Меню

Полная энергия цепи переменного тока



Энергия и мощность в цепи переменного тока

Различия между активными и реактивными сопротивлениями не ограничиваются наличием сдвига фаз. Оказывается, что реактивные элементы (конденсаторы и катушки) не потребляют энергию. Энергия этих элементов в определенные промежутки времени полностью возвращается источнику.

Работа электрического тока dA = u i dt

Мгновенная электрическая мощность, т.е. скорость совершения работы

p = u i = Um sin (wt + j) Im sin wt = ……..…= UI[cosj – cos (2wt + j)] = UI cosj (1 – cos 2wt) + UI sinj sin 2wt = pa + pp

Из математического выражения для мгновенной мощности р и графика ее изменения видно, что это гармоническая функция с частотой изменения 2w (т.е. в два раза выше частоты сети) и амплитудой UI. За период изменения мгновенная мощность имеет как положительные значения, когда энергия поступает в цепь, так и отрицательные, когда энергия, запасенная в магнитном поле, возвращается источнику.

Среднее значение за период

Р = = U I cos j = URI

Р = U I cos j = URI – средняя активная мощность – средняя скорость потребления энергии.

Мгновенную мощность можно представить в виде двух слагаемых р = pa + pp

1. Мгновенная активная мощность pa = UIcosj (1 – cos 2wt) – для рассматриваемой нагрузки это мгновенная мощность, которая выделяется на активном сопротивлении R.

pa – это гармоническая функция с частотой изменения 2w и средним значением P = UIcosj = URI

pa ³ 0 – всегда положительна, т.е. активная мощность характеризует потребляемую энергию, которая необратимо преобразуется в другие виды – тепловую, механическую и т.д.

2. Мгновенная реактивная мощность – pр = UIsinj sin 2wt – это строго гармоническая функция – среднее значение за период равно 0.

Реактивная энергия не потребляется, происходит периодический обмен этой энергией между источником и реактивными элементами цепи – индуктивностями и конденсаторами (или между ними).

Реактивная энергия – это энергия электрического поля конденсаторов или магнитного поля катушек индуктивности. Частота изменения 2w – в два раза выше частоты сети, амплитуда Q = U I sin j = ULI

Таким образом, в цепях переменного тока мы имеем три различные мощности:

Активная мощность P = U I cos j [Ватт]

Реактивная мощность Q = U I sin j [ВAр]

Полная мощность S = U I [ВА]

S – это геометрическая сумма активной и реактивной мощности, характеризует полную энергию, передаваемую по ЛЭП.

Но P^Q – ортогональны (см. закон изменения мгновенной мощности)

Удобные формулы для расчета мощности

P = UI cos j = I 2 R = U 2 g

Q = UI sin j = I 2 X = U 2 b

S = = UI = I 2 Z = U 2 y

cos j = – коэффициент мощности, показывает, какую часть от полной энергии, передаваемой по линии, составляет активная, т.е. потребляемая или полезная энергия.

Тема 2 Цепи трехфазного переменного тока

Основные понятия и определения

Система трехфазного электропитания состоит из трехфазного генератора, линии электропередачи (ЛЭП) и трехфазного приемника.

Статор трехфазного генератора имеет три обмотки с одинаковым числом витков, соединенные звездой. Обмотки смещены в пространстве на 120 0 . При вращении якоря, создающего постоянное магнитное поле, в обмотках статора индуктируются три ЭДС ( ), одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 120 0 .

eB = Еm sin (ωt – 120 0 )

eC = Еm sin (ωt – 240 0 )

Zа, Zb, Zc – сопротивления (фазы) трехфазного приемника, соединенного звездой.

A-a, B-b, C-c – линейные провода (линии), соединяющие начала обмоток генератора со свободными концами трехфазного приемника.

N, n – общие или нейтральные точки генератора и нагрузки.

N – n – нейтральный или нулевой провод, соединяющий эти точки.

– линейные токи – токи в линиях электропередачи.

– фазные токи – токи в фазах приемника.

– ток в нейтральном проводе.

– фазные напряжения – разность потенциалов между нейтральным проводом и соответствующей линией.

– линейные напряжения – разность потенциалов между соответствующими линиями.

Источник

§ 53. ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим простейшую замкнутую цепь переменного тока, состоящую из активного сопротивления, индуктивности, емкости и подсоединенную к источнику переменной ЭДС (рис.147). В этом случае ЭДС будет соответствовать рассмотренному выше (см. § 52) общему мгновенному напряжению и поэтому пусть и соответственно .

Читайте также:  Измерительные механизмы переменного тока

За малый промежуток времени dt работа сторонних сил источника dAcт расходуется на выделение тепла на активном сопротивлении dQ, а также на приращение энергии электрического поля конденсатора dWэ и магнитного поля катушки dWм.

. Поделив обе части равенства на dt, получим:

. Проанализируем физический смысл полученных отношений. Левая часть представляет собой мощность сторонних сил или мощность источника ЭДС: .

Скорость выделения теплоты на активном сопротивлении – тепловая мощность: .

Скорости изменения энергии электрического и магнитного полей можно также назвать мощностями на соответствующих участках:

и . Покажем связь этих величин с мгновенными значениями силы тока и напряжения, считая ток квазистационарным, т. е. что его мгновенное значение одинаково во всей цепи.

, ,

,

.

Подставив полученные значения в выражение для мощностей и разделив обе части на мгновенное значение силы тока, мы получим второе правило Кирхгоффа для замкнутого контура:

.

Это правило, как уже обсуждалось, является следствием закона сохранения энергии и может быть использовано при расчетах в цепях квазистационарного тока.

Получим в явном виде зависимость введенных мощностей от времени:

,

,

При получении этих выражений были использованы формулы:

На рис.148 приведены графики зависимости от времени введенных мощностей, иллюстрирующие то, что все эти величины изменяются с циклической частотой в 2 раза большей, чем ток и напряжение.

Кроме того, мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении, всегда положительная величина, а на емкостном и индуктивном сопротивлениях — может быть положительной и отрицательной, и изменение мощности на этих элементах происходит в противофазе.

Для осознания физического смысла полученных зависимостей рассчитаем изменение энергии электрического и магнитного поля на емкости и индуктивности за период.

,

Соответственно и средние мощности за период равны нулю:

, .

Источник

Активная, реактивная и полная (кажущаяся) мощности

Активная, реактивная мощности, коэффициент мощности

Простое объяснение с формулами

Активная мощность (P)

Другими словами активную мощность можно назвать: фактическая, настоящая, полезная, реальная мощность. В цепи постоянного тока мощность, питающая нагрузку постоянного тока, определяется как простое произведение напряжения на нагрузке и протекающего тока, то есть

потому что в цепи постоянного тока нет понятия фазового угла между током и напряжением. Другими словами, в цепи постоянного тока нет никакого коэффициента мощности.

Но при синусоидальных сигналах, то есть в цепях переменного тока, ситуация сложнее из-за наличия разности фаз между током и напряжением. Поэтому среднее значение мощности (активная мощность), которая в действительности питает нагрузку, определяется как:

В цепи переменного тока, если она чисто активная (резистивная), формула для мощности та же самая, что и для постоянного тока: P = U I.

Формулы для активной мощности

P = U I — в цепях постоянного тока

P = U I cosθ — в однофазных цепях переменного тока

P = √3 UL IL cosθ — в трёхфазных цепях переменного тока

P = √ (S 2 – Q 2 ) или

P =√ (ВА 2 – вар 2 ) или

Активная мощность = √ (Полная мощность 2 – Реактивная мощность 2 ) или

кВт = √ (кВА 2 – квар 2 )

Реактивная мощность (Q)

Также её мощно было бы назвать бесполезной или безваттной мощностью.

Мощность, которая постоянно перетекает туда и обратно между источником и нагрузкой, известна как реактивная (Q).

Реактивной называется мощность, которая потребляется и затем возвращается нагрузкой из-за её реактивных свойств. Единицей измерения активной мощности является ватт, 1 Вт = 1 В х 1 А. Энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля или электрического поля в случае, соответственно, индуктивности или конденсатора.

Реактивная мощность определяется, как

и может быть положительной (+Ue) для индуктивной нагрузки и отрицательной (-Ue) для емкостной нагрузки.

Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивный (вар): 1 вар = 1 В х 1 А. Проще говоря, единица реактивной мощности определяет величину магнитного или электрического поля, произведённого 1 В х 1 А.

Формулы для реактивной мощности

Реактивная мощность = √ (Полная мощность 2 – Активная мощность 2 )

квар = √ (кВА 2 – кВт 2 )

Полная мощность (S)

Читайте также:  Направление линий магнитной индукции вокруг проводника с током можно определить по правилу буравчика

Полная мощность – это произведение напряжения и тока при игнорировании фазового угла между ними. Вся мощность в сети переменного тока (рассеиваемая и поглощаемая/возвращаемая) является полной.

Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока в цепи переменного тока называется полной мощностью.

Она является произведением значений напряжения и тока без учёта фазового угла. Единицей измерения полной мощности (S) является ВА, 1 ВА = 1 В х 1 А. Если цепь чисто активная, полная мощность равна активной мощности, а в индуктивной или ёмкостной схеме (при наличии реактивного сопротивления) полная мощность больше активной мощности.

Формула для полной мощности

Полная мощность = √ (Активная мощность 2 + Реактивная мощность 2 )

kUA = √(kW 2 + kUAR 2 )

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.

Все эти величины тригонометрически соотносятся друг с другом, как показано на рисунке:

Источник

Активная, реактивная, неактивная и полная мощность электрического тока

Активная, реактивная, неактивная и полная мощность электрического тока

Мощность
Мощность определяется работой, совершаемой в одну секунду (характеризует насколько быстро совершается работа).
Электрическая мощность есть расход электрической энергии в одну секунду.
Электрическая мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.
Протекание тока в электрической цепи сопровождается потреблением электроэнергии от источников, скорость потребления энергии характеризуется мощностью.
Работой электрического тока называют превращение его энергии в какую-либо другую энергию, например в тепловую, световую, механическую. Работоспособность тока оценивается по его мощности, обозначаемой буквой P, в международной системе W.
Мгновенная мощность — произведение мгновенных значений напряжения U и силы тока I на участке электрической цепи.
P=U*I
В большинстве случаев речь идет о некой усредненной мощности, которая получается интегрированием (похоже на вычисление площади) мгновенной мощности в течение периода.
Чаще всего речь идет о мощности потребляемой устройством, а для источников энергии указывается их выходная мощность — мощность которую они могут отдать потребителю (нагрузке).

Активная мощность
Активная мощность — среднее значение мгновенной мощности за период.
Мощность цепи имеющей только активные сопротивления (нагрузку) называется активной мощностью.
Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную-только ту которая не вернется в источник).
Активная мощность характеризует необратимый (безвозвратный) расход энергии тока.

Необратимый расход энергии (активная мощность) может уйти как на потери (нагрев проводов и изоляторов), так и на пользу: полезный нагрев, преобразование в другие виды энергии (совершение работы), излучение радиопередатчика, передача в другую цепь и т.п.
При однофазном синусоидальном токе и напряжении (тот ток, который мы можем получить дома из электрической розетки, подключив к ней лампу накаливания):
P=U*I*cos &#966, где &#966 — угол сдвига фаз между током и напряжением, cos &#966 — коэффициент мощности — показывает какую долю полной мощности составляет активная мощность.
Единица активной мощности — Вт (ватт); международное W.

В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за промежуток времени совпадают, понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока так происходит, если нагрузка чисто активная (электронагреватель, утюг, лампа накаливания). При такой нагрузке напряжения и фаза тока совпадают и почти вся мощность передается в нагрузку.

Реактивная мощность (Q)
Физический смысл реактивной мощности — это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду. Она характеризует реактивную энергию — энергию не расходующуюся безвозвратно, а лишь временно запасающуюся в магнитном поле. Реактивная мощность характеризует энергию, совершающую колебания между источником и реактивным (индуктивным и/или емкостным) участком цепи без ее преобразования.
Измеряется вольт-амперами реактивными (вар или международное: var).

Читайте также:  Число секций в машине постоянного тока

Q=U*I*sin &#966, где &#966 — угол сдвига фаз между током и напряжением,

Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели, дроссели, электромагниты), ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства — конденсатор как накопитель энергии в импульсном блоке питания), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).

Часть полной мощности, которую удалось передать в нагрузку за период переменного тока, называется активной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус угла сдвига фаз между ними (cos φ ).
Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin &#966 ).

Несмотря на то, что реактивная энергия переносится от источника к реактивной нагрузке и обратно (дважды за период, каждую четверть периода меняя направление), реактивный ток вызывает дополнительные потери энергии в активном сопротивлении проводов, соответственно энергии от источника берется больше, чем возвращается (потери не вернутся обратно в источник), следовательно генератор (трансформатор, источник бесперебойного питания и т.п.) следует брать большей мощности, а провода большего сечения.
В радиотехнике реактивная мощность может быть полезной (например колебательные контура).

Крупные предприятия генерируют большие реактивные токи, которые отрицательно сказываются на функционировании энергосистемы. По этой причине, для них проводится учет как активной, так и реактивной составляющей мощности. Для уменьшения генерации реактивных токов на предприятиях применяют установки компенсации реактивной мощности.

Неактивная мощность (пассивная мощность, N) — это мощность нелинейных искажений тока, равная корню квадратному из разности квадратов полной и активной мощностей в цепи переменного тока.
В цепи с синусоидальным напряжением неактивная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов реактивной мощности и мощностей высших гармоник тока.
При отсутствии высших гармоник неактивная мощность равна модулю реактивной мощности.
Под мощностью гармоники тока понимается произведение действующего значения силы тока данной гармоники на действующее значение напряжения.
Наличие нелинейных искажений тока в цепи означает нарушение пропорциональности между мгновенными значениями напряжения и силы тока, вызванное нелинейностью нагрузки, например когда нагрузка имеет импульсный характер.
При нелинейной нагрузке увеличивается кажущаяся (полная) мощность в цепи за счёт мощности нелинейных искажений тока, которая не принимает участия в совершении работы.
Мощность нелинейных искажений не является активной и включает в себя как реактивную мощность, так и мощность прочих искажений тока.
Неактивная мощность состоит из составляющих (например мощность искажения)
Данная физическая величина имеет размерность мощности, поэтому в качестве единицы измерения неактивной мощности можно использовать В∙А (вольт-ампер) или вар (вольт-ампер реактивный).

Полная мощность
Полная мощность (S) равна напряжению умноженному на ток, соответственно измеряется в Вольт-амперах (ВА, или международное VA).
При линейной нагрузке полная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов активной и реактивной мощности.
При нелинейной нагрузке (например импульсные блоки питания без корректора коэффициента мощности) полная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов активной и неактивной мощности.

Практической единицей измерения электрической энергии является киловатт-час (кВт*ч), т.е. работа совершаемая при неизменной мощности (1 кВт) в течение 1 часа. Внесистемная единица измерения количества произведенной или потреблённой энергии, а также выполненной работы. Используется преимущественно для измерения потребления электроэнергии в быту и производстве, для измерения выработки электроэнергии в электроэнергетике.

Счетчик в квартире считает активную мощность.

Источник