Меню

Как определяется комплексная мощность



Комплексная мощность

date image2015-05-26
views image4187

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

В символическом методе расчета и анализа цепей синусоидального тока вводится понятие о комплексной мощности , которая представляет собой произведение комплекса напряжения на сопряженный комплекс тока .

Предположим, что электрическая цепь с последовательным соединением r, L,C имеет индуктивный характер, то есть напряжение на входе цепи опережает ток по фазе на угол φ.

Представим синусоиды напряжения и тока с ненулевыми начальными фазами ψU > 0 и ψI > 0, причем ψU > ψI, поскольку в цепи преобладает индуктивность:

Построим в комплексной плоскости векторную диаграмму действующих значений напряжения и тока для момента времени t = 0 (рис. 34).

Очевидно комплексы напряжения и тока в показательной форме записи имеют вид

Сопряженный комплекс тока

Комплексная мощность (по определению)

где – активная мощность;

Список литературы

1. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Основные законы электротехники и методы расчета электрических цепей. Методическое пособие для студентов заочного факультета. Сост. Рудаков Б.В., Филимонов А.Г. – СПб.: ПГУПС, 2007.

3. Электроизмерительные приборы. Методические указания для студентов заочной формы обучения. Сост. Рудаков Б.В., Филимонов А.Г. – СПб.: ПГУПС, 2008.

4. Электрические цепи трехфазного тока. Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов механических специальностей заочной формы обучения. Сост. Васильев П.Ю., Рудаков Б.В., Филимонов А.Г. – СПб.: ПГУПС, 2005.

5. Основы электротехники. Задания на контрольные и курсовую работы для студентов заочного факультета с методическими указаниями. Сост. Рудаков Б.В., Стрепетов В.М., Филимонов А.Г. – СПб.: ПГУПС, 2005.

6. Расчет цепей постоянного и однофазного переменного тока. Методика решения типовых задач. Сост. Хожаинов А.И., Рудаков Б.В., Тимофеев Б.А., Филимонов А.Г. – СПб.: ПГУПС, 2000.

7. Улучшение коэффициента мощности промышленной установки. Методические указания к лабораторной работе. Сост. Рудаков Б.В., Филимонов А.Г. – СПб.: ПГУПС, 1997

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие переменного тока от постоянного?

2. Почему в электроэнергетике применяется переменный ток, изменяющийся по синусоидальному закону?

3. Что такое действующее и среднее значение синусоидального тока?

4. Что называется коэффициентом формы переменного тока? Чему он равен для синусоидального тока?

5. Что такое мгновенное значение переменного тока? Как читаются законы Ома, Кирхгофа и Джоуля-Ленца для мгновенных значений тока и напряжения?

6. В чем заключается принцип построения графика синусоидальной функции посредством вращения радиус-вектора?

7. Что такое начальная фаза и как она показывается на графике синусоиды и векторной диаграмме?

8. Как доказывается (на примере первого закона Кирхгофа для простейшего узла) возможность замены аналитического метода методом векторных диаграмм?

9. В чем преимущества и недостатки метода векторных диаграмм (графического) по сравнению с аналитическим методом?

10. Что называется векторной диаграммой?

11. Как увязать векторную диаграмму с построением синусоид, которые изображаются векторами диаграммы?

12. В чем отличие преобразования энергии в резисторе по сравнению с индуктивным и емкостным элементами?

13. Что такое мгновенная и средняя за период (активная) мощность в цепи синусоидального тока?

14. Сформулируйте три основных вывода по результатам анализа цепи с резистивным элементом.

15. Что называется индуктивностью и индуктивным сопротивлением?

16. Как строятся векторная и временные диаграммы в цепи с индуктивным элементом?

17. Как объяснить формулировку принципа Ленца, сравнивая временные диаграммы тока и э.д.с. самоиндукции для цепи с индуктивным элементом?

18. Сформулируйте три основных вывода по результатам анализа цепи с индуктивным элементом.

19. Как выглядит кривая мгновенной мощности и почему равна нулю активная мощность в цепи с индуктивным элементом? Каков характер преобразованной энергии в этой цепи?

20. Что называется емкостью и емкостным сопротивлением?

21. Как строятся векторная и временные диаграммы в цепи с емкостным элементом?

22. Сформулируйте три основных вывода по результатам анализа цепи с емкостным элементом.

23. Как выглядит кривая мгновенной мощности в цепи с емкостным элементом? Каков характер преобразованной энергии в этой цепи?

24. Каким образом используется второй закон Кирхгофа в цепи с последовательным соединением r, L, C в аналитическом, графическом и символическом методах?

25. Как производится сложение векторов по методу многоугольника?

26. Какой порядок построения векторной диаграммы для цепи с последовательным соединением r, L, C?

27. Что такое индуктивный или емкостный характер при последовательном соединении r, L, C?

28. Что такое реактивное напряжение и реактивное сопротивление в цепи с последовательным соединением r, L, C?

29. Что такое мгновенная и средняя мощность в последовательной цепи r, L, C?

30. Как получаются треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей для последовательной цепи r, L, C?

Читайте также:  Как определить мощность трехфазного трансформатора по сечению сердечника

31. Что называется резонансом напряжений и какие соотношения ему соответствуют? Каким образом достигается режим резонанса?

32. Каким образом используется первый закон Кирхгофа в цепи с параллельным соединением r, L, C в аналитическом, графическом и символическом методах?

33. Какой порядок построения векторной диаграммы для цепи с параллельным соединением r, L, C?

34. Что такое реактивный ток и реактивная проводимость?

35. Как получаются треугольники токов, проводимостей и мощностей для параллельной цепи r, L, C?

36. В чем отличие и сходство полной, активной и реактивной мощностей?

37. Что называется резонансом токов и какие соотношения ему соответствуют? Какими способами достигается резонанс?

38. Что такое коэффициент мощности и зачем необходимо его повышать?

39. Каким образом можно повысить коэффициент мощности активно-индуктивного приемника?

40. Изменяется ли режим работы активно-индуктивного приемника после включения компенсирующего конденсатора?

41. Что такое символический метод расчета и каковы его преимущества перед аналитическим и графическим?

42. Какие три вида записи комплексных чисел вам известны?

43. Каким образом производятся операции сложения-вычитания и умножения-деления при работе с комплексными числами?

44. Как читаются законы Ома и Кирхгофа в символическом методе?

45. Что такое комплексное сопротивление и комплексная проводимость?

46. Почему изменяется на противоположный знак реактивной составляющей при эквивалентных переходах от комплексного сопротивления к комплексной проводимости (и наоборот)?

47. Что называется комплексной мощностью и как получить ее выражение из соответствующей векторной диаграммы?

48. Как вы понимаете отличие активного приемника от реактивного, исходя из характера преобразования в них энергии?

Оглавление

Введение. 2

1. Электрические цепи однофазного синусоидального тока. 2

1.1.. Основные определения. 2

1.2.. Простейший генератор синусоидального тока. 4

1.3.. Действующее значение переменного тока. 9

1.4.. Изображение синусоидальных функций вращающимися векторами. 11

1.5.. Цепь с резистивным элементом. 15

1.6.. Цепь с индуктивным элементом. 18

1.7.. Цепь с емкостным элементом. 25

1.8.. Цепь с последовательным соединением r, L и C. 29

1.9.. Цепь с параллельным соединением r, L и C. 35

1.10.Коэффициент мощности и способы его повышения. 41

2. Символический медот расчета цепей синусоидального тока. 45

2.1.. Общие замечания. 45

2.2.Основные определения и алгебраические операции с комплексными числами. 45

2.3.. Закон Ома в комплексной форме. 49

2.4.. Законы Кирхгофа в комплексной форме. 51

Источник

Особенности переменного тока

26 октября 2019

Время на чтение:

Мощность — то, что характеризует скорость передачи с преобразованием электроэнергии. Какие есть нормы мощности в сети переменного тока и виды, что такое активная и реактивная мощность? Об этом и другом далее.

Нормы мощности в сети переменного тока

Напряжение и мощность — то, что нужно знать каждому человеку, живущему в квартире или частном доме. Стандартное напряжение сети переменного тока в квартире и частном доме выражается в количестве 220 и 380 ватт. Что касается определения количественной меры силы электрической энергии, необходимо сложить электрический ток с напряжением или же измерить необходимый показатель ваттметром. При этом чтобы сделать измерения последним аппаратом, нужно использовать щупы и специальные программы.

Что такое мощность переменного тока

Мощность переменного тока определяется соотношением величины тока со временем, которая производит работу за определенное время. Обычный пользователь использует мощностный показатель, передаваемый ему поставщиком электрической энергии. Как правило, он равен 5-12 киловатт. Этих цифр хватает, чтобы обеспечить работоспособность необходимого бытового электрооборудования.

Этот показатель зависит от того, какие внешние условия поступления энергии в дом, какие поставлены ограничительные токовые устройства (автоматы или полуавтоматы), регулирующие момент поступления мощностных емкостей к потребительскому источнику. Это совершается на разных уровнях, от бытового электрощита до центрального устройства электрического распределения.

Мощностные нормы в сети переменного тока

Характеристики

Переменный ток течет по цепи и меняет свое направление с величиной. Создает магнитное поле. Поэтому его нередко называют периодическим синусоидальным переменным электротоком. Согласно закону кривой линии, величина его меняется через конкретный промежуток времени. Поэтому он называется синусоидным. Имеет свои параметры. Из важных стоит указать период с частотой, амплитудой и мгновенным значением.

Период — это то время, на протяжении которого происходит изменение электротока, а затем оно повторяется вновь. Частота — период течение за секунду. Измеряется в герцах, килогерцах и миллигерцах.

Амплитуда — токовое максимальное значение с напряжением и эффективностью протекания на протяжении полного периода. Мгновенное значение — переменный ток или напряжение, возникающее за конкретное время.

Характеристики переменного тока

Виды мощностей

Мощностью называется измеряемая физическая величина, которая равна скорости изменения с преобразованием, передачей или потреблением системной энергии. Согласно более узкому понятию, это показатель, который равен отношению затраченного времени на работы к самому периоду, который тратится на работу. Обозначается в механике символом N. В электротехнической науке используется буква P. Нередко можно увидеть также символ W, от слова ватт.

Читайте также:  Пусковая мощность аккумулятора для дизеля

Мощность переменного тока -это произведение силы тока с напряжением и косинусом сдвига фаз. При этом беспрепятственно можно посчитать только активную и реактивную разновидность. Узнать полное мощностное значение можно через векторную зависимость этих показателей и площади.

Основные мощностные разновидности

Активная мощность

Активной называется полезная сила, определяющая процесс прямого преобразования электроэнергии в необходимый вид силы. В каждом электроприборе преобразовывается она по-своему. К примеру, в лампочке получается свет с теплом, в утюге — тепло, а в электрическом двигателе — механическая энергия. Соответственно, показывает КПД устройства.

Активная разновидность

Реактивная мощность

Реактивной называется та, которая определяется при помощи электромагнитного поля. Образуется при работе электроприборов. Обратите внимание! Это вредная и паразитная мощностная характеристика, которая определяется тем, каков характер нагрузки. Для лампочки она равняется нулю, а для электродвигателя она может быть равна большим значением.

Разница между величинами в том, что активно действующая мощностная характеристика показывает КПД устройств, а реактивная является передачей этого КПД. Разница также наблюдается в определении, символе, формуле и значимости.

Обратите внимание! Что касается значения, то вторая нужна лишь для того, чтобы управлять создавшимся напряжением от первой величины и преодолевать мощностные колебания. Обе измеряются в ваттах и имеют большое значение в электромагнитном излучении, механической форме генератора или акустической волне. Активно применяются в промышленности.

Полная мощность

Полная — это сумма активной с реактивной мощностью. Равна сетевому мощностному показателю. Это произведение напряжения с током в момент игнорирования фазы угла между ними. Вся рассеиваемая с поглощаемой и возвращаемой энергией — это полная энергия.

Это произведение напряжения и тока, единица измерения которого это ватт, перемноженный на ампер. При активности цепи, полная равняется активной. Если речь идет об индуктивной или емкостной схеме, то полная больше, чем активная.

Комплексная мощность

Это сумма всех мощностных показателей фаз источника электроэнергии. Это комплексный показатель, модуль которого равняется полному мощностному показателю электроцепи. Аргументом является фазовый сдвиг между электротоком с сетевым напряжением. Может быть выражена уравнением, где суммарный мощностный показатель, который генерируют источники электроэнергии, равен суммарному мощностному показателю, который потребляется в электроцепи.

Обратите внимание! Вычисляется посредством использования соответствующей формулы. Так, необходимо комплексное напряжение перемножить на комплексны ток или же удвоенное значение комплексного тока перемножить на импеданс. Также можно удвоенное значение комплексного напряжения поделить на удвоенное значение импеданса.

Как узнать какая мощность в цепи переменного тока

Стоит указать, что это величина, которая прямо связывается с иными показателями. К примеру, она находится в прямой зависимости от времени, силы, скорости, вектора силы и скорости, модуля силы и скорости, момента силы и частоты вращения. Часто в формулах во время вычисления электромощности используется также число Пи с показателем сопротивления, мгновенным током, напряжением на конкретном участке электрической сети, активной, полной и реактивной силой. Непосредственно участник вычисления это амплитуда, угловая скорость и начальная сила тока с напряжением.

Формула мощности в цепи переменного тока

В однофазной цепи

Понять, какой мощностный показатель есть в однофазной цепи переменного тока, можно при помощи применения трансформатора тока. Для этого необходимо воспользоваться ваттметром, который включен через токовый трансформатор. Показания следует перемножить на трансформаторный коэффициент тока. В момент измерения мощности в высоком напряжении трансформатор тока необходим, чтобы заизолировать ваттметр и обеспечить безопасность пользователя. Параллельна цепь включается не непосредственным способом, а благодаря трансформатору напряжения. Вторичные обмотки с корпусами измерительных трансформаторных установок необходимо заземлять во избежание случайного изоляционного повреждения и попадания высокого напряжения на приборы.

Обратите внимание! Для определения параметров в сети необходимо амперметр перемножить на трансформаторный коэффициент тока, а цифры, полученные вольтметром, перемножить на трансформаторный коэффициент напряжения.

В трехфазной цепи

В цепи переменного тока мощностный показатель в трехфазной цепи определить можно, перемножив ток на напряжение. Поскольку это непостоянный электроток, он зависит от времени и других параметров, поэтому необходимо использовать другие проверенные схемы. Так, можно использовать ваттметр.

Измерение должно быть проведено только в одной фазе и по формуле умножено на три. Этот способ экономит приборы и уменьшает габариты измерения. Применяется для высокой точности измерения каждой фазы. В случае несимметричной нагрузки, нужно использовать соответствующую схему подключения ваттметра. Это более точный способ, но требует наличие трех ваттметров.

Читайте также:  Пусковая мощность лампы дрл

Обратите внимание! Если цепь не предусматривает наличие нулевого проводника, нужна также соответствующая схема.

Стоит указать, что сегодня измерить можно необходимые показатели не только аналоговым, но и цифровым прибором. Отличие второго в уменьшенных размерах и легкости. Кроме того, цифровые агрегаты способы осуществлять фиксацию тока с напряжением, косинусом сети и другим. Это позволяет на дистанции осуществлять отслеживание различных величин и передавать предупреждения, если есть отклонение. Это удобно, поскольку не нужно измерять ток с напряжением, а потом, используя формулы, все досконально просчитывать.

В трехфазной цепи

В целом, мощность — это величина, основное предназначение которой показывать силу работы конкретного прибора и во многих случаях скорость деятельности, взаимодействуя с ним. Она бывает механической, электрической, гидравлической и для постоянного с переменным током. Измеряется по международной системе в ваттах и киловаттах.

Источник

Комплексная мощность

Активную, реактивную и полную мощности можно определить, пользуясь комплексными изображениями напряжения и тока. Пусть , а . Тогда комплекс полной мощности:

где — комплекс, сопряженный с комплексом .

Комплексной мощности можно поставить в соответствие треугольник мощностей (см. рис. 4). Рис. 4 соответствует (активно-индуктивная нагрузка), для которого имеем:

Применение статических конденсаторов для повышения cos

Как уже указывалось, реактивная мощность циркулирует между источником и потребителем. Реактивный ток, не совершая полезной работы, приводит к дополнительным потерям в силовом оборудовании и, следовательно, к завышению его установленной мощности. В этой связи понятно стремление к увеличению в силовых электрических цепях.

Следует указать, что подавляющее большинство потребителей (электродвигатели, электрические печи, другие различные устройства и приборы) как нагрузка носит активно-индуктивный характер.

Если параллельно такой нагрузке (см. рис. 5), включить конденсатор С, то общий ток , как видно из векторной диаграммы (рис. 6), приближается по фазе к напряжению, т.е. увеличивается, а общая величина тока (а следовательно, потери) уменьшается при постоянстве активной мощности . На этом основано применение конденсаторов для повышения .

Какую емкость С нужно взять, чтобы повысить коэффициент мощности от значения до значения ?

Разложим на активную и реактивную составляющие. Ток через конденсатор компенсирует часть реактивной составляющей тока нагрузки :

Из (11) и (12) с учетом (10) имеем

но , откуда необходимая для повышения емкость:

Баланс мощностей

Баланс мощностей является следствием закона сохранения энергии и может служить критерием правильности расчета электрической цепи.

а) Постоянный ток

Для любой цепи постоянного тока выполняется соотношение:

Это уравнение представляет собой математическую форму записи баланса мощностей: суммарная мощность, генерируемая источниками электрической энергии, равна суммарной мощности, потребляемой в цепи.

Следует указать, что в левой части (14) слагаемые имеют знак “+”, поскольку активная мощность рассеивается на резисторах. В правой части (14) сумма слагаемых больше нуля, но отдельные члены здесь могут иметь знак “-”, что говорит о том, что соответствующие источники работают в режиме потребителей энергии (например, заряд аккумулятора).

б) Переменный ток.

Из закона сохранения энергии следует, что сумма всех отдаваемых активных мощностей равна сумме всех потребляемых активных мощностей, т.е.

В ТОЭ доказывается (вследствие достаточной громоздкости вывода это доказательство опустим), что баланс соблюдается и для реактивных мощностей:

где знак “+” относится к индуктивным элементам , “-” – к емкостным .

Умножив (16) на “j” и сложив полученный результат с (15), придем к аналитическому выражению баланса мощностей в цепях синусоидального тока (без учета взаимной индуктивности):

Литература

  1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

  1. Что такое активная мощность?
  2. Что такое реактивная мощность, с какими элементами она связана?
  3. Что такое полная мощность?
  4. Почему необходимо стремиться к повышению коэффициента мощности ?
  5. Критерием чего служит баланс мощностей?
  6. К источнику с напряжением подключена активно-индуктивная нагрузка, ток в которой . Определить активную, реактивную и полную мощности.

Ответ: Р=250 Вт; Q=433 ВАр; S=500 ВА.

  1. В ветви, содержащей последовательно соединенные резистор R и катушку индуктивности L, ток I=2 A. Напряжение на зажимах ветви U=100 B, а потребляемая мощность Р=120 Вт. Определить сопротивления R и XL элементов ветви.

Ответ: R=30 Ом; XL=40 Ом.

  1. Мощность, потребляемая цепью, состоящей из параллельно соединенных конденсатора и резистора, Р=90 Вт. Ток в неразветвленной части цепи I1=5 A, а в ветви с резистором I2=4 A. Определить сопротивления R и XL элементов цепи.

Источник