Aktuelle Spannungsleistung in Wechselstromkreisen

Der Phasenverschiebungswinkel zwischen Strom und Spannung hängt vom Verhältnis zwischen den im Stromkreis enthaltenen Wirk- und Blindwiderständen ab.

Eine Erhöhung des aktiven Widerstands führt zu einer Verringerung des Phasenverschiebungswinkels und damit zu einer Erhöhung des Kosinus dieses Winkels und einer Erhöhung des Leistungsfaktors. Eine an den Stromkreis angeschlossene induktive Last hingegen erhöht den Phasenwinkel und verringert dadurch den Leistungsfaktor. Der Grund für einen niedrigen Leistungsfaktor kann der Betrieb von Elektromotoren von Maschinen oder Maschinen ohne Last sein; Unterlast Herde verbunden mit der Tatsache, dass die Verarbeitung auf einer Hochleistungsmaschine kleine Teile; falsche Wahl der an der Maschine installierten Motorleistung; schlechte Qualität der Motorreparatur; schlechte Schmierung usw.

Bei normaler Motorlast beträgt sein Leistungsfaktor 0,83 - 0,85. Wenn der Motor im Leerlauf läuft, sinkt sein Leistungsfaktor und beträgt 0,1-0,3

Um den Leistungsfaktor zu verbessern, werden Kondensatoren parallel zur induktiven Last geschaltet. Die Kapazität dieser Kondensatoren ist so gewählt, dass sie etwa dem induktiven Blindwiderstand entspricht. Auch in diesem Fall ist der kapazitive Strom ungefähr gleich dem induktiven Strom.

In diesem Fall verringert sich der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung und der Leistungsfaktor erhöht sich auf 0,85 - 0,9.

Beispiel.7. Gesamtleistung der Elektroanlage S= 800 V *A. Ein Wattmeter, der den Wirkanteil der Leistung misst, zeigt an, dass dieser 720 W beträgt. Leistungsfaktor ermitteln cos

Lösung

Leistungsfaktor Das bedeutet, dass 90 % der Gesamtleistung als Wirkleistung für Nutzarbeit aufgewendet werden und 10 % auf das Vorhandensein von Blindleistung zurückzuführen sind.

Beispiel.8. Machen Sie eine Berechnung Stromkreis Wechselstrom, der eine Induktionsspule mit induktiver Reaktanz = 30 Ohm und aktivem Widerstand enthält R= 40 Ohm. Die Spannung an den Anschlüssen der Induktionsspule beträgt 120 V. Definieren:

1) Impedanz Ketten;

2) Stromstärke in der Induktionsspule;

3) Leistungsfaktor;

4) Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung;

5) Gesamt-, Wirk- und Blindleistung.

Lösung

1. Vollständiger Stromkreiswiderstand

2. Stromstärke im Stromkreis

Elektrische Energie ist die am weitesten verbreitete Energieart und kann zu Recht als Grundlage der modernen Zivilisation angesehen werden. Sie fand Breite Anwendung im Alltag und in allen Bereichen der Volkswirtschaft. Es ist schwierig, alle Namen elektrischer Haushaltsgeräte aufzulisten: Kühlschränke, Waschmaschinen, Klimaanlagen, Ventilatoren, Fernseher, Tonbandgeräte, Beleuchtung usw. Es ist aus der Industrie nicht mehr wegzudenken elektrische Energie. IN Landwirtschaft Der Stromverbrauch nimmt ständig zu: Tiere füttern und tränken, pflegen, heizen und lüften, Brutkästen, Lufterhitzer, Trockner usw.

Elektrischer Strom und seine Kraft

Die moderne Wissenschaft kann die Natur der Elektrizität noch nicht vollständig erklären. Für uns reicht jedoch die Vorstellung völlig aus, dass elektrischer Strom die gerichtete Bewegung von Elektronen in einem Leiter ist. Und dass derselbe Strom Arbeit verrichten kann, zum Beispiel einen Elektromotor drehen, einen Elektroherd heizen oder Licht liefern kann. Diese Arbeit ist eine Folge der Tatsache, dass unter dem Einfluss elektrisches Feld Im Leiter findet eine Übertragung, Bewegung von Elektronen statt, was auch bedeutet, dass etwas Arbeit geleistet wird.

Wie Sie sich erinnern, wird elektrischer Strom durch zwei Hauptparameter charakterisiert: Spannung und Strom.

Stromspannung ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Polen der Stromquelle in einem geschlossenen Stromkreis.

Aktuelle Stärke ist die Strommenge, die in einer Sekunde durch einen Querschnitt eines Stromkreises fließt.

Es ist leicht zu erkennen, dass die beiden Begriffe „Spannung“ und „Strom“ nicht primär sind; sie werden durch andere Konzepte definiert, in diesem Fall „Potenzial“ und „Strommenge“. Aber auch hier werden wir uns nicht mit physikalischen Theorien befassen, sondern uns auf die gegebenen Definitionen beschränken und sie als primär betrachten. Letztlich ist es für uns nur wichtig zu lernen, wie wir diese Konzepte in der Praxis anwenden können.

Aus der Schule wissen Sie natürlich, dass die Spannung normalerweise mit dem Buchstaben U bezeichnet wird und die Maßeinheit für die Spannung das Volt (V) ist. Die Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen und mit dem lateinischen Buchstaben I bezeichnet.

Wie bereits im vorherigen Artikel erwähnt, wird die Fähigkeit, Arbeit zu leisten, durch eine Größe namens Energie charakterisiert. Und das Verhältnis der über einen bestimmten Zeitraum geleisteten Arbeit zu diesem Zeitraum nennt man Leistung. Da Strom auch Arbeit verrichten kann, ist in diesem Fall der Begriff der Leistung anwendbar.

Leistung dauerhaft elektrischer Strom wird mit dem Buchstaben P bezeichnet und nach der Formel P=U*I berechnet, ist also das Produkt aus Spannung und Strom. Das heißt, je größer Spannung und Strom, desto mehr Arbeit wird pro Zeiteinheit verrichtet, also desto größer ist die Leistung des elektrischen Stroms. Wir werden uns nicht die Mühe machen, herauszufinden, warum das genau so ist, wir werden diese Aussage im Glauben nehmen (sie ist in der Physik begründet und Sie können diese Begründung finden, wenn Sie möchten).

Die Einheit der elektrischen Leistung ist das Watt (W).

Ein Watt ist die Leistung, die ein elektrischer Strom von einem Ampere bei einer Spannung von einem Volt entwickelt.

Größere Leistungseinheiten sind:

• 1 Kilowatt (kW) = 1000 W.
• 1 Megawatt (MW) = 1000 kW.

Kleinere Einheiten:

• 1 Milliwatt (mW) = 10 -3 W;
• 1 Mikrowatt (µW) = 10 -6 W.

Bei der Bewertung wird auf Leistung gestoßen Solarplatten, Windgeneratoren und andere Geräte, die elektrischen Strom erzeugen können.

Stromkreis

Stromkreis- eine Reihe von Geräten, Elementen, die für den Fluss von elektrischem Strom ausgelegt sind, elektromagnetische Prozesse, die mit den Konzepten Stromstärke und Spannung beschrieben werden können.

Elektrische Schaltkreise werden in lineare und nichtlineare Schaltkreise unterteilt. Lineare Schaltkreise sind solche, die nur aus linearen Elementen bestehen – Leitern, Widerständen, Kondensatoren, Induktoren ohne ferromagnetische Kerne. Bei linearen Elementen ist der elektrische Widerstand konstant und der Strom ist direkt proportional zur Spannung, was durch das bekannte Ohmsche Gesetz ausgedrückt wird:

Die Stromstärke in einem Abschnitt eines Stromkreises ist direkt proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum elektrischen Widerstand eines bestimmten Abschnitts des Stromkreises.

Diese Beziehung drückt das Ohmsche Gesetz für einen homogenen Abschnitt des Stromkreises aus: Die Stromstärke im Leiter ist direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand des Leiters. Der Wert R wird üblicherweise als elektrischer Widerstand bezeichnet. Die SI-Einheit des elektrischen Widerstands von Leitern ist Ohm (Ω). Ein Widerstand von 1 Ohm hat einen Abschnitt des Stromkreises, in dem bei einer Spannung von 1 V ein Strom von 1 A auftritt. Leiter, die dem Ohmschen Gesetz gehorchen, werden als linear bezeichnet.

Es ist zu beachten, dass es viele Materialien und Geräte gibt, die nicht dem Ohmschen Gesetz gehorchen, z. Halbleiterdiode oder Gasentladungslampe. Auch bei metallischen Leitern ist bei ausreichend hohen Strömen eine Abweichung vom Ohmschen linearen Gesetz zu beobachten, da der elektrische Widerstand metallischer Leiter mit steigender Temperatur zunimmt. Das heißt, die meisten realen Stromkreise sind nichtlinear.

Nichtlineare Schaltkreise enthalten Elemente, deren elektrischer Widerstand maßgeblich vom Strom oder der Spannung abhängt, wodurch der Strom nicht direkt proportional zur Spannung ist. Die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung in nichtlinearen Schaltkreisen wird durch die sogenannte ausgedrückt Strom-Spannungs-Kennlinie, experimentell erhalten und durch ein Diagramm im Strom-Spannungs-Koordinatensystem dargestellt.

Nichtlineare Elemente (Verstärker, Generatoren usw.) verleihen elektrischen Schaltkreisen Eigenschaften, die in linearen Schaltkreisen nicht erreichbar sind (Spannungs- oder Stromstabilisierung, Verstärkung). Gleichstrom usw.).

Wechselstrom

Das Ohmsche Gesetz in der von Ihnen formulierten Form (I=U/R) gilt nur für Gleichstromkreise. Folglich gilt die Stromleistungsformel P=I*U auch nur für Gleichstromkreise. Zur Praxis Höchster Wert verfügt über eine Leistungsberechnung in Wechselstromkreisen Sinusförmige Spannung und aktuell.

Die Leistung in einem Wechselstromkreis wird ausgedrückt komplexe Zahl der Form P+i*Q. In diesem Fall wird ihr Realteil als Wirkleistung und ihr Imaginärteil als Blindleistung bezeichnet.

Die Wirkleistung charakterisiert die Geschwindigkeit der irreversiblen Umwandlung elektrischer Energie in andere Energiearten (thermisch und elektromagnetisch). Blindleistung ist eine Größe, die die Belastungen charakterisiert, die in elektrischen Geräten durch Schwankungen der Energie des elektromagnetischen Feldes in einem sinusförmigen Wechselstromkreis entstehen

Die Maßeinheit für die Wirkleistung ist weiterhin das Watt und die Maßeinheit für die Blindleistung ist das Blindvoltampere (VAr, VAr, var).

Aber praktische Bedeutung Es hat volle Kraft, als Größe, die die vom Verbraucher tatsächlich auf die Elemente des Versorgungsnetzes (Leitungen, Kabel, Verteiler, Transformatoren, Stromleitungen) ausgeübten Belastungen beschreibt, da diese Belastungen vom verbrauchten Strom und nicht von der tatsächlich verbrauchten Energie abhängen durch den Verbraucher.

Die Gesamtleistung ist ein Wert, der dem Produkt entspricht effektive Werte periodischer elektrischer Strom I im Stromkreis und Spannung U an seinen Anschlüssen: S=U*I; hängt mit der Wirk- und Blindleistung durch die Beziehung zusammen: S = sqrt, wobei P die Wirkleistung, Q die Blindleistung und sqrt das Quadratwurzelsymbol ist.

Die Einheit der gesamten elektrischen Leistung ist Voltampere (V·A, VA).

13 STROM IN AC-KREISEN

In den meisten Fällen enthalten Stromkreise sowohl aktive als auch reaktive Widerstände. Zu diesen Schaltungsarten zählen insbesondere Wechselstrommotoren, Transformatoren und andere Geräte. In diesen Schaltungen gibt es eine Phasenverschiebung  zwischen Spannung U und Strom I. Wenn eine sinusförmige Spannung an den Stromkreis angelegt wird

dann der Strom im Stromkreis

Momentane Stromkreisleistung

Der Ausdruck in eckigen Klammern kann basierend auf der trigonometrischen Formel als Kosinusdifferenz dargestellt werden

Auf diese Weise,

Der Durchschnittswert der Momentanleistung für einen Zeitraum ist gleich UL cos , da der Durchschnittswert von cos (2wt - ) für einen Zeitraum Null ist. Folglich wird die Wirkleistung von Wechselstromkreisen im allgemeinen Fall durch die Formel bestimmt

Der Multiplikator cos  wird Leistungsfaktor genannt.

Bedenkt, dass wir bekommen

Die Wirkleistung wird in Watt (W) oder Kilowatt (kW) gemessen.

Das Produkt Pt wird Wirkenergie genannt und in Wsec oder kWh gemessen: 1 kWh = 3800 Wsec (J).

Die von einem Stromkreis verbrauchte Wirkenergie wird im Wirkwiderstand dieses Stromkreises vollständig in Wärme umgewandelt und nicht an die Quelle zurückgegeben.

Wenn die Werte der Seiten des Widerstandsdreiecks (Abb. 165, a) mit dem Wert von I 2 (Abb. 165, b) multipliziert werden, erhalten wir ein Leistungsdreieck (Abb. 165, c). Alle Seiten dieses Dreiecks sind in Abb. separat dargestellt. 166, repräsentieren die Mächte.

Der an den Winkel  angrenzende Schenkel stellt die bekannte Wirkleistung P dar:

Wirkleistung in Wechselstromkreisen wird in Wärme umgewandelt. Bei Wechselstrommotoren wird der größte Teil der Wirkleistung in mechanische Leistung umgewandelt, der Rest wird auch in Wärme umgewandelt.

Der dem Winkel  gegenüberliegende Schenkel ist die Blindleistung Q:

Blindleistung wird durch das Vorhandensein magnetischer und elektrischer Felder in Stromkreisen verursacht.

Wie bereits erwähnt, charakterisiert die Blindleistung die Intensität des Energieaustauschs zwischen der Quelle einerseits und magnetischen und elektrischen Feldern andererseits.

Die Blindleistung wird in Voltampere Blindleistung (var) oder Kilovoltampere Blindleistung (tar) gemessen.

Die Hypotenuse des Potenzdreiecks stellt die Gesamtleistung S dar:

Es wird in Voltampere gemessen ( va) oder Kilovoltampere ( kwa). Der Wert der Gesamtleistung gleich dem Produkt UI bestimmt die Hauptabmessungen (größte Abmessungen) von Generatoren und Transformatoren. Tatsächlich bestimmt die Größe des Stroms I den unter Heizbedingungen erforderlichen Querschnitt der Drähte von Generatoren und Transformatoren, und die Anzahl der Windungen der Wicklungen, ihre Isolierung sowie die Abmessungen der Magnetkreise sind proportional dazu die Größe der Spannung U.

Je größer also die U- und I-Werte sind, für die Generatoren und Transformatoren ausgelegt sind, desto größer sollten ihre Abmessungen sein.

Betrachten Sie den in Abb. gezeigten Stromkreis. 167, das induktive und aktive Widerstands- und Messgeräte umfasst – Amperemeter, Voltmeter und Wattmeter. Der Aufbau des Wattmeters wird weiter besprochen (siehe Kapitel 11).

1. Wenn Sie diesen Stromkreis an eine konstante Spannung U = 120 V anschließen, bleibt, da der induktive Blindwiderstand x L bei konstantem Strom Null ist, ein aktiver Widerstand r im Stromkreis und dann

Das Amperemeter zeigt einen Strom von 5 A an .

Leistung

Das Wattmeter zeigt 600 Watt an. Der Messwert eines an einen Gleichstromkreis angeschlossenen Wattmeters entspricht dem Produkt der Messwerte eines Voltmeters und eines Amperemeters.

2. Schließen Sie denselben Stromkreis an eine Wechselspannung U= 120V an.

In diesem Fall

Stromkreis

Das Amperemeter zeigt einen Strom von 4 A an.

Berechnen wir die zum Heizen verbrauchte Leistung:

Tatsächlich ist die vom Stromkreis verbrauchte Wirkleistung gleich

Der Wattmeter-Wert beträgt in diesem Fall 384 Watt.

Volle Kraft

Der diesen Stromkreis speisende Generator liefert somit eine Gesamtleistung von S = 480 VA. Aber im Stromkreis selbst nur Wirkleistung P = 384 W. wird irreversibel in Wärme umgewandelt.

Daraus ist ersichtlich, dass ein Wechselstromkreis, der neben dem aktiven Widerstand auch einen induktiven Widerstand enthält, von der gesamten aufgenommenen Energie nur einen Teil für Wärme verbraucht. Und der Rest – Blindenergie – gelangt entweder vom Generator in den Stromkreis, wird im Magnetfeld der Spule gespeichert und kehrt dann zum Generator zurück.

Leistungsbilanz in Wechselstromkreisen Leistungsfaktor Es ist energetisch vorteilhaft, einen Generator oder ein elektrisches Gerät zu betreiben, wenn es maximale Arbeit leistet. Die Arbeit in einem Stromkreis wird durch die Wirkleistung P bestimmt. Der Leistungsfaktor gibt an, wie effizient der Generator oder die elektrische Ausrüstung genutzt wird λ=P/S=cosφ≤1 Wenn der Leistungsfaktor sinkt, steigen die Kosten für den verbrauchten Strom.Möglichkeiten zur Erhöhung des Leistungsfaktors Die Leistung ist maximal, wenn P = S, d. h. im Falle einer Widerstandsschaltung. Der Generator führt nur irreversible Energieumwandlungen durch und nimmt nicht an oszillierenden Prozessen des Energieaustauschs mit dem elektromagnetischen Feld der Empfänger im Maximalleistungsmodus teil. Verbraucher elektrischer Energie verfügen hauptsächlich über ein Ersatzschaltbild des RL-Elements. Daher ist eine Erhöhung des Leistungsfaktors durch Kompensation der Blindleistung durch Anschluss eines kapazitiven Elements (QL-QC) möglich Es ist möglich, den Querschnitt elektrischer Leitungen zu reduzieren, was zu einer Einsparung elektrisch leitfähiger Materialien führt. Der Wert des Leistungsfaktors in Energiesystemen hängt davon ab, wie kompetent elektrische Anlagen und Geräte betrieben werden. Der cosφ kann sinken, wenn die Einheiten im Leerlauf laufen oder unterlastet sind.