Меню

Активная мощность двигателя переменного тока



О компенсации реактивной мощности электродвигателей переменного тока

Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока. Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.

Компенсация реактивной мощности необходима для любых индуктивных (и емкостных) нагрузок с токами, синусоида которых смещена относительно синусоиды напряжения на углы до π радиан(или до 180°), а в основе коррекции коэффициента мощности лежит принцип компенсации реактивных токов, который наиболее легко понять на примере физических (электрических) процессов, протекающих в электродвигателях переменного тока.

Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока

Работа электродвигателя переменного тока невозможна без превентивного создания магнитных полей обмоток ротора и статора, взаимодействие между которыми заставляет вал вращаться. На создание этих полей идет ток намагничивания (MagnetizingCurrent на рис. ниже), а работу двигателя с нагрузкой обеспечивает ток нагрузки (LoadCurren на рис. ниже), которые условно можно представить, как две логические цепи (линии) ветвления подаваемого на электродвигатель тока (TotalMotorCurrent на рис. ниже).

Важно: Ветвление подаваемого тока представляет логические, а не физические связи в электродвигателе — это не физическое деление цепи, а условная логическая схема для понимания концепции реактивных и активных токов.

Если условно принять, что на холостом ходу вал двигателя вращается без каких-либо потерь энергии на трение, нагрев подвижных частей, нагрев обмотки и пр., то ток намагничивания (MagnetizingCurrent) остается постоянной величиной, зависит только от конструктивных особенностей двигателя и «опаздывает» по отношению к сетевому напряжению на π радиан или 180° — синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо.

Кроме того, ток намагничивания условно не связан с присоединяемыми к двигателю нагрузками и по сути не использует энергию – потребляемая в первой половине периода на создание магнитного поля энергия возвращается в сеть во втором полупериоде.

При подключении нагрузки (исполнительного механизма, компрессора и пр.) электродвигатель начинает потреблять из силовой сети ток нагрузки в объемах, пропорциональных силе сопротивления вращению двигателя. Причем ток нагрузки синфазен сетевому напряжению — увеличивается и уменьшается соответственно нагрузке, но в фазе с напряжением.

Поскольку синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо, то результирующая синусоида тока намагничивания и синфазного с напряжением тока нагрузки смещена относительно синусоиды напряжения на угол в пределах от 0 до 90° вправо (опаздывает).
При (условно) равных токах намагничивания и нагрузки результирующая синусоида тока двигателя смещена относительно синусоиды напряжения на 45° вправо (рис. ниже слева), при уменьшении тока нагрузки в сравнении с током намагничивания результирующая кривая тока все больше смещается к синусоиде тока намагничивания (рис. ниже справа).

Важно: Коэффициент мощности — косинус угла смещения результирующей синусоиды тока от синусоиды напряжения, а это по факту показывает для краевых условий, что при нулевом смещении (cos 0 = 1) весь получаемый двигателем ток используется для передачи энергии нагрузке (активный ток и активная мощность), а при максимальном смещении в 90° (cos90° = 0) весь получаемый двигателем ток тратится на намагничивание и не делает полезной работы (реактивный ток, реактивная мощность).

Читайте также:  Максимальная мощность энергопринимающих для дома многоквартирного

Исходя из элементарной логики понятно, что чем меньше реактивного тока будет использоваться на намагничивание и чем больше активного тока – на передачу энергии нагрузке, то тем меньше будет смещенарезультирующая синусоида тока от синусоиды напряжения, тем больше будет коэффициент мощности (косинус угла смещения) и тем эффективнее будет использоваться двигателем потребляемая энергия. Вместе с тем, мощность электродвигателя зависит от сил создаваемых обмотками магнитных полей, что наряду с сопутствующими энергетическими потерями на трение, нагрев и пр. определяет достаточно высокие токи намагничивания (реактивные токи), тем большие, чем больше мощность двигателя и несовершенней его конструкция в плане энергосбережения.

С другой стороны, потребление из силовой сети больших объемов реактивных токов, необходимых для намагничивания, но не выполняющих полезную работу, снижает долю активных токов (активной мощности) или повышает нагрузку на токоподводящие линии с соответствующими негативными последствиями – падение напряжения из-за повышения электросопротивления проводов, нагрев проводки и силовых трансформаторов и т.д. Поэтому предельно необходимыми становятся мероприятия по компенсации реактивных токов (реактивной мощности), как можно ближе к электрической нагрузке.

Важно: Деление тока на активный и реактивный или мощности на активную и реактивную чисто условно — через силовую сеть подается один переменный ток (и одна мощность), который в нагрузке используется для выполнения полезной работы или же формирования условий для работы электрооборудования (намагничивания обмоток двигателя, трансформатора, генератора и т.д.), по сути, необходимых, но приносящих косвенную пользу. Т.е. реактивная мощность (или реактивные токи) для любой индуктивной нагрузки является неизбежным «злом», без которого невозможна работа, причем «мнимая» реактивная мощность в действительности становится мнимой при технически грамотных мероприятиях по компенсации реактивной мощности (см. подробнее о компенсации реактивной мощности установками КРМ, УКРМ).

Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.

Если рассмотреть случай сети переменного напряжения с двумя токами, один из которых (А на рис. ниже) опережает напряжение на 45°, а другой (В на рис. ниже) отстает от напряжения на 45°, то в векторном выражении вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока А = 0.707 Im будет направлен вверх и вправо относительно центра координат, а вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока В= 0.707 Im будет направлен вниз и влево относительно центра координат.

Результирующий ток рассматриваемого выше электродвигателя будет складываться из тока намагничивания и тока нагрузки (действующие или среднеквадратические значения), а угол между векторами результирующей тока и тока нагрузки определяет угол смещения результирующей синусоиды токов относительно синусоиды напряжения.

По аналогии индуктивная нагрузка, потребляющая ток намагничивания с опаздыванием от напряжения на 90°, на графике будет представлена вектором, направленным вниз из центра координат, синфазные с напряжением токи нагрузки — вправо от центра координат, а опережающая напряжение по току на 90° емкостная нагрузка (CapacitiveCurrent) — вверх от центра координат.

Т.е. если в цепи электродвигателя одновременно использовать емкостную нагрузку (конденсаторы) с током, опережающим напряжение на 90°, а значит и ток намагничивания на 180° и равным по мгновенным значениям току намагничивания, то эти нагрузки будут компенсировать (или дополнять) друг друга во время работы двигателя. Т.е. в полупериод потребности обмоток в намагничивании конденсаторный блок будет отдавать ток в цепь, а при разрушении магнитного поля в следующий полупериод — аккумулировать образуемую энергию в виде накапливаемого реактивного тока.

Читайте также:  Аппарат для педикюра мощность 60 ватт

Если перейти от токов к мощности, то активная мощность RealPower (Вт, кВт, МВт) это произведение активного тока (или тока нагрузки) на напряжение, реактивная мощность ReactivePower(VAR, ВАр, кВАр, МВАр) — произведение реактивного тока (или тока намагничивания) на напряжение, полная мощностьApparentPower(вольт-ампер, ВА, кВА, МВА) — корень из суммы квадратов активной и реактивной мощностей (из теоремы Пифагора согласно векторной диаграмме), а коэффициент мощности — косинус угла между полной мощностью и активной мощностью.

Подготовлено компанией «Нюкон»

Источник

Активная мощность цепи переменного тока

Мощностные характеристики установки или сети являются основными для большинства известных электрических приборов. Активная мощность (проходящая, потребляема) характеризует часть полной мощности, которая передается за определенный период частоты переменного тока.

Определение

Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах.

Соотношение энергий

Соотношение энергий

Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами. Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:

Прибор Мощность бытовых приборов, Вт/час
Зарядное устройство 2
Люминесцентная лампа ДРЛ От 50
Акустическая система 30
Электрический чайник 1500
Стиральной машины 2500
Полуавтоматический инвертор 3500
Мойка высокого давления 3500

Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества.

Генерация активной составляющей

Генерация активной составляющей

Обозначение реактивной составляющей:

Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую.

Расчет

Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

Схема симметричной нагрузки

Схема симметричной нагрузки

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

Читайте также:  Для чего нужны преобразователи мощности

Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.

Расчет трехфазной сети

Расчет трехфазной сети

Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I .

Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

Сопротивление индуктивности: xL = ωL = 2πfL,

Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства.

При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

Диаграмма треугольников напряженийДиаграмма треугольников напряжений

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Компенсация

Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0:

Q = QL — QC = ULI – UCI

Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым.

При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит:

  1. Значительно уменьшается нагрузка силовых трансформаторов;
  2. Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;
  3. У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;
  4. На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.

В некоторых случаях специалисты используют не полноценные ИБП, а специальные компенсирующие конденсаторы. Они подходят для бытового использования, доступны и продаются в каждом электротехническом магазине. Для расчета планируемой и полученной экономии можно использовать все вышеперечисленные формулы.

Источник