Дайте определение полной активной и реактивной мощностей

ЧТО ТАКОЕ ПОЛНАЯ, АКТИВНАЯ И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ? ОТ СЛОЖНОГО К ПРОСТОМУ.

В повседневной жизни практически каждый сталкивается с понятием "электрическая мощность", "потребляемая мощность" или "сколько эта штука "кушает" электричества". В данной подборке мы раскроем понятие электрической мощности переменного тока для технически подкованных специалистов и покажем на картинке электрическую мощность в виде "сколько эта штука кушает электричества" для людей с гуманитарным складом ума :-). Мы раскрываем наиболее практичное и применимое понятие электрической мощности и намеренно уходим от описания дифференциальных выражений электрической мощности.

ЧТО ТАКОЕ МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА?

В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для практических расчётов бесполезна. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени. Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол φ (сдвиг фаз) — аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

Активная мощность (Real Power)

Единица измерения — ватт (русское обозначение: Вт, киловатт — кВт; международное: ватт -W, киловатт — kW).

Среднее за период Τ значение мгновенной мощности называется активной мощностью, и

выражается формулой:

Реактивная мощность (Reactive Power)

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (русское обозначение: вар, кВАР; международное: var).

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.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до минус 90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой

реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например,асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например,асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Полная мощность (Apparent Power)

Полная мощность имеет практическое значение, 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. Именно поэтому полная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Визуально и интуитивно-понятно все вышеперечисленные формульные и текстовые описания полной, реактивной и активной мощностей передает следующий рисунок 🙂

Специалисты компании НТС-групп (ТМ Электрокапризам-НЕТ) имеют огромный опыт подбора специализированного оборудования для построения систем обеспечения жизненно важных объектов бесперебойным электропитанием. Мы умеем максимально качественно учитывать множество электрических и эксплуатационных параметров, которые позволяют выбрать экономически обоснованный вариант построения системы бесперебойного электропитанияс применением стабилизаторов напряжения, топливных электростанций, источников бесперебойного питания и др. сопутствующего оборудования.

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

Значение коэффициента cosφ обычно указано на бирках электроприборов, однако, если необходимо измерить его на практике пользуются специализированным прибором – фазометром . Также с этой задачей легко справится цифровой ваттметр.

Если полученный коэффициент cosφ достаточно низок, то его можно компенсировать практически. Осуществляется это в основном путем включения в цепь дополнительных приборов.

Если необходимо скорректировать реактивную составляющую, то следует включить в цепь реактивный элемент, действующий противоположно уже функционирующему прибору. Для компенсации работы асинхронного двигателя, для примера индуктивной нагрузки, в параллель включается конденсатор. Для компенсации синхронного двигателя подключается электромагнит.
Если необходимо скорректировать проблемы нелинейности в схему вводят пассивный корректор коэффициента cosφ, к примеру, это может быть дроссель с высокой индуктивностью, подключаемый последовательно с нагрузкой.

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.

В технической литературе и сопроводительной документации применяют разные обозначения электрических параметров. Реактивная мощность определяет часть процессов при подключении индуктивных (емкостных) нагрузок. Вместе с активной (рабочей) составляющей она формирует полные энергетические характеристики цепи переменного тока.

Мощность активная, реактивная и полная

Перечисленные понятия рассматривают с учетом особенностей нагрузки. Активная мощность потребляется обычным проводником. При увеличении силы тока энергия расходуется на повышение температуры (ТЭН чайника) или световое излучение (нить лампы накаливания).

Индуктивная нагрузка и конденсатор потребляют реактивную мощность. Энергия в этих вариантах преобразуется в магнитное (электрическое) поле, соответственно. Суммарная величина – полная мощность.

Смысл реактивной нагрузки

Любая реактивная нагрузка создает временной сдвиг между фазами тока и напряжения. Эту величину измеряют в градусах. Наиболее наглядным является векторное представление электрических параметров. Если подключить индуктивность, напряжение будет опережать ток. Угол между ними обозначают в формулах буквой «ϕ» («Фи» греч.).

На картинке показано, что при подключении емкостной нагрузки вектора «меняются» местами. В идеальных условиях сдвиг между векторами равен 90°. В действительности следует учитывать влияние электрического сопротивления цепи, несовершенство конструкций. С учетом особенностей элементов следует напомнить, что в индуктивности (емкости) при сохранении параметров источника питания плавно изменяется ток (напряжение), соответственно.

Почему в сети напряжение переменное

Для объяснения настоящей ситуации надо сделать краткий экскурс в историю. Электричество известно человеку сотни (по некоторым данным, тысячи лет). Однако действительно массовое использование этой энергии началось сравнительно недавно – в конце 19 века. Именно тогда (1879 г.) Эдисон запатентовал первый функциональный прибор, который помогал решать проблемы освещения. Для питания лампочек он стал монтировать сети постоянного тока.

Через десять лет Тесла создал генераторы переменного тока. После ожесточенной конкурентной борьбы именно его способ передачи энергии на расстояния одержал победу. Этот результат был обеспечен скорее рыночными методами, чем внимательным сравнением потребительских характеристик.

К сведению. Метрополитен Нью-Йорка до сих пор функционирует с подключением к сети постоянного тока.

Выгода от переменного напряжения

Важные для потребителей преимущества этого варианта приведены в следующем перечне:

простая конструкция генераторов/ электродвигателей;
минимальные потери при передаче электроэнергии на сравнительно небольшие расстояния;
простота преобразования напряжения с применением трансформатора;
поддержание стабильности оборотов электрических приводов без лишних трудностей;
отсутствие полярности.

Каждый из пунктов можно рассмотреть подробно. Генератор (электромотор) переменного тока, например, нетрудно создать без токосъемных щеток и постоянных магнитов. Простота конструкции обеспечивает:

разумную стоимость;
минимальные затраты при обслуживании и ремонте;
долговечность;
надежность.

Обороты мощных электродвигателей регулируют изменением частоты. Это значит, что в обычных условиях эксплуатации обеспечивается поддержание расчетных параметров без дополнительных схем управления и контроля. В частности, отмеченные особенности идеально подходят для создания насосной станции.

Для повышения/ уменьшения напряжения в сетях переменного тока используют типовые сравнительно недорогие конструкции. Изменяя количество витков обмотки на едином сердечнике, можно получить необходимый коэффициент трансформации с высокой точностью. В процессе работы дополнительная настройка не требуется.

Постоянное напряжение снижают с применением электрического сопротивления, которое в данном случае не выполняет никаких полезных функций. Для повышения – применяют сложные схемы с промежуточным преобразованием в переменный сигнал.

Какой из способов предпочтительнее, можно определить после перечисления преимуществ сетей постоянного тока:

возможность подключения непосредственно к источнику питания светодиодов, гальванических ванн, иных потребителей;
простая зарядка аккумуляторных батарей;
отсутствие необходимости согласования нагрузок;
высокая точность измерений;
минимальные потери при передаче электроэнергии на большие расстояния;
применение «однопроводной» линии питания (метро, трамвай).

Убытки от переменного напряжения

Формулы расчетов активной и реактивной мощностей подробно рассмотрены в следующих разделах статьи. Однако для изучения потерь в сетях переменного тока необходимо привести определение поправочного коэффициента cosϕ (косинус Фи). Это значение производители указывают в технических паспортах и на бирках корпусов мощных моторов, сварочных аппаратов, другой техники.

В этом примере рассмотрена приближенная к реальной ситуация, когда подключены активные нагрузки вместе с реактивными. Если cosϕ=0,75, то при одной и той же потребляемой мощности номинальный ток в цепи (100 А) увеличится следующим образом:

I = Ia/ cosϕ = 100/0,75 ≈ 133 А.

При этом на повышение температуры будет расходоваться мощность, пропорциональная квадрату тока. Считать ее можно по формуле:

Соответствующие потери увеличатся в 1,77 раза.

Следует отметить! Изменения силы тока сопровождаются колебаниями напряжения. Иные потребители, подключенные к этой же сети, будут работать в неблагоприятных режимах. При этом счетчик будет показывать неизменное потребление энергетических ресурсов.

Понятной является ситуация, когда ИБП или другой источник питания начинает выдавать ток, превышающий расчетные параметры. Перегревается не только генератор, но и проводка. Значительно возрастает риск аварий, поломок.

Активная, реактивная и полная мощности в формулах

Чтобы рассчитать или измерить мощность: полную, активную и реактивную, служат основные формулы:

активная мощность = полная * cosϕ;
реактивная = напряжение * ток * sinϕ.

Для упрощения можно начать с примера на основе цепи постоянного тока, где действительна известная формула:

Это активная (рабочая, полная) мощность. Единицы измерения – ватт (Вт), киловатт (кВт), другие производные. При подключении сопротивления (R) ее можно вычислить следующим образом:

Простота исчезает при рассмотрении сигналов синусоидальной формы. Именно такими параметрами отличаются стандартные сети питания (220/380V). Активная мощность в этом случае зависит от фазового сдвига между векторами тока и напряжения.

Соответствующие зависимости выражают следующим образом:

Эта формула подходит для расчета обычной сети 220V, которой пользуется большинство рядовых потребителей. Мощные насосы и станки подключают к трехфазным источникам питания 380 V. Для этого варианта нужна коррекция:

Pa = √3 * U * I * cosϕ = 1,732 * U * I * cosϕ.

Реактивная мощность (Pq) не только потребляется нагрузкой, но и возвращается обратно в источник питания. Ее значение определяют следующим образом:

К сведению. Измеряется эта величина в реактивных вольт-амперах (вар).

Для вычисления полной мощности формула содержит перечисленные выше компоненты:

Что такое реактивная мощность

Эту мощность можно назвать бесполезной, так как она обозначает переход энергии между источником питания и нагрузкой. Недоступный для практического применения энергетический потенциал в данном случае только увеличивает потери.

Треугольник мощностей

На картинке ниже рядом с электрической схемой приведены графические изображения мощностей. Соответствующими векторами обозначены мощности:

Коэффициент мощности

Этим термином обозначают потери, созданные реактивной нагрузкой. Обозначение – cosϕ.

Коррекция cos ϕ

Для компенсации угла сдвига фаз используют дополнительные электрические компоненты. При индуктивном характере нагрузки подключают параллельно конденсатор. Емкость рассчитывают по формуле:

C=I/(w*U), где w – угловая частота.

Как и где измеряют cos ϕ

Потери определяют по изменению силы тока, напряжения и мощности в цепях с мощными реактивными нагрузками:

Можно найти в магазине либо арендовать специализированный прибор – «фазометр». Специализированные сервисы предлагают расчет электрических параметров онлайн.

Колебательный процесс в цепях переменного тока сопровождается изменением магнитного (электрического) поля для индуктивной и емкостной нагрузки, соответственно.

Электроприборы, влияющие на качество потребления

Коэффициент мощности равен единице при подключении ламп и нагревателей. Он уменьшается до 0,7 и менее, когда в цепи добавляют преобладающие по потреблению энергии электромоторы, другие компоненты с реактивными составляющими.

Правильное применение определений и расчетов мощности помогает оптимизировать проект электрической сети с учетом особенностей подключаемых нагрузок. Приведенные выше сведения пригодятся на стадии определения параметров проводки, защитных автоматов. Комплексное использование этих знаний повысит надежность электроснабжения, предотвратит возникновение и развитие аварийных ситуаций.