Меню

Активная симметричная нагрузка номинальной мощностью



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).

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:

Читайте также:  Почему мощность литосферы больше чем мощность земной коры

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

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

Исторически сложилось так, что из всех разработанных многофазных систем переменного тока в конце XIX и начале XX века, широко применяться стали трёхфазные системы.

Изначально электротехники не понимали, как по трём проводам могут протекать 3 разных тока, так как они привыкли, что каждый ток к потребителю протекает по одному проводу и возвращается по второму. Михаил Осипович Доливо-Добровольский в своих работах показал, что в многофазной системе со сдвигом фаз, составляющим угол в 120°, в каждый момент времени алгебраическая сумма напряжений или токов равняется нулю.

В итоге трёхфазная система получила распространение, потому что обладает следующими преимуществами:

  • Наиболее экономичный способ передачи электроэнергии.
  • Возможно получить два напряжения без дополнительного преобразования.
  • Позволяет получать вращающееся магнитное поле, необходимое для работы электродвигателей.

Основные определения

Совокупность трёх отдельных электрических цепей, где действуют созданные одним источником энергии, одинаковые по частоте и амплитуде синусоидальные ЭДС, расположенные со сдвигом в 120° относительно друг друга называется трёхфазной цепью.

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

Каждую из трёх действующих ЭДС, обычно называют просто «фаза». Проводник или обмотка, в которых действует ЭДС, также называется «фазой». Условимся, что первую фазу будем считать фазой «А», вторую — фазой «В», третью — фазой «С». Каждая из фаз в электроустановках обозначается своим цветом, так фаза «А» — обозначается жёлтым, фаза «В» — зелёным, фаза «С» — красным цветом.

При симметричной нагрузке в трёхфазной системе полные значения сопротивлений нагрузки по фазам ZA, ZB, ZC равны.

Читайте также:  Лампа светодиодная asd led t8rg мощностью 10вт напряжение 220в цоколь g13

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

Полное сопротивление — это сумма активного (R) и реактивного (X) сопротивлений. Реактивное сопротивление, в свою очередь, состоит из индуктивного (XL) и емкостного (XС) сопротивлений.

Формула для определения полного сопротивления:

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

Формула для определения реактивного сопротивления:

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

Итак, когда нагрузка в трёхфазной цепи симметричная, значения токов и напряжений во всех фазах сдвинуты на одинаковый угол 120° относительно друг друга.

При несимметричной нагрузке полные значения сопротивления фаз потребителей не равны между собой.

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

Соответственно, в этом случае действующие значения токов и напряжений во всех фазах не будут равны между собой и угол сдвига фаз будет отличаться от угла в 120°.

Какая нагрузка преобладает в электросети

Раньше среди потребителей значительную часть нагрузки составляла активная, то есть лампы накаливания, различные электронагревательные приборы. В последние десятилетия возросла доля индуктивной нагрузки (электродвигатели в различной бытовой технике) и емкостной (конденсаторные батареи, пусковые конденсаторы электродвигателей, импульсные источники питания без ККМ и т.п.).

При активной нагрузке ток и напряжение совпадают по фазе и мощность, передаваемая генератором, расходуется на совершение работы. Но так как на самом деле нагрузка в электросети смешанная, то есть имеет активный и реактивный характер, уменьшается величина активной мощности, которая расходуется на совершение работы и увеличивается количество реактивной энергии.

Для обеспечения симметричной нагрузки важен и характер её распределения. При подключении трёхфазных приборов к бытовой электросети, как правило, нагрузка распределяется равномерно. В этом случае можно утверждать, что нагрузка симметричная.

Но в реальности больше однофазных потребителей, ведь в большинстве случаев в частных домах и квартирах ввод однофазный, а все электросети при этом трёхфазные. Даже при тщательном распределении домов и квартир по фазам, нагрузка будет несимметричной , так как почти никогда потребители на каждой из фаз не потребляют одинаковую мощность.

Схемы работы сети

Существует два основных способа соединения обмоток генератора (или питающего трансформатора) и потребителей электрической энергии в симметричных трёхфазных системах: звезда и треугольник.

Возможно соединение генератора и потребителей как с применением нулевого провода, так и без него. Если обмотки генератора и потребителя соединяются в звезду с нулевым проводом, то электроэнергия передаётся по 4-х проводной линии.

Схема соединения и источника и потребителя звездой с нулевым проводом

Схему соединения нагрузки и источника треугольником вы видите ниже, в этом случае электроэнергия передаётся по 3-х проводной линии.

Схема соединения и источника и потребителя треугольником

Напряжение между двумя фазными проводами, будет называться линейным напряжением, а напряжения между началом и концом фаз генератора или приёмника называются фазными (Uф), другими словами, это напряжение между фазным и нулевым проводом.

При соединении звездой питающего трансформатора или нагрузки фазные и линейные напряжения связаны друг с другом и соотносятся таким образом:

То есть значение линейного напряжения в такой схеме в √3 или в 1,73 раза больше фазных.

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

К примеру, если линейное напряжение равняется 380 В, фазное напряжение будет равно 220 В. Это позволяет подключать потребителей, с рабочим напряжением и 220 и 380 В к одной 4-х проводной линии электропередач.

Дополнительных трансформаторов не требуется — к трём фазным проводам без нулевого подключаются трёхфазные потребители, напряжением 380 В, а к фазному и нулевому проводу подключаются однофазные потребители, которым требуется напряжение 220 В.

При соединении звездой, когда нагрузка симметричная, линейные напряжения (Uл) равны (Uab=Ubc=Uac) и имеют сдвиг по фазе относительно друг друга на угол в 120° как и фазные.

Соединение генератора (или питающего трансформатора) и приёмника треугольником позволяет создавать линии электропередачи (ЛЭП) без нулевого провода. Такие ЛЭП могут иметь напряжение 6 000 В, 10 000 В и называются линиями с изолированной нейтралью. В таких ЛЭП соединение обмоток трансформаторов выполнено треугольником.

Читайте также:  Минимальный расход газа мощностью 100

При таком способе соединения фазное напряжение равно линейному:

При соединении треугольником, при симметричной нагрузке, фазные токи в разных фазах будут одинаковы, а линейные токи будут в √3 раз больше фазных. В схеме соединения звездой фазный и линейный токи одинаковы. Подробнее об этом вы можете почитать здесь .

Разница в линейных и фазных токах и напряжениях при соединении обмоток звездой и треугольником (на пример электродвигателя)

На что это влияет

Как мы отмечали выше, в реальной трёхфазной электросети нагрузка несимметричная. При этом обмотки питающего трансформатора соединяются звездой. Однофазные потребители также соединены по схеме звезды — к каждому приходит «своя» фаза, и все подключаются к одному и тому же нулевому проводу.

Соответственно нагрузка будет несимметричной. Чтобы уровнять нагрузки, потребителей распределяют по фазам равномерно. То есть если какая-то из фаз оказывается перегруженной, то отдельных потребителей переводят на менее нагруженную фазу.

Если бы мы питались от трёхпроводной сети без нулевого провода, то при неравномерной загрузке фаз, у соседей, проживающих в домах, подключённых к одной линии, было бы пониженное или повышенное напряжение. Из-за этого может выйти из строя бытовая техника и повредиться электропроводка.

Рассмотрим, что происходит в электросети при несимметричной нагрузке без нулевого провода, например, при его обрыве.

Схема звезда-звезда без нулевого провода

При наличии нулевого провода, напряжение между нейтралью генератора и потребителя (UnN) будет равно:

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

где, U – комплексные напряжения, Y – комплексные проводимости нагрузок каждой из фаз.

При достаточно низком сопротивлении нейтрали её проводимость будет стремиться к бесконечности, поэтому напряжение нейтрали у потребителя будет стремиться к нулю. Сумма фазных напряжений при симметричной нагрузке будет равняться нулю и ток на нулевом проводнике, тоже равен нулю.

При отсутствии нулевого провода или при его обрыве, его сопротивление будет стремиться к бесконечности, а проводимость будет равной нулю.

Напряжение смещения нейтрали у потребителя при отсутствии нулевого провода может изменяться в широких пределах, а его расчёт выполняется по формуле:

Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

В этом случае искажения фазных напряжений будут наибольшими.

Векторная диаграмма напряжений в трёхфазной сети без нулевого проводника с симметричной (а) и несимметричной нагрузками (б). Отрезки O’-A, O’-B и O’-C — фазные напряжения. Чтобы увидеть разницу напряжений при несимметричной нагрузке сравните длины этих отрезков на диаграмме а и б.

Так как при симметричной нагрузке напряжение нейтрали близко к нулю и все фазные напряжения равны, то нулевой провод не нужен. Когда изменяются сопротивления фаз, то напряжение смещения нейтрали может достигать высоких значений.

Фазные напряжения приёмника будут существенно изменяться, и точка нейтрали на векторной диаграмме может сдвигаться, что наглядно иллюстрирует следующая анимация.

Фазные напряжения при несимметричной нагрузке без нулевого провода

Такие изменения значений фазных напряжений называются перекосом фаз, он происходит при отгорании нуля между потребителем и питающей подстанцией. Поэтому при проектировании сети нулевой провод не защищается установкой плавкой вставки предохранителя или установкой автоматических выключателей.

Подведём итог

Нейтральный провод нужен как для выравнивания фазных напряжений при несимметричной нагрузке, так и для подключения однофазных приёмников, имеющих напряжение 220 В к трёхфазной сети, напряжением 380 В.

При несимметричной нагрузке по нулевому проводу начинает проходить уравнивающий ток. Соответственно, если прикоснуться к оборванному нулевому проводу, можно получить поражение электрическим током.

На воздушных линиях электропередач также устраиваются повторные заземления нулевого провода — на опорах, через определённое расстояние создаётся соединение нулевого провода с землёй. Это позволяет не допустить повреждение оборудования потребителей при обрыве нулевого провода или при плохом контакте на нулевом выводе силового трансформатора.

Источник