Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 марта 2021 года; проверки требуют 7 правок.
Синусоидальное напряжение (красная линия) и ток (зелёная линия) синфазны, то есть, угол фазового сдвига φ=0° (cosφ=1) — нагрузка полностью активная, нет реактивной составляющей. Мгновенная мощность (синяя линия) и активная мощность (голубая линия) рассчитаны с коэффициентом мощности, равным 1. Как видно, синяя линия (график мгновенной мощности) находится полностью над осью абсцисс (в положительной полуплоскости), вся подводимая энергия преобразуется в работу: переходит в активную мощность, потребляемую нагрузкой.
Синусоидальное напряжение (красная линия) и ток (зелёная линия) имеют фазовый сдвиг φ в 90° (cosφ=0) — нагрузка полностью реактивная, нет активной составляющей. Мгновенная мощность (синяя линия) и активная мощность (голубая линия) рассчитаны с коэффициентом мощности, равным 0. Расположение синей линии (графика мгновенной мощности) на оси абсцисс показывает, что в течение первой четверти цикла вся подводимая мощность временно сохраняется в нагрузке, а во второй четверти цикла возвращается в сеть, и так далее, то есть никакой активной мощности не потребляется, полезной работы в нагрузке не совершается.
Синусоидальное напряжение (красная линия) и ток (зелёная линия) имеют фазовый сдвиг φ в 45° (cosφ=0,71) — нагрузка имеет и активную, и реактивную составляющие. Мгновенная мощность (синяя линия) и активная мощность (голубая линия) рассчитаны из переменного напряжения и тока с коэффициентом мощности, равным 0,71. Расположение синей линии (графика мгновенной мощности) под осью абсцисс показывает, что некоторая часть подводимой мощности всё же возвращается в сеть в течение части цикла, отмеченного φ.
Коэффицие́нт мо́щности — безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей и мощности искажения (собирательное название — неактивная мощность). Следует отличать понятие «коэффициент мощности» от понятия «косинус фи», который равен косинусу сдвига фазы переменного тока, протекающего через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения. Второе понятие используют в случае синусоидальных тока и напряжения, и только в этом случае оба понятия эквивалентны.
Определение и физический смысл[править | править код]
Коэффициент мощности равен отношению потребляемой электроприёмником активной мощности к полной мощности. Активная мощность расходуется на совершение работы. В случае синусоидальных тока и напряжения полная мощность представляет собой геометрическую сумму активной и реактивной мощностей. Иными словами, она равна корню квадратному из суммы квадратов активной и реактивной мощностей. В общем случае полную мощность можно определить как произведение действующих (среднеквадратических) значений тока и напряжения в цепи. В качестве единицы измерения полной мощности принято использовать вольт-ампер (В∙А) вместо ватта (Вт).
В электроэнергетике для коэффициента мощности приняты обозначения 
(где 
— сдвиг фаз между силой тока и напряжением) либо 
. Когда для обозначения коэффициента мощности используется , его величину обычно выражают в процентах.
Согласно неравенству Коши—Буняковского, активная мощность, равная среднему значению произведения тока и напряжения, всегда не превышает произведение соответствующих среднеквадратических значений. Поэтому коэффициент мощности принимает значения от нуля до единицы (или от 0 до 100 %).
Коэффициент мощности математически можно интерпретировать как косинус угла между векторами тока и напряжения (в общем случае бесконечномерных). Поэтому в случае синусоидальных напряжения и тока величина коэффициента мощности совпадает с косинусом угла, на который отстают соответствующие фазы.
В случае синусоидального напряжения, но несинусоидального тока, если нагрузка не имеет реактивной составляющей, коэффициент мощности равен доле мощности первой гармоники тока в полной мощности, потребляемой нагрузкой.
При наличии реактивной составляющей в нагрузке, кроме значения коэффициента мощности, иногда также указывают характер нагрузки: активно-ёмкостный или активно-индуктивный. В этом случае коэффициент мощности соответственно называют опережающим или отстающим.
Прикладной смысл[править | править код]
Можно показать, что если к источнику синусоидального напряжения (например, розетка ~230 В, 50 Гц) подключить нагрузку, в которой ток опережает или отстаёт по фазе на некоторый угол от напряжения, то на внутреннем активном сопротивлении источника выделяется повышенная мощность. На практике это означает, что при работе на нагрузку с реактивной составляющей от электростанции требуется больше отвода тепла, чем при работе на активную нагрузку; избыток передаваемой энергии выделяется в виде тепла в проводах, и в масштабах, например, предприятия потери могут быть довольно значительными.
Не следует путать коэффициент мощности и коэффициент полезного действия (КПД) нагрузки. Коэффициент мощности практически не влияет на энергопотребление самого устройства, включённого в сеть, но влияет на потери энергии в идущих к нему проводах, а также в местах выработки или преобразования энергии (например, на подстанциях). То есть счётчик электроэнергии в квартире практически не будет реагировать на коэффициент мощности устройств, поскольку оплате подлежит лишь электроэнергия, совершающая работу (активная составляющая нагрузки). В то же время от КПД непосредственно зависит потребляемая электроприбором активная мощность. Например, компактная люминесцентная («энергосберегающая») лампа потребляет примерно в 1,5 раза больше энергии, чем аналогичная по яркости светодиодная лампа. Это связано с более высоким КПД последней. Однако независимо от этого каждая из этих ламп может иметь как низкий, так и высокий коэффициент мощности, который определяется используемыми схемотехническими решениями.
Для импульсного блока питания коэффициент мощности в первом приближении равен cos(f).[1]
Математические расчёты[править | править код]
Коэффициент мощности необходимо учитывать при проектировании электросетей. Низкий коэффициент мощности ведёт к увеличению доли потерь электроэнергии в электрической сети в общих потерях. Если его снижение вызвано нелинейным, и особенно импульсным характером нагрузки, это дополнительно приводит к искажениям формы напряжения в сети. Чтобы увеличить коэффициент мощности, используют компенсирующие устройства. Неверно рассчитанный коэффициент мощности может привести к избыточному потреблению электроэнергии и снижению КПД электрооборудования, питающегося от данной сети.
Для расчётов в случае гармонических переменных 
(напряжение) и 
(сила тока) используются следующие математические формулы:
Здесь 
— активная мощность, 
— полная мощность, 
— реактивная мощность, 
— мощность искажения.
Типовые оценки качества электропотребления[править | править код]
| Значение коэффициента мощности |
Высокое | Хорошее | Удовлетворительное | Низкое | Неудовлетворительное |
|---|---|---|---|---|---|
|
|
0,95…1 | 0,8…0,95 | 0,65…0,8 | 0,5…0,65 | 0…0,5 |
|
|
95…100 % | 80…95 % | 65…80 % | 50…65 % | 0…50 % |
При одной и той же активной мощности нагрузки мощность, бесполезно рассеиваемая на проводах, обратно пропорциональна квадрату коэффициента мощности. Таким образом, чем меньше коэффициент мощности, тем ниже качество потребления электроэнергии. Для повышения качества электропотребления применяются различные способы коррекции коэффициента мощности, то есть его повышения до значения, близкого к единице.
Например, большинство старых светильников с люминесцентными лампами для зажигания и поддержания горения используют электромагнитные балласты (ЭмПРА), характеризующиеся низким значением коэффициента мощности, то есть неэффективным электропотреблением. Многие компактные люминесцентные («энергосберегающие») лампы, имеющие ЭПРА, тоже характеризуются низким коэффициентом мощности (0,5…0,65). Но аналогичные изделия известных производителей, как и большинство современных светильников, содержат схемы коррекции коэффициента мощности, и для них значение близко к 1, то есть к идеальному значению.
Несинусоидальность[править | править код]
Низкое качество потребителей электроэнергии, связанное с наличием в нагрузке мощности искажения, то есть нелинейная нагрузка (особенно при импульсном её характере), приводит к искажению синусоидальной формы питающего напряжения. Несинусоидальность — вид нелинейных искажений напряжения в электрической сети, который связан с появлением в составе напряжения гармоник с частотами, многократно превышающими основную частоту сети. Высшие гармоники напряжения оказывают отрицательное влияние на работу системы электроснабжения, вызывая дополнительные активные потери в трансформаторах, электрических машинах и сетях; повышенную аварийность в кабельных сетях.
Источниками высших гармоник тока и напряжения являются электроприёмники с нелинейными нагрузками. Например, мощные выпрямители переменного тока, применяемые в металлургической промышленности и на железнодорожном транспорте, газоразрядные лампы, импульсные источники питания и др.
Коррекция коэффициента мощности[править | править код]
Коррекция коэффициента мощности при помощи конденсаторов
Коррекция коэффициента мощности (англ. power factor correction, PFC) — процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам.
К ухудшению коэффициента мощности (изменению потребляемого тока непропорционально приложенному напряжению) приводят нерезистивные нагрузки: реактивная и нелинейная.
Реактивные нагрузки корректируются внешними реактивностями, именно для них определена величина 
.
Коррекция нелинейной нагрузки технически реализуется в виде той или иной дополнительной схемы на входе устройства.
Данная процедура необходима для равномерного использования мощности фазы и исключения перегрузки нейтрального провода трёхфазной сети. Так, коррекция коэффициента мощности рекомендуется для достаточно мощных импульсных источников питания. Компенсация обеспечивает отсутствие всплесков тока потребления на вершине синусоиды питающего напряжения, которая характерна для схем, где на входе стоит диодный мост и сглаживающий конденсатор, и, как следствие, более равномерную нагрузку на силовую линию.
Разновидности коррекции коэффициента мощности[править | править код]
- Коррекция реактивной составляющей полной мощности потребления устройства. Выполняется путём включения в цепь реактивного элемента, производящего обратное действие. Например, для компенсации действия электродвигателя переменного тока, обладающего высокой индуктивной реактивной составляющей полной мощности, параллельно цепи питания включается конденсатор. В масштабах предприятия для компенсации реактивной мощности применяются батареи конденсаторов и других компенсирующих устройств.
- Коррекция нелинейности потребления тока в течение периода колебаний питающего напряжения. Если нагрузка потребляет ток непропорционально приложенному напряжению, для повышения коэффициента мощности требуется схема пассивного (PPFC) или активного корректора коэффициента мощности (APFC). Простейшим пассивным корректором коэффициента мощности является дроссель с большой индуктивностью, включённый последовательно с питаемой нагрузкой. Дроссель выполняет сглаживание импульсного потребления нагрузки и выделение низшей, то есть основной, гармоники потребления тока, что и требуется (правда, это достигается в ущерб форме напряжения, поступающего на вход устройства). Активная коррекция коэффициента мощности ценой некоторого усложнения схемы устройства способна обеспечивать наилучшее качество коррекции, приближая коэффициент мощности к 1.
Примечания[править | править код]
- ↑ Вопросы про коэффициент мощности . Доморост. Дата обращения: 20 мая 2023.
Ссылки[править | править код]
- Как повысить коэффициент мощности без использования компенсирующих устройств
- Суднова В. В., Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников
- Несинусоидальность напряжения
- Влияние высших гармоник напряжения и тока на работу электрооборудования
- ГОСТ 13109-97
- Оптимизация работы электроприемников — эффективный способ коррекции коэффициента мощности
- PFC, Никс, 25.11.2007.
- Решения от Texas Instruments для AC/DC- и DC/DC-преобразователей, «Новости электроники», N9, 2007.
- Коррекция фактора мощности // Методика тестирования блоков питания, F-center, 24.12.2004.
- постановлением Правительства РФ от 20 июля 2011 года № 602 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения»
- ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ Таможенного союза «О требованиях к энергетической эффективности электрических энергопотребляющих устройств» (на стадии принятия)
- ОСТ 45.183-2001 Установки электропитания аппаратуры электросвязи стационарные. Общие технические требования.
Что такое коэффициент мощности, косинус фи и тангенс фи
Содержание
- 1 Виды мощности
- 2 Что такое коэффициент мощности
- 3 Выгода электрооборудования с высоким коэффициентом мощности
- 4 Как узнать коэффициент мощности
- 5 Значения коэффициента для различных случаев
- 6 Видео по теме
Одной из важнейших характеристик электрических устройств является мощность. Поэтому желательно знать, что такое коэффициент мощности и как он рассчитывается. Это поможет не только оценить эффективность использования электрической энергии, но и правильно организовать работу электроприбора.
Виды мощности
В цепи переменного электротока возникают три мощности: активная, реактивная и полная. Активную называют полезной или действующей мощностью. Это связано с тем, что она тратится на осуществление полезной работы. Обычно при этом электрическая энергия преобразуется в другие виды.
Реактивная мощность в процессе работы электроприбора не тратится, а лишь переходит из одной формы в другую. В данной мощности нуждаются устройства, принцип действия которых основывается на использовании электромагнитного поля.
Одним из примеров таких устройств может служить колебательный контур, включающий в себя индуктивность и ёмкость в предположении, что активное сопротивление деталей пренебрежимо мало. Ещё одним можно считать трансформатор. В нём ток и напряжение передаются по сердечнику с помощью колебаний электромагнитного поля.
Полную мощность можно получить векторным сложением активной и реактивной составляющих.
Что такое коэффициент мощности
Иногда бывает важно понять, какая часть мощности уходит на выполнение полезной работы. Для этого необходимо узнать активную и реактивную мощность рассматриваемого электрического прибора. Далее на их основе определяют полную.
В электротехнике для определения мощности в сети постоянного тока используется следующее соотношение:
В цепи переменного тока вычисление искомой величины производится более сложным образом. При этом следует учитывать, что изменения напряжения и тока по времени совпадать не будут. Электроток в ёмкостной нагрузке опережает напряжение, а в индуктивной, наоборот, отстает.
Поэтому при вычислении мощности принято использовать эффективные значения тока и напряжения. При этом рассматривается такая постоянная величина тока и напряжения, которая на активном сопротивлении выделит то же количество тепла, что и рассматриваемые переменные величины.
Конечно, в таких случаях можно также вычислить мгновенную мощность. Для этого достаточно перемножить мгновенные значения тока и напряжения. Однако данная величина не учитывает сильную инерцию энергетических процессов, в связи с чем подобный расчет величин имеет ограниченное применение.
Чтобы определить коэффициент активной мощности нужно разделить активную мощность на полную. Данный коэффициент позволяет оценить эффективность использования рассматриваемого технического решения. Соотношение между реактивной и активной мощностью определяет тангенс «фи».
Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА). Для активной используют ватты (Вт). Для реактивной применяется единица измерения вольт-ампер реактивный (ВАР).
Поскольку сложение мощностей происходит по векторным правилам, то нужно учитывать, что векторы активной и реактивной составляющих перпендикулярны друг к другу. Результат вычислений представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника с указанными катетами. Формула полной мощности выглядит следующим образом:
Это следует из теоремы Пифагора. Здесь применяется правило для нахождения гипотенузы прямоугольного треугольника. Если выразить катеты через гипотенузу и угол «фи», то можно получить формулу для определения активной мощности:
Аналогичным образом выражается и реактивная:
Следовательно, из формулы для активной мощности можно найти cosφ:
Для трехфазного напряжения формула принимает следующий вид:
Поэтому следует понимать, что такое косинус «фи» в данной формуле. А это все тот же коэффициент мощности, который позволяет оценивать электроприемники при наличии реактивной составляющей в потребляемом токе.
Называется cosφ коэффициентом мощности в связи с тем, что при векторном сложении в прямоугольном треугольнике значение косинуса угла φ можно найти, разделив длину катета, соответствующего активной мощности, на длину гипотенузы, выражающей полную мощность. Следовательно, формула коэффициента мощности выглядит так:
Коэффициент активной мощности cosφ может иметь значение в диапазоне от 0 до 1. Иногда его выражают в процентах. В таком случае коэффициент обозначают греческой буквой «лямбда». Соотношение катетов в прямоугольном треугольнике определяет тангенс «фи».
Коэффициент мощности является низким в тех случаях, когда активная составляющая мала по сравнению с полной мощностью. Это говорит о неэффективности применяемого оборудования.
Для тока и напряжения синусоидальной формы cosφ соответствует косинусу угла отставания по фазе для этих параметров.
Выгода электрооборудования с высоким коэффициентом мощности
Это связано с наличием следующих факторов:
- Поставщики электроэнергии в некоторых случаях контролируют коэффициент мощности оборудования, используемого потребителями. Они могут выставлять дополнительный счёт, если он будет ниже 0.95. В том случае, когда коэффициент меньше 0.85, поставка электроэнергии может быть ограничена.
- Низкий коэффициент приводит к тому, что при относительно небольшом объёме полезной работы происходят повышенные траты электроэнергии. Таким образом, за определённый объём полезной работы потребителю приходится переплачивать.
- В линиях электропередач наличие высоких показателей указывает на незначительные потери при передаче энергии.
- Низкий коэффициент в системе электроснабжения может приводить к уменьшению напряжения в сети. Это часто становится причиной перегрева используемых потребителем устройств.
При рассмотрении работы электрических устройств нужно учитывать, что часть из них генерирует реактивную мощность, а другие являются потребителями. Следовательно, применение первых приводит к возрастанию реактивной мощности, а использование вторых — к её уменьшению.
Реактивная мощность генерируется при работе асинхронного электродвигателя, трансформаторов, ветряных генераторов, систем освещения на разрядных лампах. Наличие реактивной нагрузки ухудшает эффективность работы оборудования. В качестве потребителей рассматриваются конденсаторы, синхронные двигатели и генераторы.
Для уменьшения реактивной мощности можно использовать следующие способы:
- В цепи устанавливаются конденсаторы. При их использовании совместно с индуктивностью они образуют колебательный контур. В нём мощность от индуктивности будет потребляться ёмкостью.
- Следует избегать работы асинхронных двигателей вхолостую или с малой мощностью.
- Нужно исключить возможность работы оборудования при напряжении, которое превышает номинальное.
- Рекомендуется по мере замены двигателей переходить на те, которые имеют более высокий коэффициент полезного действия.
Оптимальной нагрузкой является номинальная. Если используется нагрузка, значение которой меньше или больше номинальной, то это существенно снижает эффективность работы оборудования.
Как узнать коэффициент мощности
Значение рассматриваемого коэффициента указывается в сопроводительной технической документации к приобретаемому промышленному оборудованию или бытовому прибору. Однако при этом речь идёт о номинальном значении.
Более точно коэффициент измеряется с помощью специализированного прибора, который называется фазометром.
Такие приборы могут быть электродинамическими или цифровыми. С помощью измерений можно достаточно просто и с большой точностью узнать чему равен cosφ и какова эффективность использования прибора.
Если фазометра нет в распоряжении, следует воспользоваться амперметром, вольтметром и ваттметром, с помощью которых измеряются такие физические величины, как сила тока, напряжение и мощность, а затем с помощью соответствующих формул вычислить коэффициент мощности.
Значения коэффициента для различных случаев
При измерении или вычислении коэффициента мощности необходимо знать характерные значения для различных видов оборудования:
- При использовании нагревательных устройств, несмотря на возможное присутствие индуктивных элементов, считается, что вся используемая мощность является активной. В таких случаях принимают косинус «фи» равный единице.
- Для перфораторов и ударных дрелей этот коэффициент составляет 0.95-0.97.
- Сварочные трансформаторы в значительной степени используют индуктивную нагрузку. Поэтому коэффициент мощности трансформатора обычно находится в диапазоне от 0.5 до 0.85.
Когда значения коэффициента являются широко известными, их могут не указывать в сопроводительной документации. Нужно помнить, что хотя в большинстве случаев напряжение меняется синусоидально, иногда оно может существенно отклоняться от этой формы. В такой ситуации говорят о присутствии высших гармоник в колебаниях.
Их появление ведёт к дополнительным затратам мощности, а также снижает компенсацию реактивной мощности, если она применялась. Подобное явление наблюдается при работе с дуговыми сталеплавильными печами, установками дуговой сварки, газоразрядными лампами.
Видео по теме
Коэффициент мощности – это скалярная физическая величина, показывающая насколько рационально потребителями расходуется электрическая энергия. Другими словами, коэффициент мощности описывает электроприемники с точки зрения присутствия в потребляемом токе реактивной составляющей.
В этой статье мы рассмотрим физическую сущность и основные методы определения cos φ.
Содержание
- Математически cos φ
- Повышение коэффициента мощности
- Повышение cos φ преследует 3 основные задачи:
- Основные способы коррекции cos φ
Математически cos φ определяется как отношение активной мощности к полной или равен отношению косинуса этих величин (отсюда и название параметра).
Величина коэффициента мощности может изменяться в интервале 0 — 1 (либо в диапазоне 0 — 100%). Чем ближе его величина к 1, тем лучше, поскольку при величине cos φ = 1 – потребителем реактивная мощность не потребляется (равняется 0), следовательно, меньше потребляемая полная мощность в общем.
Низкий cos φ указывает на то, что на внутреннем сопротивлении потребителя выделяется повышенная реактивная мощность.
Когда токи / напряжения являются идеальными сигналами синусоидальной формы, то коэффициент мощности составляет 1.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
В энергетике для коэффициента мощности используются следующие обозначения cos φ либо λ. В случае если для определения коэффициента мощности используется λ, его значение выражают в %.
Геометрически коэффициент мощности можно изобразить, как косинус угла на векторной диаграмме между током, напряжением между током, напряжением. В связи с чем при синусоидальной форме токов и напряжений величина cos φ совпадает с косинусом угла, от которого отстают эти фазы.
Короткое видео о кратким объяснением, что такое коэффициент мощности:
Повышение коэффициента мощности
Значение коэффициента мощности рассчитывают при проектировании сетей. Поскольку низкое его значение является следствием увеличения величины общих потерь электроэнергии. Для его увеличения в сетях используют различные способы коррекции, повышая его значение до 1.
Повышение cos φ преследует 3 основные задачи:
- снижение потерь электроэнергии;
- рациональное использование цветных металлов на создание электропроводящей аппаратуры;
- оптимальное использование установленной мощности трансформаторов, генератор и прочих машин переменного тока.
Технически коррекция реализуется в виде введения различных дополнительных схем на вход устройств. Эта техника требуется для равномерного использования мощности фазы, устранения перегрузок нулевого провода 3-х-фазной сети, и является обязательной для импульсных источников питания, установленной мощностью 100 Вт и более.
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Помимо этого, компенсация позволяет обеспечить отсутствие всплесков потребляемого тока на пике синусоиды, равномерную нагрузку на питающую линию.
Основные способы коррекции cos φ
1. Коррекция реактивной составляющей мощности производится путём включения реактивного элемента, имеющего противоположное действие. К примеру, для компенсации работы асинхронной машины, обладающей высокой индуктивной реактивной составляющей мощности, в параллель включается конденсатор.
2. Корректировка нелинейности электропотребления. При потреблении тока нагрузкой непропорционально основной гармонике напряжения, для повышения коэффициента мощности в схему вводят пассивный (активный) корректор коэффициента мощности. Наиболее простым примером пассивного корректора cos φ является дроссель с высокой индуктивностью, подключаемый последовательно с нагрузкой. Дроссель производит сглаживание импульсного потребления нагрузки и создание низшей, основной гармоники тока.
3. Корректировка естественным способом, не предусматривающая установку дополнительных устройств, предполагает упорядочение технологического процесса, рациональное распределение нагрузок, ведущее к улучшению режима потребления электроэнергии оборудованием, повышению коэффициента мощности.
Подробное видео с объяснением, что такое cosφ :
Трансформатор — электронное устройство, способное менять рабочие величины, измеряется коэффициентом трансформации, k. Это число указывает на изменение, масштабирование какого-либо параметра, например напряжения, тока, сопротивления или мощности.
Содержание
- 1 Что такое коэффициент трансформации
- 2 Коэффициент трансформации трансформатора
- 3 Определение и формула коэффициента трансформации трансформатора
- 4 Разные виды трансформаторов и их коэффициенты
Что такое коэффициент трансформации
Трансформатор не меняет один параметр в другой, а работает с их величинами. Тем не менее его называют преобразователем. В зависимости от подключения первичной обмотки к источнику питания, меняется назначение прибора.
В быту широко распространены эти устройства. Их цель — подать на домашнее устройство такое питание, которое бы соответствовало номинальному значению, указанному в паспорте этого прибора. Например, в сети напряжение равно 220 вольт, аккумулятор телефона заряжается от источника питания в 6 вольт. Поэтому необходимо понизить сетевое напряжение в 220:6 = 36,7 раз, этот показатель называется коэффициент трансформации.
Чтобы точно рассчитать этот показатель, необходимо вспомнить устройство самого трансформатора. В любом таком устройстве имеется сердечник, выполненный из специального сплава, и не менее 2 катушек:
- первичной;
- вторичной.
Первичная катушка подключается к источнику питания, вторичная — к нагрузке, их может быть 1 и более. Обмотка — это катушка, состоящая из намотанного на каркас, или без него, электроизоляционного провода. Полный оборот провода называется витком. Первая и вторая катушки устанавливаются на сердечник, с его помощью энергия передается между обмотками.
Коэффициент трансформации трансформатора
По специальной формуле определяется число проводов в обмотке, учитываются все особенности используемого сердечника. Поэтому в разных приборах в первичных катушках число витков будет разным, несмотря на то что подключаются к одному и тому же источнику питания. Витки рассчитываются относительно напряжения, если к трансформатору необходимо подключить несколько нагрузок с разным напряжением питания, то количество вторичных обмоток будет соответствовать количеству подключаемых нагрузок.
Зная число витков провода в первичной и вторичной обмотке, можно рассчитать k устройства. Согласно определения из ГОСТ 17596-72 «Коэффициент трансформации — отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной или отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке в режиме холостого хода без учета падения напряжения на трансформаторе.» Если этот коэффициент k больше 1, то прибор понижающий, если меньше — повышающий. В ГОСТе такого различия нет, поэтому большее число делят на меньшее и k всегда больше 1.
В электроснабжении преобразователи помогают снизить потери при передаче электроэнергии. Для этого напряжение, вырабатываемое электростанцией, увеличивается до нескольких сотен тысяч вольт. Затем этими же устройствами напряжение понижается до требуемого значения.
На тяговых подстанциях, обеспечивающих производственный и жилой комплекс электроэнергией, установлены трансформаторы с регулятором напряжения. От вторичной катушки отводятся дополнительные выводы, подключение к которым позволяет менять напряжение в небольшом интервале. Это делается болтовым соединением или рукояткой. В этом случае коэффициент трансформации силового трансформатора указывается в его паспорте.
Определение и формула коэффициента трансформации трансформатора
Получается, что коэффициент — это постоянная величина, показывающая масштабирование электрических параметров, она полностью зависит от конструкторских особенностей устройства. Для разных параметров расчет k производится по-разному. Существуют следующие категории трансформаторов:
- по напряжению;
- по току;
- по сопротивлению.
Перед определением коэффициента необходимо замерить напряжение на катушках. ГОСТ указано, что производить такое измерение нужно при холостом ходе. Это когда к преобразователю не подключена нагрузка, показания могут быть отображены на паспортной табличке этого устройства.
Затем показания первичной обмотки делят на показания вторичной, это и будет коэффициентом. При наличии сведений о количестве витков в каждой катушке производят дробление числа витков первичной обмотки на число витков вторичной. При этом расчете пренебрегают активным сопротивлением катушек. Если вторичных обмоток несколько, для каждой находят свой k.
Трансформаторы тока имеют свою особенность, их первичная обмотка включается последовательно нагрузке. Перед вычислением показателя k измеряют ток первичной и вторичной цепи. Производят разложение значения первичного тока на ток вторичной цепи. При наличии паспортных данных о количестве витков допускается произвести вычисление k путем деления числа оборотов провода вторичной обмотки на число оборотов провода первичной.
При расчете коэффициента для трансформатора сопротивления, его еще называют согласующим, сначала находят входное и выходное сопротивление. Для этого вычисляют мощность, которая равняется произведению напряжения и тока. Затем мощность делят на квадрат напряжения и получают сопротивление. Дробление входного сопротивления трансформатора и нагрузки по отношению к его первичной цепи и входного сопротивления нагрузки во вторичной цепи даст k прибора.
Есть другой способ вычисления. Необходимо найти коэффициент k по напряжению и возвести его в квадрат, результат будет аналогичным.
Разные виды трансформаторов и их коэффициенты
Хотя конструктивно преобразователи мало чем отличаются друг от друга, назначение их достаточно обширно. Существуют следующие виды трансформаторов, кроме рассмотренных:
- силовой;
- автотрансформатор;
- импульсный;
- сварочный;
- разделительный;
- согласующий;
- пик-трансформатор;
- сдвоенный дроссель;
- трансфлюксор;
- вращающийся;
- воздушный и масляный;
- трехфазный.
Особенностью автотрансформатора является отсутствие гальванической развязки, первичная и вторичная обмотка выполнены одним проводом, причем вторичная является частью первичной. Импульсный масштабирует короткие импульсные сигналы прямоугольной формы. Сварочный работает в режиме короткого замыкания. Разделительные используются там, где нужна особая безопасность по электротехнике: влажные помещения, помещения с большим количеством изделий из металла и подобное. Их k в основном равен 1.
Пик-трансформатор преобразует синусоидальное напряжение в импульсное. Сдвоенный дроссель — это две сдвоенные катушки, но по своим конструктивным особенностям относится к трансформаторам. Трансфлюксор содержит сердечник из магнитопровода, обладающего большой величиной остаточной намагниченности, что позволяет использовать его в качестве памяти. Вращающийся передает сигналы на вращающиеся объекты.
Воздушные и масляные трансформаторы отличаются способом охлаждения. Масляные применяются для масштабирования большой мощности. Трехфазные используются в трехфазной цепи.
Более подробную информацию можно узнать о коэффициенте трансформации трансформатора тока в таблице.
Почти у всех перечисленных приборов есть сердечник для передачи магнитного потока. Поток появляется благодаря движению электронов в каждом из витков обмотки, и силы токов не должны быть равны нулю. Коэффициент трансформации тока зависит и от вида сердечника:
- стержневой;
- броневой.
В броневом сердечнике магнитные поля оказывают большее влияние на масштабирование.
Демьян Бондарь
Эксперт по предмету «Электроника, электротехника, радиотехника»
преподавательский стаж — 5 лет
Задать вопрос автору статьи
Физический смысл коэффициента мощности
Определение 1
Коэффициент мощности – это скалярная физическая величина, которая показывает потребителями переменного электрического тока рациональность расхода энергии.
Рассмотрим рисунки ниже.
Рисунок 1. Коэффициент мощности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Сущность коэффициента мощности заключается в следующем. Известно, что в цепи переменного электрического тока имеется три вида нагрузки:
Сдай на права пока
учишься в ВУЗе
Вся теория в удобном приложении. Выбери инструктора и начни заниматься!
Получить скидку 3 000 ₽
- Активная – A.
- Реактивная – Q.
- Полная – S.
Вышеперечисленные нагрузки или мощности ассоциируются с:
- Активными сопротивлениями – r.
- Реактивными сопротивлениями – x.
- Полными сопротивлениями – z.
Активным сопротивлением является то сопротивление, в котором при прохождении электрического тока выделяется тепло. С данным видом сопротивления связаны потери активной мощности, которые рассчитываются по следующей формуле:
$dРп = I^2*r$
Реактивное сопротивление, когда по нему проходит электрический ток, не вызывает никаких потерь, что обусловлено сопротивлениями индуктивностью и емкостью. Емкостное и индуктивное сопротивления представляют собой два вида реактивного сопротивления и выражаются следующими формулами:
- Формула индуктивного сопротивления.
- Формула реактивного сопротивления.
Допустим, что индуктивное сопротивление равняется 15 Ом, а емкостное – 3 Ом, тогда реактивное сопротивление рассчитывается по формуле:
$x = xL – xc = 15-3 = 12$ Ом
Полное сопротивление состоит из активного и реактивного сопротивлений. Для электрической цепи с последовательным соединением, как показано на рисунке 1а изображается треугольники сопротивлений. Если стороны данного треугольника умножить на квадрат одного и того же тока, то соотношение сторон не изменится, однако, новый треугольник будет являться треугольником мощностей – рисунок 1в. Как видно из него в электрических цепях переменного тока возникают три типа мощности – реактивная, активная и полная:
«Коэффициент мощности» 👇
$Р = I^2*r$
$Q = I^2*x = I^xL – I^xc = Usinф$
$S = I^z = U*I$
Активную мощность называют рабочей, потому что выделяет тепло, освещает и двигает механизмы. Выработанная активная мощность в полном объеме расходуется в подводящих проводах и приемнике практически мгновенно – со скоростью света. Таким образом характерной чертой активной мощности является следующее: сколько мощности вырабатывается, столько и расходуется. Реактивная мощность не расходуется и представляет собой колебания в электрической цепи электромагнитной энергии. Переход энергии из источника в приемник и обратно связано с процессом протекания электрического тока по проводам, обладающих активным сопротивлением, то есть в них происходят потери. Получается, что при реактивной мощности никакая работа не совершается, но при этом появляются потери, которые при одинаковой активной мощности тем больше, чем меньше коэффициент мощности – cosф.
Допустим, что необходимо определить потери мощности в линии при следующих исходных данных: сопротивление линии 2 ом, передаваемая мощность 20 киловатт, напряжение 400 вольт, в первом случае коэффициент мощности равняется 0,5, а во втором 0,8. Алгоритм решения следующий.
Сила тока в первом случае рассчитывается по формуле:
$I_1 = Р / (U*cosф1) = 20 / (0,4*0,5) = 20 / 0,2 = 100$ А
Тогда потери мощности равны:
$dРп_1 = I_1^2*rл = 10 000 * 2 = 20$ кВт
Для второго случая:
$I_2 = Р / (U*cosф2) = 20 / (0,4*0,8) = 20 / 0,32 = 62,5$ А
$dРп_2 = I_2^2*rл = 6250 * 2 = 12,5$ кВт
Таким образом при большем значении коэффициента мощности потери энергии в 1,6 раза меньше.
3адачи повышения коэффициента мощности. Основные способы его коррекции
Коэффициент мощности рассчитывается в процессе проектирования сетей. Основными задачами его увеличения являются: рациональное использование цветных металлов, которые необходимы для производства электропроводящей аппаратуры; оптимальное использование мощности трансформаторов, генераторов и других машин переменного электрического тока; снижение потерь электрической энергии. К основным способам коррекции относятся:
- Корректировка нелинейного оборудования. Для увеличения коэффициента мощности в схему вводится пассивный корректор коэффициента мощности. Его самым простым примером является дроссель с высокой индуктивностью, который подключается последовательно к нагрузке. Им осуществляется сглаживание импульсного потребления нагрузки и создание нишей основной гармоники электрического тока
- Корректировка реактивной составляющей мощности. Данный способ осуществляется посредством включения реактивного элемента с противоположным действием. Например, для компенсации работы асинхронной машины ей в параллель включается конденсатор.
- Естественный способ корректировки. Естественный способ не предусматривает установку дополнительного оборудования, а предполагает упорядочение технологического процесса, рациональное распределение нагрузок и т. п.
Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу
Поиск по теме
