Как вычислить мощность выделяемую в цепи переменного тока что называется коэффициентом мощности
Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Когда речь идет о переменном токе, то здесь различают:
1) Активную мощность P;
2) Реактивную мощность Q;
3) Полную (кажущуюся) мощность S.
Активная мощность P вычисляется по формуле:
Активная мощность проявляется в приемниках тока, таких как электрическая печь, лампа накаливания, мотор, преобразуясь там в механическую энергию, в тепловую и т. п.
Реактивная мощность Q может быть найдена по формуле:
Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр или кВАр, если речь о киловольт-амперах реактивных).
Полная мощность (или кажущаяся мощность) выражается формулой:
Полная мощность измеряется в вольт-амперах. Эта мощность включает как активную, так и реактивную составляющие.
Коэффициентом мощности, или cosφ («косинусом фи»), цепи переменного тока, называется отношение активной мощности к полной мощности.
Коэффициент мощности, обычно, меньше единицы, но в случае когда нагрузка полностью активная, вся мощность является активной мощностью, и тогда коэффициент мощности равен единице.
В общем случае, чем большую долю полной мощности составляет непосредственно активная мощность, тем более коэффициент мощности приближен к единице.
И задача состоит в том, чтобы по линии к потребителю протекала только минимально необходимая величина реактивной энергии.
Уменьшить реактивную мощность можно путем уменьшения сдвига фаз между напряжением и током. Низкий cosφ (коэффициент мощности) имеет следствием неполное использование электрического оборудования установок и снижение общего коэффициента полезного действия. Поэтому, необходимо добиваться поддержания cosφ установок на приемлемо высоком уровне. Для повышения Cosφ применяют специальные компенсирующие установки (синхронные компенсаторы, статические конденсаторы) или добиваясь полной загрузки трансформаторов и электродвигателей.
Что такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока?
Все мы ежедневно сталкиваемся с электроприборами, кажется, без них наша жизнь останавливается. И у каждого из них в технической инструкции указана мощность. Сегодня мы разберемся что же это такое, узнаем виды и способы расчета.
Мощность в цепи переменного электрического тока
Электроприборы, подключаемые к электросети работают в цепи переменного тока, поэтому мы будем рассматривать мощность именно в этих условиях. Однако, сначала, дадим общее определение понятию.
Мощность — физическая величина, отражающая скорость преобразования или передачи электрической энергии.
В более узком смысле, говорят, что электрическая мощность – это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.
Если перефразировать данное определение менее научно, то получается, что мощность – это некое количество энергии, которое расходуется потребителем за определенный промежуток времени. Самый простой пример – это обычная лампа накаливания. Скорость, с которой лампочка превращает потребляемую электроэнергию в тепло и свет, и будет ее мощностью. Соответственно, чем выше изначально этот показатель у лампочки, тем больше она будет потреблять энергии, и тем больше отдаст света.
Поскольку в данном случае происходит не только процесс преобразования электроэнергии в некоторую другую (световую, тепловую и т.д.), но и процесс колебания электрического и магнитного поля, появляется сдвиг фазы между силой тока и напряжением, и это следует учитывать при дальнейших расчетах.
При расчете мощности в цепи переменного тока принято выделять активную, реактивную и полную составляющие.
Понятие активной мощности
Активная «полезная» мощность — это та часть мощности, которая характеризует непосредственно процесс преобразования электрической энергии в некую другую энергию. Обозначается латинской буквой P и измеряется в ваттах (Вт).
Рассчитывается по формуле: P = U⋅I⋅cosφ,
где U и I – среднеквадратичное значение напряжения и силы тока цепи соответственно, cos φ – косинус угла сдвига фазы между напряжением и током.
ВАЖНО! Описанная ранее формула подходит для расчета цепей с напряжением 220В, однако, мощные агрегаты обычно используют сеть с напряжением 380В. В таком случае выражение следует умножить на корень из трех или 1.73
Понятие реактивной мощности
Реактивная «вредная» мощность — это мощность, которая образуется в процессе работы электроприборов с индуктивной или емкостной нагрузкой, и отражает происходящие электромагнитные колебания. Проще говоря, это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю, а потом возвращается обратно в сеть.
Использовать в дело данную составляющую естественно нельзя, мало того, она во многом вредит сети питания, потому обычно его пытаются компенсировать.
Обозначается эта величина латинской буквой Q.
ЗАПОМНИТЕ! Реактивная мощность измеряется не в привычных ваттах (Вт), а в вольт-амперах реактивных (Вар).
Рассчитывается по формуле:
где U и I – среднеквадратичное значение напряжения и силы тока цепи соответственно, sinφ – синус угла сдвига фазы между напряжением и током.
ВАЖНО! При расчете данная величина может быть как положительной, так и отрицательной – в зависимости от движения фазы.
Емкостные и индуктивные нагрузки
Главным отличием реактивной (емкостной и индуктивной) нагрузки – наличие, собственно, емкости и индуктивности, которые имеют свойство запасать энергию и позже отдавать ее в сеть.
Индуктивная нагрузка преобразует энергию электрического тока сначала в магнитное поле (в течение половины полупериода), а далее преобразует энергию магнитного поля в электрический ток и передает в сеть. Примером могут служить асинхронные двигатели, выпрямители, трансформаторы, электромагниты.
ВАЖНО! При работе индуктивной нагрузки кривая тока всегда отстает от кривой напряжения на половину полупериода.
Емкостная нагрузка преобразует энергию электрического тока в электрическое поле, а затем преобразует энергию полученного поля обратно в электрический ток. Оба процесса опять же протекают в течение половины полупериода каждый. Примерами являются конденсаторы, батареи, синхронные двигатели.
ВАЖНО! Во время работы емкостной нагрузки кривая тока опережает кривую напряжения на половину полупериода.
Коэффициент мощности cosφ
Коэффициент мощности cosφ (читается косинус фи)– это скалярная физическая величина, отражающая эффективность потребления электрической энергии. Проще говоря, коэффициент cosφ показывает наличие реактивной части и величину получаемой активной части относительно всей мощности.
Коэффициент cosφ находится через отношение активной электрической мощности к полной электрической мощности.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! При более точном расчете следует учитывать нелинейные искажения синусоиды, однако, в обычных расчетах ими пренебрегают.
Значение данного коэффициента может изменяться от 0 до 1 (если расчет ведется в процентах, то от 0% до 100%). Из расчетной формулы не сложно понять, что, чем больше его значение, тем больше активная составляющая, а значит лучше показатели прибора.
Понятие полной мощности. Треугольник мощностей
Полная мощность – это геометрически вычисляемая величина, равная корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей соответственно. Обозначается латинской буквой S.
Также рассчитать полную мощность можно путем перемножения напряжения и силы тока соответственно.
ВАЖНО! Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА).
Треугольник мощностей – это удобное представление всех ранее описанных вычислений и соотношений между активной, реактивной и полной мощностей.
Катеты отражают реактивную и активную составляющие, гипотенуза – полную мощность. Согласно законам геометрии, косинус угла φ равен отношению активной и полной составляющих, то есть он является коэффициентом мощности.
Как найти активную, реактивную и полную мощности. Пример расчета
Все расчеты строятся на указанных ранее формулах и треугольнике мощностей. Давайте рассмотрим задачу, наиболее часто встречающуюся на практике.
Обычно на электроприборах указана активная мощность и значение коэффициента cosφ. Имея эти данные несложно рассчитать реактивную и полную составляющие.
Для этого разделим активную мощность на коэффициент cosφ и получим произведение тока и напряжения. Это и будет полной мощностью.
Далее, исходя из треугольника мощностей, найдем реактивную мощность равную квадрату из разности квадратов полной и активной мощностей.
Как измеряют cosφ на практике
Если полученный коэффициент cosφ достаточно низок, то его можно компенсировать практически. Осуществляется это в основном путем включения в цепь дополнительных приборов.
Мощность – это один из важнейших показателей электроприборов, поэтому знать какой она бывает и как рассчитывается, полезно не только школьникам и людям, специализирующимся в области техники, но и каждому из нас.
Как перевести амперы в ватты и обратно?
Как перевести амперы в киловаты?
Как рассчитать падение напряжения по длине кабеля в электрических сетях
Что такое коэффициент трансформации трансформатора?
Способы вычисления потребления электроэнергии бытовыми приборами
Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Мощность, выделяемая в цепи переменного тока
Мгновенное значение мощности переменного тока равно произведению мгновенных значений напряжения и силы тока:
где 
, 
(см. выражения (149.1) и (149.11)). Раскрыв 
, получим
Практический интерес представляет не мгновенное значение мощности, а ее среднее значение за период колебания. Учитывая, что 
, 
, получим
(152.1)
Из векторной диаграммы (см. рис. 216) следует, что 
. Поэтому
Такую же мощность развивает постоянный ток I = Im/ 
.
называются соответственно действующими (или эффективными) значениями тока и напряжения. Все амперметры и вольтметры градуируются по действующим значениям тока и напряжения.
Учитывая действующие значения тока и напряжения, выражение средней мощности (152.1) можно записать в виде
(152.2)
где множитель cos 
называется коэффициентом мощности.
Формула (152.2) показывает, что мощность, выделяемая в цепи переменного тока, в общем случае зависит не только от силы тока и напряжения, но и от сдвига фаз между ними. Если в цепи реактивное сопротивление отсутствует, то cos = 1 и Р = IU. Если цепь содержит только реактивное сопротивление (R = 0), то cos = 0 и средняя мощность равна нулю, какими бы большими ни были ток и напряжение. Если cos имеет значения, существенно меньшие единицы, то для передачи заданной мощности при данном напряжении генератора нужно увеличивать силу тока I, что приведет либо к выделению джоулевой теплоты, либо потребует увеличения сечения проводов, что повышает стоимость линий электропередачи. Поэтому на практике всегда стремятся увеличить cos , наименьшее допустимое значение которого для промышленных установок составляет примерно 0,85.
Контрольные вопросы
· Что такое колебания? свободные колебания? гармонические колебания? периодические процессы?
· Дайте определения амплитуды, фазы, периода, частоты, циклической частоты колебания.
· Какова связь амплитуды и фазы смещения, скорости и ускорения при прямолинейных гармонических колебаниях?
· В чем заключается идея метода вращающегося вектора амплитуды?
· Выведите формулы для скорости и ускорения гармонически колеблющейся точки как функции времени.
· Выведите и прокомментируйте формулы для кинетической, потенциальной и полной энергии при гармонических колебаниях.
· Чему равно отношение полной энергии гармонического колебания к максимальному значению возвращающей силы, вызывающей это колебание?
· Как можно сравнить между собой массы тела, измеряя частоты колебаний при подвешивании этих масс к пружине?
· Что называется гармоническим осциллятором? пружинным маятником? физическим? математическим?
· Выведите формулы для периодов колебаний пружинного, физического и математического маятников.
· Что такое приведенная длина физического маятника?
· Какие процессы происходят при свободных гармонических колебаниях в колебательном контуре? Чем определяется их период?
· Запишите и проанализируйте дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний в контуре.
· Что такое биения? Чему равна частота биений? период?
· Какова траектория точки, участвующей одновременно в двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаниях с одинаковыми периодами? Когда получается окружность? прямая?
· Как по виду фигур Лиссажу можно определить отношение частот складываемых колебаний?
· Запишите дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Проанализируйте их для механических и электромагнитных колебаний.
· Как изменяется частота собственных колебаний с увеличением массы колеблющегося тела?
· По какому закону изменяется амплитуда затухающих колебаний? Являются ли затухающие колебания периодическими?
· Почему частота затухающих колебаний должна быть меньше частоты собственных колебаний системы?
· Что такое коэффициент затухания? декремент затухания? логарифмический декремент затухания? В чем заключается физический смысл этих величин?
· При каких условиях наблюдается апериодическое движение?
· Что такое автоколебания? В чем их отличие от вынужденных и свободных незатухающих колебаний? Где они применяются?
· Что такое вынужденные колебания? Запишите дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и решите его. Проведите их анализ для механических и электромагнитных колебаний.
· От чего зависит амплитуда вынужденных колебаний? Запишите выражение для амплитуды и фазы при резонансе.
· Нарисуйте, проанализируйте резонансные кривые для амплитуды смещения (заряда) и скорости (тока). В чем их отличие?
· Почему добротность является важнейшей характеристикой резонансных свойств системы?
· Чему равен сдвиг фаз между смещением и вынуждающей силой при резонансе?
· Что называется резонансом? Какова его роль?
· От чего зависит индуктивное сопротивление? емкостное сопротивление? Что называется реактивным сопротивлением?
· Как сдвинуты по фазе колебания переменного напряжения и переменного тока текущего через конденсатор? катушку индуктивности? резистор? Ответ обосновать также с помощью векторных диаграмм.
· Нарисуйте и объясните векторную диаграмму для цепи переменного тока с последовательно включенными резистором, катушкой индуктивности и конденсатором.
· Назовите характерные признаки резонанса напряжений; резонанса токов. Приведите графики резонанса токов и напряжений.
· Как вычислить мощность, выделяемую в цепи переменного тока? Что называется коэффициентом мощности?
Задачи
18.1. Материальная точка, совершающая гармонические колебания с частотой 
= 2 Гц, в момент времени t = 0 проходит положение, определяемое координатой xо = 6 см, со скоростью vo = 14 см/с. Определить амплитуду колебаний. [6,1 см]
18.2. Полная энергия гармонически колеблющейся точки равна 30 мкДж, а максимальная сила, действующая на точку, равна 1,5 мН. Написать уравнение движения этой точки, если период колебаний равен 2 с, а начальная фаза 
/3. [х = 0,04 cos ( t + /3)]
18.3. При подвешивании грузов массами m1 = 500 г и m2 = 400 г к свободным пружинам последние удлинились одинаково (l = 15 см). Пренебрегая массой пружин, определить: 1) периоды колебаний грузов; 2) который из грузов при одинаковых амплитудах обладает большей энергией и во сколько раз. [1) 0,78 с; 2) 1,25]
18.4. Физический маятник представляет собой тонкий однородный стержень длиной 25 см. Определить, на каком расстоянии от центра масс должна быть точка подвеса, чтобы частота колебаний была максимальной. [7,2 см]
18.5. Два математических маятника, длины которых отличаются на 
= 16 см, совершают за одно и то же время: один n1 = 10 колебаний, другой n2 = 6 колебаний. Определить длины маятников l1 и l2. [l1 = 9 см, l2 = 25 см]
18.6 Колебательный контур содержит катушку с общим числом витков, равным 50, индуктивностью 5 мкГн и конденсатор емкостью 2нФ. Максимальное напряжение на обкладках конденсатора составляет 150 В. Определить максимальный магнитный поток, пронизывающий катушку. [0,3 мкВб]
18.7. Разность фаз двух одинаково направленных гармонических колебаний одинакового периода 8 с и одинаковой амплитудой 2 см составляет /4. Написать уравнение движения, получающегося в результате сложения этих колебаний, если начальная фаза одного из них равна нулю. [x = 0,037 cos 
]
18.8. Точка участвует одновременно в двух гармонических колебаниях, происходящих во взаимно перпендикулярных направлениях и описываемых уравнениями x = cos 
и y = cos 
. Определить уравнение траектории точки и вычертить ее с нанесением масштаба [2y 2 – х = 1]
18.9. За время, за которое система совершает 100 полных колебаний, амплитуда уменьшается в три раза. Определить добротность системы. [286]
18.10. Колебательный контур содержит катушку индуктивностью 25 мГн, конденсатор емкостью 10 мкФ и резистор сопротивлением 1 Ом. Конденсатор заряжен количеством электричества Qm = 1 мКл. Определить: 1) период колебаний контура; 2) логарифмический декремент затухания колебаний; 3) уравнение зависимости изменения напряжения на обкладках конденсатора от времени. [1) 3,14 мс; 2) 0,05; 3) 
]
18.11. Последовательно соединенные резистор с сопротивлением 110 Ом и конденсатор подключены к внешнему переменному напряжению с амплитудным значением 110 В. Оказалось, что амплитудное значение установившегося тока в цепи 0,5 А. Определить разность фаз между током и внешним напряжением. [60°]
18.13. Генератор, частота которого составляет 32 кГц и амплитудное значение напряжения равно 120 В, включен в резонирующую цепь, емкость которой 1 нФ. Определить амплитудное значение напряжения на конденсаторе, если активное сопротивление цепи 5 Ом. [119 кВ]
18.14. Колебательный контур содержит катушку индуктивностью 5 мГн и конденсатор емкостью 2 мкФ. Для поддержания в колебательном контур незатухающих гармонических колебаний с амплитудным значением напряжения на конденсаторе 1 В необходимо подводить среднюю мощность 0,1 мВт. Считая затухание колебаний в контуре достаточно малым, определить добротность данного контура. [100]