормальной нагрузке двигателя его коэффициент мощности составляет 0,83 - 0,85. При холостом ходе двигателя его коэффициент мощности понижается и составляет 0,1-0,3

Для повышения коэффициента мощности параллельно к индуктивной нагрузке подключают конденсаторы. Емкостное сопротивление этих конденсаторов подбирают с таким расчетом, чтобы оно было примерно равно индуктивному сопротивлению. При этом емкостный ток будет также примерно равен индуктивному току.

В этом случае угол сдвига фаз между током и напряжением уменьшается, а коэффициент мощности возрастает до 0,85 - 0,9.

Пример.7. Полная мощность электротехнической установки S = 800 В *А. Ваттметр, измеряющий активную часть мощности, показывает, что она равна 720 Вт. Определить коэффициент мощности cos

Решение

Коэффициент мощности Это означает, что 90% полной мощности расходуется в виде активной мощности на полезную работу, а 10% обусловлены наличием реактивной бесполезной мощности

Пример.8. Произвести расчет электрической цепи переменного тока, в которую включена индуктивная катушка, обладающая индуктивным сопротивлением = 30 Ом и активным сопротивлением R = 40 Ом. Напряжение на зажимах индуктивной катушки 120В. Определить:

1) полное сопротивление цепи;

2) силу тока в индуктивной катушке;

3) коэффициент мощности;

4) угол сдвига фаз между током и напряжением;

5) полную, активную и реактивную мощности.

Решение

1.Полноес опротивление цепи

2.Сила тока в цепи

Электрическая энергия является наиболее распространенным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Трудно перечислить все наименования электробытовых приборов: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, телевизоры, магнитофоны, осветительные приборы и т.д. Нельзя представить промышленность без электрической энергии. В сельском хозяйстве применение электричества непрерывно расширяется: кормление и поение животных, уход за ними, отопление и вентиляция, инкубаторы, калориферы, сушилки и т.д.

Электрический ток и его мощность

Современная наука еще не может до конца объяснить природу электричества. Нам, впрочем, вполне достаточно представления о том, что электрический ток — это направленное движение электронов в проводнике. И что этот самый ток может совершать работу, например, вращать электродвигатель, нагревать электроплитку, давать свет. Эта работа является следствием того, что под действием электрического поля происходит перенос, перемещение электронов в проводнике, что тоже означает совершение некоторой работы.

Как вы помните, электрический ток характеризуется двумя основными параметрами: напряжением и силой тока.

Напряжение есть разность потенциалов между двумя полюсами источника тока при замкнутой электрической цепи.

Сила тока — это количество электричества, проходящего через поперечное сечение цепи в течение одной секунды.

Легко заметить, что оба термина «напряжение» и «сила тока» не являются первичными, они определяются через другие понятия, в данном случае — «потенциал» и «количество электричества». Но мы снова не будем углубляться в физические теории, ограничившись приведенными определениями, приняв их за первичные. В конце концов, нам важно только научиться применять эти понятия на практике.

Вы, конечно, знаете еще со школы, напряжение принято обозначать буквой U и единицей измерения напряжения является вольт (В). Сила тока измеряется в амперах (А) и обозначается латинской буквой I.

Как уже было сказано в предыдущей статье , способность производить работу характеризуется величиной, которая называется энергией. А отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени называется мощностью. Поскольку ток тоже может совершать работу, понятие мощности применимо и в этом случае.

Мощность постоянного электрического тока обозначается буквой P и вычисляется по формуле P=U*I, то есть является произведением напряжения на силу тока. То есть чем больше напряжение и сила тока, тем больше совершается работы в единицу времени, то есть больше мощность электрического тока. Мы не будем заниматься выяснением того, почему это именно так, примем это утверждение на веру (оно обосновано в физике и вы можете при желании найти это обоснование).

Единицей электрической мощности является ватт (Вт).

Один ватт — это мощность, которую развивает электрический ток величиной в один ампер при напряжении в один вольт.

Более крупными единицами мощности являются:

• 1 киловатт (кВт) = 1000 Вт.
• 1 мега ватт (МВт) = 1000 кВт.

Более мелкие единицы:

• 1 милливатт (мвт) = 10 -3 Вт;
• 1 микроватт (мквт) = 10 -6 Вт.

Мощность будет нам встречаться при оценке солнечных батарей, ветро-генераторов и других устройств, способных производить электрический ток.

Электрическая цепь

Электрическая цепь - совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.

Электрические цепи подразделяют на линейные и нелинейные. Линейные цепи — это такие, которые состоят только из линейных элементов — проводников, сопротивлений, конденсаторов, катушек индуктивности без ферромагнитных сердечников. У линейных элементов электрическое сопротивление постоянно и ток находится в прямо пропорциональной зависимости по отношению к напряжению, что выражается известным законом Ома:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи,

Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Величину R принято называть электрическим сопротивлением. В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А. Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.

Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры. То есть большинство реальных электрических цепей являются нелинейными.

Нелинейные цепи содержат элементы, электрическое сопротивление которых существенно зависит от тока или напряжения, в результате чего ток не находится в прямо пропорциональной зависимости по отношению к напряжению. Зависимость тока от напряжения в нелинейных цепях выражается так называемой вольт-амперной характеристикой, получаемой экспериментально и изображаемой некоторым графиком в системе координат «ток-напряжение».

Нелинейные элементы (усилители, генераторы и т.п.) придают электрическим цепям свойства, недостижимые в линейных цепях (стабилизация напряжения или тока, усиление постоянного тока и др.).

Мощность переменного тока

Закон Ома в той форме, как он был сформулирован ваше (I=U/R), справедлив только для цепей постоянного тока. Следовательно и формула мощности тока P=I*U, тоже действует только для цепей постоянного тока. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом вида P+i*Q. При этом его действительная часть называется активной мощностью, мнимая часть реактивной мощностью.

Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Реактивная мощность - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока

Единицей измерения активной мощности является по прежнему ватт, а единицей измерения реактивной мощности - вольт-ампер реактивный (VAr, ВАр, вар).

Но практическое значение имеет полная мощность, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии.

Полная мощность - величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: S=U*I; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: S = sqrt , где P - активная мощность, Q - реактивная мощность, sqrt — символ квадратного корня.

Единица полной электрической мощности - вольт-ампер (V·A, В·А).

13 МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В большинстве случаев электрические цепи содержат как ак­тивное, так и реактивное сопротивления. К такого рода цепям от­носятся, в частности, двигатели переменного тока, трансформаторы и другие устройства. В этих цепях между напряжением U и током I существует сдвиг фаз . Если к цепи приложено синусоидальное напряжение

то ток в цепи

Мгновенная мощность цепи

Выражение, стоящее в квадратных скобках, можно на основа­нии тригонометрической формулы представить как разность ко­синусов

Таким образом,

Среднее значение мгновенной мощности за период равно UL cos , так как среднее значение соs (2wt - ) за период равно нулю. Следовательно, активная мощность цепей переменного тока определяется в общем случае формулой

Множитель соs  называют коэффициентом мощности.

Учитывая, что получаем

Активная мощность измеряемся в ваттах (вт) или в киловаттах (квт).

Произведение Рt называется активной энергией и измеряется в втсек или в квт ч: 1 квт ч = 3800 втсек (дж).

Активная энергия, потребляемая электрической цепью, пол­ностью преобразуется в тепло в активном сопротивлении этой цепи и обратно к источнику не возвращается.

Если величины сторон треугольника сопротивлений (рис. 165, а) умножить на величину I 2 (рис. 165, б), то получим треугольник мощностей (рис. 165, в). Все стороны этого треугольника показанногоотдельно на рис. 166, представляют собой мощности.

Катет, прилегающий к углу , представляет собой известную нам активную мощность Р:

Активная мощность в цепях переменного тока преобразуется в тепло. В двигателях переменного тока большая часть активной мощности превращается в механическую мощность, остальная Часть также преобразуется в тепло.

Катет, лежащий против угла , есть реактивная мощность Q:

Реактивная мощность обусловлена наличием магнитных и электрических полей в электрических цепях.

Как уже указывалось, реактивная мощность характеризует интенсивность обмена энергией между источником, с одной стороны, и магнитными и электрическими полями - с другой.

Реактивная мощность изме­ряется в вольт-амперах реактив­ных (вар) или киловольт-амперах реактивных (тар).

Гипотенуза треугольника мощностей представляет собой полную мощность S:

Она измеряется в вольт-ампе­рах (ва ) или киловольт-амперах (ква ). Величина полной мощности равная произведению UI, определяет основные габариты (наибольшие размеры) генераторов и трансформаторов. В самом деле, величина тока I определяет необходимое по условиям на­грева сечение проводов генераторов и трансформаторов, а число витков обмоток, их изоляция, а также размеры магнитопроводов пропорциональны величине напряжения U.

Таким образом, чем больше значения U и I, на которые рассчитываются генераторы и трансформаторы, тем больше должны быть их размеры.

Рассмотрим электрическую цепь, показанную на рис. 167, в которую входят индуктив­ное и активное сопротивления и измерительные приборы - амперметр, вольтметр и ватт­метр. Об устройстве ваттметра будет рассказано далее (см. главу одиннадцатую).

1. Если подключить эту цепь к постоянному напряжению U = 120 в, то, поскольку индуктивное сопротивление x L при по­стоянном токе будет равно нулю, в цепи остается одно активное сопротивление r и тогда

Амперметр покажет ток 5 а.

Мощность

Ваттметр покажет 600 вт. Показание ваттметра, включенного в цепь постоянного тока, равно произведению показаний вольт­метра и амперметра.

2. Подключим ту же цепь к переменному напряжению U= 120в.

В этом случае

Ток в цепи

Амперметр покажет ток 4 а.

Подсчитаем мощность, идущую на нагрев:

Действительно, активная мощность, потребляемая цепью, равна

Показание ваттметра в этом случае будет 384 вт.

Полная мощность

Следовательно, генератор, питающий эту цепь, отдает полную мощность S = 480 ва. Но в самой цепи только активная мощность Р = 384 вт. безвозвратно преобразуется в тепло.

Отсюда видно, что цепь переменного тока, содержащая наряду с активным сопротивлением индуктивное, из всей получаемой ею энергии только часть расходует на тепло. А остальная часть - реактивная энергия - то поступает в цепь от генератора и запа­сается в магнитном поле катушки, то возвращается обратно гене­ратору.

Баланс мощностей в цепях переменного тока Коэффициент мощности Генератор или электрооборудование энергетически выгодно эксплуатировать, если оно совершает максимальную работу. Работа в электрической цепи определяется активной мощностью Р. Коэффициент мощности показывает, насколько эффективно используется генератор или электрооборудование λ=P/S=cosφ≤1 С уменьшением коэффициента мощности стоимость потребляемой электроэнергии возрастает. Способы увеличения коэффициента мощности Мощность максимальна в случае, когда Р = S, т.е. в случае резистивной цепи. Генератор осуществляет только необратимые преобразования энергии и не участвует в колебательных процессах обмена энергией с электромагнитным полем приемников, в режиме максимальной мощности. Потребители электрической энергии в основном имеют схему замещения RL элемента, поэтому увеличение коэффициента мощности возможен с помощью компенсации реактивной мощности подключением емкостного элемента (QL-QС), подключение емкостного элемента снижает ток в линии электропередачи, что позволяет уменьшить сечение электропроводов, а это приводит к экономии электропроводящих материалов. Значение коэффициента мощности в энергосистемах зависит насколько грамотно эксплуатируется электротехнические установки и приборы. сosφ может снижаться, если установки работают в режиме холостого хода, или недогружены.