Охарактеризуйте понятие мощности в цепях синусоидального тока кратко

Обновлено: 05.07.2024

Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.
Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:

Среднее значение мгновенной мощности за период

Из треугольника сопротивлений , а .

Получим еще одну формулу:

Среднее арифметическое значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают буквой P.
Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию.
Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активная мощность в этом элементе , так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90 o . В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов.
Происходит обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.
Преобразуем выражение (6.23):

где - мгновенная мощность в активном сопротивлении;

- мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).
Максимальное или амплитудное значение мощности p₂ называется реактивной мощностью

где x - реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное).
Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных, расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.
Амплитудное значение суммарной мощности p = p₁ + p₂ называется полной мощностью.
Полная мощность, измеряемая в вольтамперах, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

где z - полное сопротивление цепи.
Полная мощность характеризует предельные возможности источника энергии. В электрической цепи можно использовать часть полной мощности

где - коэффициент мощности или "косинус "фи".

Коэффициент мощности является одной из важнейших характеристик электротехнических устройств. Принимают специальные меры к увеличению коэффициента мощности.
Возьмем треугольник сопротивлений и умножим его стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей (рис. 6.18).

Из треугольника мощностей получим ряд формул:

Рис.6.18
, .
При анализе электрических цепей символическим методом используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного напряжения на сопряженный комплекс тока.
Для цепи, имеющей индуктивный характер (R-L цепи)

где
- комплекс напряжения;
- комплекс тока;
- сопряженный комплекс тока;
- сдвиг по фазе между напряжением и током.
, ток как в R-L цепи, напряжение опережает по фазе ток.

Вещественной частью полной комплексной мощности является активная мощность.
Мнимой частью комплексной мощности - реактивная мощность.
Для цепи, имеющей емкостной характер (R-С цепи), . Ток опережает по фазе напряжение.

Активная мощность всегда положительна. Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, - положительна, а в цепи с емкостным характером - отрицательна.

Среднее значение мгновенной мощности за период

Из треугольника сопротивлений , а .

Получим еще одну формулу:

где - мгновенная мощность в активном сопротивлении;

где - коэффициент мощности или "косинус "фи".

Из треугольника мощностей получим ряд формул:

1. Активная мощность Р, обусловленная наличием в цепи активного сопротивления R.

В активном сопротивлении происходит необратимое преобразование электрической энергии в другие виды, например, в резисторе происходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию

Единица измерения активной мощности – ВАТТ.

2. Реактивная мощность Q, обусловленная наличием реактивных элементов (катушек и конденсаторов)

Единица измерения ВА_р – ВОЛЬТ-АМПЕР реактивный.

На реактивных сопротивлениях Х_L и Х_C имеет место процесс колебания энергии от катушки индуктивности к конденсатору и наоборот, необратимых преобразований нет.

Для индуктивного элемента Q_L > 0, для емкостного элемента Q_C
Лекции по ТОЭ >

В цепях синусоидального тока рассматривают понятия мгновенной, активной, реактивной и полной мощности.

Мгновенной мощностью называют произведение мгновенных значений напряжения и тока.

Активной мощностью называют среднее значение мгновенной мощности за период колебания. Для цепей синусоидального тока:

где - сдвиг по фазе между напряжением и током,

U,I – действующие значения напряжения и тока.

Активная мощность характеризует необратимые преобразования электрической энергии в другие виды энергии, например, в тепловую. Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).

Реактивная мощность, это мощность, характеризующая взаимный энергообмен между реактивными элементами цепи и источником энергии, т.е. обратимые преобразования энергии, например, в энергию магнитного поля и представляет собой амплитуду мгновенной мощности реактивных элементов. Реактивная мощность измеряется вольт-амперах реактивных (вар) и определяется по формуле:

В зависимости от знака угла реактивная мощность будет либо положительной, т.е. носить индуктивный характер ( ), либо отрицательной и носить емкостной характер ( ).

Полной мощностью называется максимальное значение мощности, которое может отдать или получить участок электрической цепи, при заданных значениях напряжения и тока U, I. Понятие полной мощности часто употребляется для характеристики эксплуатационных возможностей электротехнических устройств (трансформаторов, генераторов, электрических машин и др.). Номинальное значение полной мощности является их паспортной величиной.

Определяется полная мощность по формуле:

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА).

Комплексная мощность

При анализе цепей синусоидального тока символическим методом используют понятие комплексной мощности. Комплексной мощностью называется произведение комплекса напряжения на комплексно сопряженный ток.

где - комплекс напряжения на участке цепи,

- сопряженное комплексное значение тока на участке цепи.

Пусть заданы комплексы напряжения и тока на участке цепи:

где U,I - действующие значения напряжения и тока,

- начальные фазы напряжения и тока соответственно,

- активные составляющие напряжения и тока,

- реактивные составляющие напряжения и тока.

Величина, сопряженная комплексу тока равна:

Тогда, комплексная мощность , представляющая собой произведение комплексных чисел запишется следующим образом:

где - активная мощность,

Таким образом, действительная часть комплексной мощности представляет собой активную мощность, мнимая часть – реактивную мощность, а модуль комплексной мощности S – полную мощность.

Пример 8

Определить по условиям примера 7 полную, активную и реактивную мощности, отдаваемые источником энергии в цепь. Известно, что:

Решение

Определим величину комплексно сопряженного тока

Найдем комплексную мощность

Активная мощность, отдаваемая источником энергии равна 1172(Вт).

Реактивная мощность, отдаваемая источником энергии положительна, равна 69(вар) и носит индуктивный характер.

Полная мощность, отдаваемая источником энергии равна 1174(ВА).

Ограждение места работ сигналами на перегонах и станциях: Приступать к работам разрешается только после того, когда.

Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах.

Соотношение энергий

Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами. Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:

Прибор	Мощность бытовых приборов, Вт/час
Зарядное устройство	2
Люминесцентная лампа ДРЛ	От 50
Акустическая система	30
Электрический чайник	1500
Стиральной машины	2500
Полуавтоматический инвертор	3500
Мойка высокого давления	3500

Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества.

Генерация активной составляющей

Обозначение реактивной составляющей:

Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую.

Чему равна полная мощность

Теория комплексных чисел позволит тщательно разобраться в понятии полных, активных, реактивных мощностей. Соответственно, можно легко определить коэффициент. Данная теория представляет собой целый треугольник мощностей активная, реактивная и полная.

Вычисление активной производительности трёхфазной цепи

Активная производительность

Единица измерения активной мощности электрической трёхфазной цепи — ватт (русское обозначение: Вт, киловатт — кВт; международное: ватт -W, киловатт — kW).

Вам это будет интересно Все об блуждающих токах

Важно! Средняя мгновенная производительность, которая обозначается буквой Т — это активная мощность.

Там, где преобладает несинусоидальный ток, равенство электрической ёмкости соответствует средним мощностям отдельных элементов. Активная величина — это прежде всего скорость необратимого преобразования электрической энергии в другие виды энергии. К ним относится тепловая и электромагнитная. Как правило, активная производительность выражается через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g.

Определяя любую электрическую цепь (синусоидальный или несинусоидальный ток) активная отдача всей цепи будет равна сумме активных мощностей отдельных элементов. Важно отметить, что для трёхфазных цепей электрическая производительность определяется как сумма производительности отдельных фаз. С полной ёмкостью S, активная связана соотношением полной и активной отдачи.

К сожалению, потребителю электроэнергии приходится платить не за активную (полезную) мощность, а за полную мощность. Разница в мощности на входе и на выходе системы бесперебойного питания составила 58 кВА! Необходимо учесть, что тариф за потребление электроэнергии с низким cosj (Pf) существенно выше. Таким образом, применение системы бесперебойного питания позволило не только защитить оборудование от исчезновения и провалов напряжения, но и получить существенную экономию электроэнергии.

Рассматривая длинные линии (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая производительность, которая определяется как разность между падающей и отраженной пропускной способностью.

Определение реактивной величины на примере

Реактивная емкость

Часто возникает вопрос о том, что такое реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузку, которая создаётся в электросистемах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи, где преобладает синусоидальный переменный ток.

Реактивная ёмкость представляет собой энергию, которая переносится от источника на реактивные элементы прибора. К ним можно отнести: индуктивность, конденсатор, обмотки двигателей. После чего данная емкость вместе с элементами перемещается в источник в течение одного периода колебаний.

Важно подчеркнуть, что показатель sin φ для значения φ от 0 до плюс 90° представляет собой положительную величину. Данное значение, которое обозначается как sin φ для φ от 0 до минус 90° является — это отрицательная величина. Учитывая формулу, по которой происходит определение реактивной производительности, можно получить как положительную величину (при нагрузке с активно-индуктивным характером), так и отрицательную (при нагрузке с активно-ёмкостным характером). Всё это характеризуется тем, что реактивная отдача не происходит когда поступает электрический ток.

Некоторые электросистемы обладают положительной реактивной емкостью. Здесь уже говорится о том, что происходит нагрузка активно-индуктивного характера. Когда определяется отрицательная производительность то здесь производится нагрузка с активно-ёмкостным характером. Этот фактор характеризуется тем, что многие электропотребляющие устройства, подключение которых происходит при помощи трансформатора, являются активно-индуктивными.

Вам это будет интересно Измерение потребляемой мощности

Электрические станции оснащены синхронными генераторами. Они могут потреблять и производить реактивную ёмкость. Кроме того происходит определение величины электрического тока возбуждения, который поступает в обмотки ротора генератора. Благодаря отличительным особенностям синхронной электрической машины можно свободно регулировать заданный уровень напряжения сети. Чтобы снизить нагрузки, а также повысить коэффициент производительности электросистем, специалисты производят компенсацию реактивной ёмкости.

Обратите внимание! Если использовать современные электрические измерительные преобразователи на микропроцессорной технике, тогда производится точная оценка показателя энергии от индуктивной и нагрузки ёмкости в источник переменного напряжения.

Определение полной производительности

Полная емкость

Важно! Полная производительность описывает нагрузку, налагается на элементы подводящей электросети (проводам, распределительным щитам, трансформаторам, линиям электропередач). Ведь вся эта нагрузка зависит от потребляемой энергии, а не от расходующей пользователем энергии. Исходя из этих результатов полная мощность трансформатора или распределительного щита измеряют в вольт-амперах, а не в ваттах.

По какой единице измеряется ёмкость

Расчет

Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

Схема симметричной нагрузки

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.

Расчет трехфазной сети

Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

S = √P2 + Q2, и все это равняется U*I .

Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

Сопротивление индуктивности: xL = ωL = 2πfL,

Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

Диаграмма треугольников напряжений

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Как правильно рассчитать

Активная мощность, как сделать правильный расчет?

Мощность электрического тока влияет на то, как быстро прибор сможет выполнить работу. К примеру, дорогой обогреватель, имеющий в 2 раза большую мощность, обогреет помещение быстрее, чем два дешевых, с меньшей в 2 раза мощностью. Получается, что выгоднее купить агрегат, имеющий большую мощность, чтобы быстрее обогреть холодное помещение. Но, в то же время, такой агрегат будет тратить существенно больше энергии, чем его более дешевый аналог.

Потребляемая мощность всех приборов в доме учитывается и при подборе проводки для прокладки в доме. Если не учитывать этого и в последующем включить в сеть слишком много приборов, то это вызовет перегрузку сети. Проводка не сможет выдержать мощность электрического тока всех приборов, что приведет к плавлению изоляции, замыканию и самовоспламенению проводки. В результате может начаться пожар, который может привести к непоправимым последствиям.

Вам это будет интересно Определение плюса и минуса в электротехнике

Однофазный синусоидальный ток в электрических цепях вычисляется по формуле Р = U x I x cos φ, где υ и Ι. Их обозначение шифруется следующим образом: среднеквадратичное значение напряжение и тока, а φ — фазный угол фаз между ними.

Для цепей несинусоидального тока электрическая ёмкость равна корню квадратному из суммы квадратов активной и реактивной производительности. Активная производительность характеризуется скоростью, которая имеет необратимый процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Данная ёмкость может вычисляться через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле P = I(2) x r = U(2) x g.

Реактивная мощность (Reactive Power)

Следует заметить, что:

резистор потребляет активную мощность и отдаёт её в форме тепла и света.
индуктивность потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме магнитного поля.
конденсатор потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме электрического поля.

В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная способность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая емкость определяется как сумма пропускной способности отдельных фаз. С полной производительностью S, активная связана соотношением P = S x cos φ.

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной производительностью.

Как найти реактивную полную мощность через активную? Данная производительность, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними: Q = U x I x sin φ (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным).

Обозначение реактивной величины

Читайте также: