Почему необходимо повышать коэффициент мощности

Почему необходимо повышать коэффициент мощности?

Коэффициент мощности – это отношение полезной (активной) мощности к полной (кажущейся) мощности, потребляемой электрооборудованием объекта или электроустановкой. Он является мерой эффективности преобразования электрической энергии в полезную работу. Идеальное значение коэффициента мощности равно единице. Любая величина, меньшая, чем единица, означает, что для получения желаемого результата необходима дополнительная мощность.

Протекание токов приводит к потерям в генерирующих мощностях и распределительной системе. Нагрузка с коэффициентом мощности 1,0 наиболее эффективно загружает источник, а нагрузка с коэффициентом мощности, к примеру, 0,8 является причиной больших потерь в системе и более высоких расходов на электроэнергию. Сравнительно небольшое улучшение коэффициента мощности может привести к значительному снижению потерь, так как они пропорциональны квадрату тока.

Если коэффициент мощности меньше единицы, это указывает на присутствие так называемой реактивной мощности. Она требуется для получения магнитного поля, необходимого для работы двигателей и других индуктивных нагрузок. Реактивная мощность, которую также можно назвать бесполезной мощностью или мощностью намагничивания, создаёт дополнительную нагрузку на систему электропитания и увеличивает затраты потребителя за электроэнергию.

Низкий коэффициент мощности обычно является результатом сдвига фаз между напряжением и током на выводах нагрузки. Также его причиной может стать высокое содержание гармоник, то есть сильно искажённая форма тока. Коэффициент мощности чаще всего понижается из-за наличия индуктивных нагрузок: асинхронных двигателей, силовых трансформаторов, ПРА люминесцентных ламп, сварочных установок и дуговых печей. Искажения формы тока могут быть результатом работы выпрямителей, преобразователей, регулируемых приводов, импульсных источников питания, газоразрядных ламп или других электронных нагрузок.

Низкий коэффициент мощности из-за индуктивных нагрузок может быть улучшен с помощью оборудования коррекции коэффициента мощности, а низкий коэффициент мощности из-за искажения формы тока требует изменения конструкции оборудования или установки фильтров гармоник. Некоторые преобразователи позиционируются как имеющие коэффициент мощности выше 0,95, тогда как на самом деле их реальный коэффициент мощности находится в пределах от 0,5 до 0,75. Значение 0,95 основано на косинусе угла между напряжением и током и не учитывает провалы в форме тока, которые также приводят к увеличению потерь.

Для работы индуктивной нагрузки необходимо магнитное поле, для создания которого требуется ток, отстающий по фазе от напряжения. Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это процесс компенсации отставания тока путём генерации опережающего тока при подключении конденсаторов к системе электроснабжения. При этом величина подключаемой ёмкости выбирается таким образом, чтобы коэффициент мощности был максимально возможно близким к единице.

Подробнее о коэффициенте мощности

Представим себе однофазный асинхронный двигатель. Если он является чисто резистивной нагрузкой для источника, ток будет в фазе с напряжением. Но так не бывает. Двигатель имеет магнитную систему, и ток намагничивания находится не в фазе с напряжением. Ток намагничивания – это ток, который определяет магнитный поток в сердечнике. Будучи не в фазе с напряжением, он заставляет поворачиваться вал двигателя. Ток намагничивания не зависит от нагрузки двигателя, его величина обычно находится в пределах от 20 до 60% от номинального тока двигателя при полной нагрузке, и он не вносит вклад в выполнение двигателем полезной работы.

Рассмотрим двигатель с током потребления 10 А и коэффициентом мощности 0,75. В этом случае полезный ток равен 7,5 А. Полезная мощность двигателя равна 230 х 7,5 = 1,725 кВт, однако общая потребляемая мощность составляет 230 х 10 = 2,3 кВт. Без коррекции коэффициента мощности для получения требуемой мощности 1,725 кВт (7,5 А) должна подаваться мощность 2,3 кВА (10 А). То есть потребляется ток 10 А, но полезную работу выполняют только 7,5 А.

Коэффициент мощности можно определить двумя способами:

коэффициент мощности равен частному активной мощности (кВт) и полной мощности (кВА).
коэффициент мощности равен косинусу угла между активной мощностью и полной мощностью (cosφ).

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это название технологии, которая используется с начала 20 века для восстановления значения коэффициента мощности до значения, как можно более близкого к единице. Это обычно достигается подключением к сети конденсаторов, которые компенсируют потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками и таким образом снижают нагрузку на источник. При этом не должно быть никакого влияния на работу оборудования.

Обычно для уменьшения потерь в системе распределения и снижения расходов на электроэнергию производится компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов, которые подключаются к сети для максимально возможной компенсации тока намагничивания. Через конденсаторы, содержащиеся в большинстве устройств компенсации реактивной мощности, проходит ток, который опережает по фазе напряжение, обеспечивая таким образом опережающий коэффициент мощности. Если конденсаторы подключаются к цепи, которая работает при отстающем коэффициенте мощности, это отставание соответственно уменьшается.

Обычно значение скорректированного коэффициента мощности находится в пределах от 0,92 до 0,95. Некоторые распределительные энергокомпании поощряют работу при коэффициенте мощности, к примеру, больше 0,9, а некоторые штрафуют потребителей за низкий коэффициент мощности. Имеется много методов достижения данной цели, суть которой сводится к тому, что для снижения потерь энергии в системе распределения потребителю рекомендуется применять коррекцию коэффициента мощности. В настоящее время большинство сетевых компаний штрафуют потребителей при коэффициенте мощности ниже 0,95 или 0,9.

Необходимость повышения коэффициента мощности

При должным образом выполненной коррекции коэффициента мощности достигаются следующие преимущества:

экологические: снижение потребления электроэнергии за счёт повышения эффективности её использования. Снижение потребления приводит к уменьшению выбросов парниковых газов и замедлению истощения ресурсов ископаемого топлива для электростанций;
уменьшение расходов на электроэнергию;
возможность получения большей мощности от имеющегося источника;
снижение тепловых потерь в трансформаторах и оборудовании распределения;
уменьшение падения напряжения в длинных кабелях;
увеличение срока службы оборудования в связи со снижением электрической нагрузки на кабели и другие электрические компоненты.

Читайте так же:

Испытание теплового расцепителя автоматического выключателя

Методы улучшения коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) достигается установкой конденсаторов параллельно двигателю или схеме освещения, которые могут устанавливаться на оборудовании, распределительном щите или на вводе в электроустановку.

Статическая компенсация реактивной мощности может быть достигнута для каждого отдельного двигателя при подключении компенсирующих конденсаторов к пускателю двигателя. При этом при изменении нагрузки двигателя может наблюдаться недо- или перекомпенсация. Статическая компенсация реактивной мощности не должна применяться на выходе регулируемого привода, электронного устройства плавного пуска или преобразователя, так как конденсаторы могут стать причиной выхода из строя электронных компонентов.

При правильно рассчитанной компенсации реактивной мощности не должно быть перекомпенсации. Обычно компенсация реактивной мощности отдельного двигателя рассчитывается исходя из реактивной (намагничивающей) мощности, так как она сравнительно постоянна в отличие от активной мощности, это позволит избежать перекомпенсации.

При применении управления компенсацией реактивной мощности в схеме звезда/треугольник необходимо обратить внимание на то, чтобы конденсаторы не работали в режиме частого подключения и отключения. Обычно устройство компенсации подключается к сети или цепям контактора переключения на треугольник. Устройство компенсации реактивной мощности, подключаемое на вводе электроустановки, состоит из контроллера, измеряющего реактивную мощность и коммутирующего конденсаторы для поддержания значения коэффициента мощности выше заданного значения (обычно 0,95). При применении общей компенсации реактивной мощности другие нагрузки теоретически могут устанавливаться в любом месте сети.

Полезная мощность

При подключении электроприборов к электросети обычно имеет значение только мощность и КПД самого электроприбора. Но при использовании источника тока в замкнутой цепи важна полезная мощность, которую он выдаёт. В качестве источника могут применяться генератор, аккумулятор, батарея или элементы солнечной электростанции. Для расчётов это принципиального значения не имеет.

Замкнутая электрическая цепь

Параметры источника питания

При подключении электроприборов к электропитанию и создании замкнутой цепи, кроме энергии Р, потребляемой нагрузкой, учитываются следующие параметры:

Роб. (полная мощность источника тока), выделяемая на всех участках цепи;
ЭДС – напряжение, вырабатываемое элементом питания;
Р (полезная мощность), потребляемая всеми участками сети, кроме источника тока;
Ро (мощность потерь), потраченная внутри батареи или генератора;
внутреннее сопротивление элемента питания;
КПД источника электропитания.

Внимание! Не следует путать КПД источника и нагрузки. При высоком коэффициенте батареи в электроприборе он может быть низким из-за потерь в проводах или самом устройстве, а также наоборот.

Об этом подробнее.

Полная энергия цепи

При прохождении электрического тока по цепи выделяется тепло, или совершается другая работа. Аккумулятор или генератор не являются исключением. Энергия, выделенная на всех элементах, включая провода, называется полной. Она рассчитывается по формуле Роб.=Ро.+Рпол., где:

Роб. – полная мощность;
Ро. – внутренние потери;
Рпол. – полезная мощность.

Полная и полезная мощность

Внимание! Понятие о полной мощности используется не только в расчётах полной цепи, но также в расчетах электродвигателей и других устройств, потребляющих вместе с активной реактивную энергию.

ЭДС и напряжение

ЭДС, или электродвижущая сила, – напряжение, вырабатываемое источником. Измерить его можно только в режиме Х.Х. (холостого хода). При подключении нагрузки и появлении тока от значения ЭДС вычитается Uо. – потери напряжения внутри питающего устройства.

ЭДС и напряжение

Полезная мощность

Полезной называют энергию, выделенную во всей цепи, кроме питающего устройства. Она высчитывается по формуле:

«U» – напряжение на клеммах,
«I» – ток в цепи.

В ситуации, при которой сопротивление нагрузки равно сопротивлению источника тока, она максимальна и равна 50% полной.

При уменьшении сопротивления нагрузки ток в цепи растёт вместе с внутренними потерями, а напряжение продолжает падать, и при достижении нуля ток будет максимальным и ограниченным только Rо. Это режим К.З. – короткого замыкания. При этом энергия потерь равна полной.

При росте сопротивления нагрузки ток и внутренние потери падают, а напряжение растёт. При достижении бесконечно большой величины (разрыве сети) и I=0 напряжение будет равно ЭДС. Это режим Х..Х. – холостого хода.

Потери внутри источника питания

Аккумуляторы, генераторы и другие устройства имеют внутреннее сопротивление. При протекании через них тока выделяется энергия потерь. Она рассчитывается по формуле:

где «Uо» – падение напряжения внутри прибора или разница между ЭДС и выходным напряжением.

Внутреннее сопротивление источника питания

Для расчёта потерь Ро. необходимо знать внутреннее сопротивление устройства. Это сопротивление обмоток генератора, электролита в аккумуляторе или по другим причинам. Замерить его мультиметром не всегда возможно. Приходится пользоваться косвенными методами:

при включении прибора в режиме холостого хода замеряется Е (ЭДС);
при подключенной нагрузке определяются Uвых. (выходное напряжение) и ток I;
рассчитывается падение напряжения внутри устройства:

вычисляется внутреннее сопротивление:

Полезная энергия Р и КПД

В зависимости от конкретных задач, необходима максимальная полезная мощность Р или максимум КПД. Условия для этого не совпадают:

Р максимальна при R=Ro, при этом КПД = 50%;
КПД 100% в режиме Х.Х., при этом Р=0.

Мощность Р и КПД

Получение максимальной энергии на выходе питающего устройства

Максимум Р достигается при условии равенства сопротивлений R (нагрузки) и Ro (источника электроэнергии). В этом случае КПД = 50%. Это режим «согласованной нагрузки».

Кроме него возможны два варианта:

Сопротивление R падает, ток в цепи увеличивается, при этом растут потери напряжения Uo и Ро внутри устройства. В режиме К.З. (короткого замыкания) сопротивление нагрузки равно «0», I и Ро максимальны, а КПД также 0%. Этот режим опасен для аккумуляторов и генераторов, поэтому не используется. Исключение составляют практически вышедшие из употребления сварочные генераторы и автомобильные аккумуляторы, которые при запуске двигателя и включении стартёра работают в режиме, близком к «К.З.»;
Сопротивление нагрузки больше внутреннего. В этом случае ток и мощность нагрузки Р падают, и при бесконечно большом сопротивлении они равны «0». Это режим Х.Х. (холостого хода). Внутренние потери в режиме, близком к Х.Х., очень малы, и КПД близок к 100%.

Читайте так же:

Расчет тепловыделения автоматических выключателей

Следовательно, «Р» максимальна при равенстве внутреннего и внешнего сопротивлений и минимальна в остальных случаях за счёт высоких внутренних потерь при К.З и малого тока в режиме Х.Х.

Режим максимальной полезной мощности при эффективности 50% применяется в электронике при слабых токах. Например, в телефонном аппарате Рвых. микрофона – 2 милливатта, и важно максимально передать её в сеть, жертвуя при этом КПД.

Достижение максимального КПД

Максимальная эффективность достигается в режиме Х.Х. за счёт отсутствия потерь мощности внутри источника напряжения Ро. При росте тока нагрузки КПД линейно уменьшается и в режиме К.З. равен «0». Режим максимальной эффективности используется в генераторах электростанций, где согласованная нагрузка, максимальная полезная Ро и КПД 50% неприменимы из-за больших потерь, составляющих половину всей энергии.

Коэффициент полезного действия нагрузки

Эффективность электроприборов не зависит от батареи и никогда не достигает 100%. Исключение составляют кондиционеры и холодильники, работающие по принципу теплового насоса: охлаждение одного радиатора происходит за счёт нагрева другого. Если не учесть этот момент, то КПД получается выше 100%.

Энергия расходуется не только на выполнение полезной работы, но и на нагрев проводов, трение и другие виды потерь. В светильниках, кроме КПД самой лампы, следует обратить внимание на конструкцию отражателя, в нагревателях воздуха – на эффективность нагрева помещения, а в электродвигателях – на cos φ.

Знание полезной мощности элемента электропитания необходимо для выполнения расчётов. Без этого невозможно достичь максимальной эффективности работы всей системы.

Видео

Мощность в цепи переменного тока и коэффициент мощности (косинус φ)

В профессиональном лексиконе электрика наиболее популярны слова: фаза, ток, напряжение и словосочетание «косинус-фи». Этот «косинус-фи» всегда головная боль заводского энергетика. Попробуем популярно объяснить причину такого уважения электриков к тригонометрической функции cos φ. «Косинус-фи» в электроэнергетике еще называют коэффициентом мощности.
Коэффициент мощности характеризует потребителя электрической энергии с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей, при которой переменный ток и напряжение не совпадают по фазе. Коэффициент мощности показывает, насколько переменный ток в нагрузке сдвигается по фазе относительно напряжения на ней (отстает или опережает). Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига. В электроэнергетике для коэффициента мощности принято обозначение cos φ (где φ — угол сдвига по фазе между током и напряжением). При наличии в нагрузке реактивной составляющей наряду со значением коэффициента мощности часто указывают и характер нагрузки: активно-ёмкостная или активно-индуктивная. Тогда коэффициент мощности называют соответственно опережающим или отстающим.

Мощность в цепи переменного тока

Для начала следует подробно рассмотреть вопрос электрической мощности. В электрической цепи постоянного тока все просто и достаточно понятно. В такой цепи зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение:

В цепи переменного тока формулы для расчета мощности и само понятие мощности несколько сложнее. В общем случае в электрической цепи синусоидального переменного тока изменение напряжения и тока во времени не совпадают. Или другими словами напряжение и ток не совпадают по фазе. Ток отстает по фазе от напряжения при индуктивной нагрузке, и опережает напряжение при емкостной нагрузке. Только в частном случае, когда нагрузка чисто активная, ток и напряжение совпадает по фазе. В сети переменного тока различают полную, активную и реактивную мощность. Отметим, что само понятие реактивной мощности актуально только для электротехнических устройств переменного тока. Оно никогда не применяется к потребителям постоянного тока в силу малости (мизерности) соответствующих эффектов, проявляющихся кратковременно только при переходных процессах (включении/выключении, регулирование, изменение нагрузки).
Полная мощность в цепи переменного тока (для однофазной нагрузки) равна произведению действующего значения тока на действующее значение напряжения (измеряется в ВА , кВА – вольт-амперах, кило вольт-амперах)
.
Полная мощность представляет практический интерес, как величина, определяющая фактические электрические нагрузки на обмотки, провода, кабели, аппаратуру распределительных щитов, силовые трансформаторы, линии электропередач. Собственно поэтому номинальная мощность генераторов и трансформаторов, нагрузки аппаратов распределительных щитов и пропускная способность линий электропередач указывается в вольт-амперах, а не в ваттах.
Полная мощность состоит из двух составляющих – активной Р, и реактивной Q мощности. Активная мощность это та часть электрической энергии выработанной генератором, которая безвозвратно преобразуется в тепловую (лампы накаливания, электроплиты, электропечи сопротивления, потери в трансформаторах и линиях электропередачи) или в механическую (электрические двигатели) энергию. Активная мощность измеряется в Вт, кВт (ватт, киловатт). Активную мощность можно определить по следующей формуле (для однофазной нагрузки):

Вот здесь и появляется знаменитый cos φ
.
Если ток совпадает по фазе с приложенным напряжением то угол φ = 0, и соответственно cos φ =1. Для электрической сети это оптимальный вариант. В этом случае полная мощность равна активной мощности и вся электрическая энергия в нагрузке превращается в другие виды энергии. Например, в электрочайнике – в тепловую энергию.
Чаще потребители электрической энергии имеют обмотки и магнитопроводы (электрические двигатели, трансформаторы, дроссели газорязрядных ламп, пускатели и реле) необходимые для их нормальной работы. В общем случае такая нагрузка называется индуктивной. При чисто индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на угол φ = 90О , при котором cos φ = 0 и активная мощность также P = 0. Для характеристики таких потребителей в электротехнике введено понятие реактивной мощности:
.
Реактивная мощность измеряется в Вар, кВАр (вольт-амперах реактивных, кило вольт-амперах реактивных). Кстати, реактивную мощность можно измерить с помощью счетчика реактивной энергии, также как и активную счетчиком активной энергии.
Названа мощность реактивной совсем не по аналогии с «ракетой». Мы помним, что в физике термин «реактивный» обычно употребляется как связанный с возникновением движения под действием силы отдачи струи пара, газа и т. п., вытекающей с большой скоростью в противоположную силе отдачи сторону. В электротехнике это элемент электрической цепи, обладающий индуктивностью и/или электрической ёмкостью, и термин реактивный употребляется для характеристики элемента электрической цепи, обладающего этими свойствами.
Источниками реактивной мощности в сети переменного тока являются катушки индуктивности и конденсаторы. Физически реактивная мощность, это мощность, которая накапливается в электрических и магнитных полях. При наличии в сети индуктивности и, например, статического конденсатора электромагнитная энергия в один полупериод изменения тока накапливается в электромагнитном поле катушки индуктивности, в следующий полупериод возвращается конденсатору, где накапливается в его электрическом поле, а затем возвращается обратно к индуктивности. Следует понимать, что реактивная мощность не расходуется на выполнение работы электротехнического устройства (нагрев, выполнение механической работы) но она необходима для его нормальной работы. Так в трансформаторе электрическая энергия передается с первичной обмотки во вторичную цепь посредством электромагнитного поля, для создания которого и необходима реактивная мощность. Преобразование электрической энергии в асинхронном электродвигателе осуществляется с помощь того же электромагнитного поля, и снова для его создания также требуется источник реактивной мощности. На генерацию активной мощности расходуются первичные энергоресурсы – газ, мазут, уголь, энергия ветра или падающей воды. Поскольку каждые полпериода переменного тока накопленная в магнитном поле реактивная энергия отдается обратно в источник (синхронный генератор, конденсатор) то в идеале на генерацию реактивной мощности не требуется расход первичного энергоносителя. Однако при более глубоком рассмотрении оказывается, что реактивная энергия не такая уж безобидная. На генерацию реактивной мощности все- таки требуется расходовать некоторое количество первичного энергоносителя для покрытия механических и электрических потерь в генераторах, диэлектрических потерь в конденсаторах. Кроме того при передаче реактивной энергии в линиях и трансформаторах возникают потери на нагрев. Еще одна неприятность состоит в том, что генерация и передача реактивной энергии требует увеличения установленной мощности генераторов, увеличения сечения проводов и мощности трансформаторов, т. е. связана с большими экономическими затратами.
В энергетической системе источниками реактивной мощности могут быть синхронные генераторы, синхронные компенсаторы, перевозбужденные синхронные двигатели и конденсаторы. Решение о способе компенсации реактивной мощности всегда необходимо принимать на основе технико–экономического анализа.
Большинство потребителей электрической энергии имеют обмотки на магнитопроводах, т.е. представляют собой индуктивность. Чисто условно принято говорить, что они потребляют положительную реактивную мощность. Реактивная мощность статических конденсаторов отрицательна и принято говорить, что они генерируют реактивную мощность. Синхронные генераторы в зависимости от величины тока возбуждения могут, как производить, так и потреблять реактивную мощность. Т.е. ведут себя относительно электрической сети как емкость или как индуктивность. То же можно сказать и о синхронных двигателях и синхронных компенсаторах. Впрочем, есть класс синхронных машин – реактивные машины, которые такой способностью не обладают.
Численное значение коэффициента мощности электроустановок переменного тока может находится в диапазоне от 0,05-0,1 для трансформаторов в режиме холостого хода до 1,0 для нагревательных электроприборов и ламп накаливания. Коэффициент мощности асинхронных электродвигателей при номинальной нагрузке может быть 0,7 – 0,9 и зависит от номинальной мощности, конструктивного исполнения, а также числа полюсов. Маломощные и тихоходные (многополюсные) двигатели отличаются пониженным значением cos φ . С уменьшением загрузки двигателей и трансформаторов их cos φ также значительно уменьшается.

Читайте так же:

Тепловой выключатель максимального тока

Измерение коэффициента мощности
Для прямого измерения cos φ и фазы применяются специальные электроизмерительные приборы — фазометры.

При отсутствии таких приборов коэффициент мощности можно определить косвенным методом по показаниям трех приборов :амперметра, вольтметра и ваттметра. Тогда в однофазной цепи
cos φ = P / (U х I),
где Р, U, I — показания ваттметра, вольтметра и амперметра, соответственно.
В симметричной трехфазной цепи
cos φ = Pw / (√3 х Uл х Iл);
где Pw – активная мощность трехфазной системы,
Uл, Iл – соответственно линейные напряжение и ток.
В симметричной трехфазной цепи значение коэффициента мощности можно определить также по показаниям двух ваттметров Pw1 и Pw2 по формуле

Коэффициент мощности величина не постоянная, он зависит от характера и величины нагрузки. Для асинхронного двигателя изменение нагрузки от нуля до номинальной приводит к изменению cos φ от 0,1 на холостом ходу до 0,86 — 0,87 при номинальной нагрузке. Для практических целей расчета мощности компенсирующих устройств в электрических сетях используют средневзвешенный коэффициент мощности за некоторый интервал времени — сутки или месяц. Для этого за рассматриваемый период снимают показания счетчиков активной и реактивной энергии Wa и Wр и расчитывают средневзвешенный коэффициент мощности по формуле

Компенсация реактивной мощности
Для уменьшения потерь, устранения перегрузок трансформаторов и линий электропередач прибегают к искусственному повышению коэффициента мощности электрических установок путем компенсации реактивной мощности непосредственно у потребителей с помощью батарей статических конденсаторов.

Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая передачу электрической энергии между генератором Г и потребителем Д, потребляющим активную и реактивную энергию. а) — при отсутствии компенсатора, б) — при наличии его (батарея статических конденсаторов С) . Синим цветом показано поток активной энергии, красным – реактивной.

Читайте так же:

Количество теплоты при изменении силы тока

Общее определение мощности

Определение и формула полезной мощности

Стоит рассмотреть понятие полезной мощности и формулу на примере электрической цепи. Та мощность, которую источник питания (ИП), в частности, тока, развивает в замкнутой цепи, будет полной мощностью.

Схема цепи

Цепь включает в себя: источник тока, имеющий ЭДС (E), внешнюю цепь с нагрузкой R и внутреннюю цепь ИП, сопротивление которого R0. Формула полной (общей) мощности равна:

Здесь I – это значение тока, проходящего по цепи (А), а E – величина ЭДС (В).

Внимание! Падение напряжения на каждом из участков будет равно U и U0, соответственно.

Значит, формула примет вид:

Pобщ = E*I = (U + U0) *I = U*I + U0*I.

Видно, что значение произведения U*I равняется мощности, отдаваемой источником на нагрузке, и соответствует полезной мощности Pпол.

Величина, равная произведению U0*I, соответствует мощности, которая теряется внутри ИП на нагрев и преодоление внутреннего сопротивления R0. Это мощность потерь P0.

Подставляемые в формулу значения показывают, что сумма полезной и потерянной мощностей составляют общую мощность ИП:

Важно! При работе любого аппарата (механического или электрического) полезной мощностью будет та, которая останется для совершения нужной работы после преодоления факторов, вызывающих потери (нагрев, трение, противодействующие силы).

Параметры источника питания

Мощность электрического тока

На практике часто приходится думать, какой должна быть мощность источника тока, сколько нужно ватт (вт) или киловатт (квт) для обеспечения бесперебойной работы устройства. Для понимания сути нужно иметь представления о таких понятиях, применяемых в физике, как:

полная энергия цепи;
ЭДС и напряжение;
внутреннее сопротивление источника питания;
потери внутри ИП;
полезная мощность.

Независимо от того, какую энергию выдаёт источник (механическую, электрическую, тепловую), мощность его должна подбираться с небольшим запасом (5-10%).

Полная энергия цепи

При включении в цепь нагрузки, которая будет потреблять энергию от источника тока (ИТ), ток будет совершать работу. Энергия, выделяемая на всех включенных в цепь потребителях и элементах цепи (провода, электронные компоненты т.д.), носит название полной. Источник энергии может быть любой: генератор, аккумулятор, тепловой котёл. Цифра значения полной энергии будет складываться из энергии, затрачиваемой источником на потери, и количества, затрачиваемого на выполнение конкретной работы.

ЭДС и напряжение

В чём разница между этими двумя понятиями?

ЭДС – электродвижущая сила, это напряжение, которое сторонние силы (химическая реакция, электромагнитная индукция) создают внутри источника тока (ИТ). ЭДС – это сила перемещения электрических зарядов в ИТ.

ЭДС определение

К сведению. Измерить значение E (ЭДС) представляется возможным только в режиме холостого хода (х.х.). Подключение любой нагрузки вызывает потерю напряжения внутри ИП.

Напряжение (U) – физическая величина, представляющая собой разность потенциалов ϕ1 и ϕ2 на выходе источника напряжения (ИН).

Разность потенциалов

Полезная мощность

Определение понятия полной мощности применяют не только в отношении электрических цепей. Оно применимо и по отношению к электродвигателям, трансформаторам и прочим устройствам, способным потреблять, как активную, так и реактивную составляющую энергии.

Потери внутри источника питания

Подобные потери происходят на внутреннем сопротивлении двухполюсника. У аккумулятора это сопротивление электролита, у генератора – обмоточное сопротивление, провода выводов которого выходят из корпуса.

Внутреннее сопротивление источника питания

Взять и просто измерить R0 тестером не получится, узнать его обязательно нужно для вычисления потерь Р0. Поэтому применяют косвенные методы.

Косвенный метод определения R0 заключается в следующем:

в режиме х.х. замеряют E (В);
при включенной нагрузке Rн (Ом) измеряют Uвых (В) и ток I (А);
падение напряжения внутри источника считают по формуле:

На последнем этапе находят R0=U0/I.

Схема для измерения R0

Что такое КПД источника тока

Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.

Взаимосвязь полезной мощности и КПД

Коэффициент полезного действия (КПД) – величина безразмерная, численно выражается в процентах. КПД обозначают буквой η.

кВа в кВт — как правильно перевести мощность

Формула имеет вид:

где:

А – полезная работа (энергия);
Q – затраченная энергия.

По мере увеличения КПД в различных двигателях допустимо выстроить следующую линейку:

электродвигатель – до 98%;
ДВС – до 40%;
паровая турбина – до 30%.

Что касается мощности, КПД равен отношению полезной мощности к полной мощности, которую выдает источник. В любом случае η ≤ 1.

Важно! КПД и Pпол не одно и то же. В разных рабочих процессах добиваются максимума или одного, или другого.

Получение максимальной энергии на выходе ИП

К сведению. Чтобы увеличить КПД подъёмных кранов, нагнетательных насосов или двигателей самолётов, нужно уменьшить силы трения механизмов или сопротивления воздуха. Этого достигают применением разнообразных смазок, установкой подшипников повышенного класса (заменив скольжение качением), изменением геометрии крыла и т.д.

Максимальная энергия или мощность на выходе ИП может быть достигнута при согласовании сопротивления нагрузки Rн и внутреннего сопротивления R0 ИП. Это значит, что Rн = R0. В этом случае КПД равен 50%. Это вполне приемлемо для малоточных цепей и радиотехнических устройств.

Однако этот вариант не подходит для электрических установок. Чтобы впустую не тратились большие мощности, режим эксплуатации генераторов, выпрямителей, трансформировав и электродвигателей таков, что к.п.д. приближается к 95% и выше.

Читайте так же:

При увеличении силы тока количество теплоты уменьшается или увеличивается

График зависимости Рпол и η от тока в цепи

Достижение максимального КПД

Формула КПД источника тока имеет вид:

η = Pн/Pобщ = R/Rн+r,

где:

Pн – мощность нагрузки;
Pобщ – общая мощность;
R – полное сопротивление цепи;
Rн – сопротивление нагрузки;
r – внутреннее сопротивление ИТ.

Как видно из графика, изображённого на рис. выше, мощность Pн с уменьшением тока в цепи стремится к нулю. КПД, в свою очередь, достигнет максимального значения, когда цепь будет разомкнута, и ток равен нулю, при коротком замыкании в цепи станет равным нулю.

Если обратиться к элементарному тепловому двигателю, состоящему из поршня и цилиндра, то у него степень сжатия равна степени расширения. Повышение КПД такого мотора возможно в случае:

изначально высоких параметров: давления и температуры рабочего тела перед началом расширения;
приближения их значений к параметрам окружающей среды по окончании расширения.

Достижение ηmax доступно лишь при наиболее эффективном изменении давления рабочего компонента во вращательное движение вала.

К сведению. Термический коэффициент полезного действия повышается с повышением доли теплоты, подаваемой к рабочему телу, которая преобразуется в работу. Подаваемая теплота делится на два вида энергии: внутренняя в виде температуры и энергия давления.

Механическую работу, по сути, совершает только второй вид энергии. Это порождает целый ряд минусов тормозящих процесс повышения КПД:

некоторая часть давления уходит на внешнюю среду;
достижение максимального коэффициента полезного действия невозможно без увеличения процента использования энергии давления для преобразования в работу;
нельзя поднять КПД тепловых двигателей, не изменяя S поверхности приложения давления, и без удаления этой поверхности от точки вращения;
использование только газообразного рабочего тела не способствует повышению η тепловых двигателей.

Для достижения высокого коэффициента полезного действия теплового двигателя нужно определяться с рядом решений. Этому способствуют следующие модели устройства:

ввести в цикл расширения ещё одно рабочее тело с другими физическими свойствами;
наиболее полно перед расширением использовать оба вида энергии рабочего тела;
осуществлять генерацию добавочного рабочего тела прямо при расширении газообразного.

Информация. Все доработки двигателей внутреннего сгорания в виде: нагнетателя турбонадува, организации многократного или распределённого впрыска, а также повышения влажности воздуха, доведения топлива при впрыске до состояния пара, не дали ощутимых результатов резкого повышения КПД.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Изучение полезной мощности источника тока в зависимости от нагрузки

Приборы и принадлежности:

источник тока (постоянный), амперметр, вольтметр, реостат-потенциометр(или магазин сопротивлений), ключ.

Мощность какого-либо источника тока численно равна количеству энергии, отдаваемой источником тока в единицу времени. Если источника тока, ЭДС которого ε, а внутреннее сопротивление r, замкнуть на внешнее сопротивление R, то полное количество энергии, выделяемое им в единицу времени, т.е. полная его мощность выражается формулой:

где I – сила тока в цепи. Энергия, выделяемая во внешний участок цепи за одну секунду, которой мы можем пользоваться для практических целей, равна полезной мощности P, которая выражается формулой

где U – напряжение на зажимах источника тока при замкнутой внешней цепи. Отношение полезной мощности P ко всей развиваемой мощности P носит название коэффициента полезного действия

Полезная мощность P и коэффициент полезного действия меняется с изменением силы тока в цепи. Проведем теоретическое исследование зависимости этих величин от силы тока. По закону Ома

Первый член правой части этого равенства есть напряжение во внешней цепи U=IR. Из (4) получим:

Подставляя в (2) значение U, будем иметь

Рис. 1. Изменение мощности в зависимости от нагрузки

Анализ выражения (5) приводит нас к заключению, что при I=0 и при полезная мощность равна нулю. Первый случай соответствует разомкнутой внешней цепи, второй – короткому замыканию. Из выражения (5) следует, что зависимость полезной мощности от силы тока изображается параболой (рис.1), которая пересекается ось абсцисс в двух точках: в начале координат при I=0 и в точке, где .

Следовательно, с увеличением силы тока, полезная мощность сначала увеличивается достигая максимума, а потом начинает убывать. Чтобы найти при каком значении силы тока мощность имеет максимум, нужно от выражения (5) взять первую производную по I, учитывая, что ε и r для данного источника величины постоянные

Приравнивая правую часть к нулю, находим

Коэффициент полезного действия нагрузки

Как рассчитать потребляемую мощность

Какой бы ни была мощность источника, кпд электроприборов никогда не будет равна 100%.

Исключение. Принцип теплового насоса, применяемый в работе холодильников и кондиционеров, приближает их КПД к 100%. Там нагрев одного радиатора приводит к охлаждению другого.

В остальном случае энергия уходит на посторонние эффекты. Чтобы уменьшить этот расход, нужно обращать внимание на сопутствующие факторы:

при обустройстве освещения – на конструкцию светильников, устройство отражателей и цвет окраски помещений (отражающий или светопоглощающий);
при организации отопления – на теплоизоляцию тепловодов, установку рекуперационных вытяжных устройств, утепление стен, потолка и пола, монтаж качественных оконных стеклопакетов;
при организации электропроводки – правильно подбирать марку и сечение проводников соответственно будущей подключаемой нагрузке;
при монтаже электродвигателей, трансформаторов и других потребителей переменного тока – на значение cosϕ.

Снижение затрат на потери однозначно приводит к увеличению коэффициента полезного действия при совершении источником энергии работы на нагрузку.

Снижение влияния факторов, вызывающих потери мощности, увеличивает процент полезной мощности, необходимой для совершения работы. Это возможно при выявлении причин потерь и их устранении.

голоса

Рейтинг статьи