|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
![[непонятно]](https://www.proektant.org/Smileys/default/huh.gif "[непонятно]")
Сейчас Вы – Гость на форумах «Проектант». Гости не могут писать сообщения и создавать новые темы.
Преодолейте несложную формальность – зарегистрируйтесь! И у Вас появится много больше возможностей на форумах «Проектант».
Последние сообщения на Электротехническом форуме
При
известных значениях активной мощности
и значение коэффициента активной
мощности ЭП средневзвешенное значение
коэффициента активной мощности узла
нагрузки определяется
Средневзвешенное
значение коэффициента реактивной
мощности узла нагрузки при известных
значениях потребляемых активной и
реактивной мощностях определяется
31. Классификация помещений по электробезопасности
-
Помещения без
повышенной опасности, в которых
отсутствуют условия, создающие повышенную
или особую опасность. -
Помещения с
повышенной опасностью, характеризующиеся
наличием в них одного из следующих
условий, создающих повышенную опасность:
-
сырости и
токопроводящей пыли -
токопроводящих
полов -
высокой температуры
-
возможности
одновременного прикосновения человека
к имеющим соединение с землей
металлоконструкций, зданий, технологическим
аппаратам, механизмам и т. п. с одной
стороны, и к металлическим корпусам с
другой стороны.
-
Особо опасные
помещения, характеризующиеся одним из
следующих условий, создающих особую
опасность:
-
особой сыростью
-
химической или
органической средой -
одновременно
наличием двух и более условий повышенной
опасности
-
Территории
размещения наружных электроустановок.
Возникновение
опасности поражения людей электрическим
током, эти территории приравниваются
к особо опасным помещениям.
32. Классификация взрывоопасных зон.
Взрывоопасная
зона – помещение или ограниченное
пространство в помещение или наружной
установке, в которых имеются или могут
образовываться взрывоопасные смеси.
Взрывоопасные зоны подразделяются на
классы:
В-I
– зоны, расположенные в помещениях в
которых выделяются газы или пары
легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ)
в таком количестве и с такими свойствами,
что они могут образовать с воздухом
взрывоопасные смеси при нормальном
режиме работы.
В-Iа
– зоны, расположенные в помещениях в
которых, при нормальной эксплуатации
взрывоопасной смеси горючих газов или
паров ЛВЖ с воздухом не образуется, а
возможны только в результате аварии
или неисправностей (независимо от
нижнего концентрационного придела
воспламенения).
В-Iб
– зоны, расположенные в помещениях в
которых при нормальной эксплуатации
взрывоопасной смеси горючих газов или
паров ЛВЖ с воздухом не образуется, а
возможны только в результате аварии
или неисправностей и которые отличаются
одной из особенностей:
-
Горючие газы в
этих зонах обладают высоким
концентрированным придела воспламенения
15% и более и резким запахом при предельно
допустимой концентрации (ПДК). -
Помещения
производственно связанных с образованием
газообразного водорода в которых по
условиям технологического процесса
исключается образование взрывоопасной
смеси в объеме более 5% свободного
помещения, имеют взрывоопасную зону
только в верхней части помещения.
Взрывоопасную зону принимают 0,75 от
общей высоты помещения.
В-II
– зоны, расположенные в помещениях, в
которых выделяются переходящие во
взвешенное состояние горючие пыли и
волокна в таком количестве и с такими
свойствами, что они способны образовывать
с воздухом взрывоопасные смеси при
нормальном режиме работы.
В-IIа
– то же, что и В-II,
но только возможны в результате аварии
или неисправности.
Соседние файлы в папке Ответы ЭЭ (ЭсПП)
- #
- #
- #
Правильное определение электрических нагрузок – очень важный момент в проектировании электроснабжения. Завышение расчётных нагрузок приводит к недоиспользованию оборудования и излишним затратам, а занижение – к повышению потерь электроэнергии, к снижению надёжности работы и так далее.
Для выбора нагрузок производственных и коммунально-бытовых объектов пользуемся приложением 1 методические указания (руководящие материалы института «Сельэнергопроект»).
Таблица 1 – Нагрузки производственных потребителей.
|
№ п/п |
Наименование объекта |
Количество объектов |
№ позиции РУМ |
Активная нагрузка |
Коэффициент мощности |
Суммарная мощность |
|||
|
Дневная Рд, кВт |
Вечерняя Рв, кВт |
Дн. Сos? |
Веч. сos? |
Дн. Рд, кВт |
Веч. Рв, кВт |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
1-3. |
Птичник на 15000 кур-несушек |
3 |
46 |
82 |
82 |
0.75 |
0.85 |
246 |
246 |
|
4. |
Административное здание (контора совхоза, колхоза) на 15…20 рабочих мест |
1 |
518 |
15 |
8 |
0.85 |
0.9 |
15 |
8 |
|
5-6. |
Инкубаторий на: 6 инкубатора |
2 |
168 |
60 |
60 |
0.92 |
0.96 |
120 |
120 |
|
7. |
Котельная с котлами КВ-30М или Д-721 |
1 |
383 |
5 |
5 |
0.8 |
0.8 |
5 |
5 |
|
8-9. |
Яйцеклад |
2 |
– |
15 |
15 |
0.7 |
0.75 |
30 |
30 |
|
10. |
Насосная скважина |
1 |
– |
50 |
50 |
0.8 |
0.8 |
50 |
50 |
|
ИТОГО по объекту |
466 |
459 |
Вывод: Так как на объектах производственных потребителей преобладает дневная нагрузка (Рдн > Рвч), то для дальнейшего расчёта будем использовать дневную нагрузку.
Определяем средневзвешенный косинус:
=0.79
Где: Рi – расчетная мощность на вводе отдельных потребителях, кВ;
Cos ? – коэффициент мощности на отдельных потребителях;
Р общ – суммарная нагрузка, кВ.
Расчёт допустимых потерь напряжения
Уровень напряжения на вводах потребителей зависит от КТП 10/0,4 кВ, уровня в центре питания, суммарных потерь напряжения в линиях электропередачи и трансформаторах, а также от значения коэффициентов трансформации.
Рисунок 1 – Схема электроснабжения потребителей
При передаче электрической энергии по воздушным линиям некоторая часть теряется из-за сопротивления вводов. Однако напряжение на потребителе не должно выходить за пределы ±5% от номинального значения. Потеря напряжения в трансформаторе составляет 4% при 100% загрузке и 1% при 25% загрузке. Составляем таблицу отклонений напряжения таблица 2.
1) Определяем суммарные потери напряжения в линиях (для БТП),%
??Uл = Vш + ?(Vпост + Vпер) + ?Uт – Vп = ,5+ (5 – 2,5) – 4 – (-5) = 7 %
где Vш – отклонение напряжения на шинах, %;
Vпост – постоянные надбавки напряжения трансформаторов, %;
Vпер – переменные надбавки напряжения трансформаторов, %;
?Uт – потери напряжения, %;
Vп – отклонение напряжения у потребителя, %.
2) Определяем отклонение у потребителя при 25 % нагрузке (для БТП), %:
Vп25% = Vш25% + ?(Vпост + Vпер) + ?Uт – ?Uл25% = 1-0+(5-2,5)-1=2,5%
3) Проверяем баланс напряжения для БТП:
При 100% нагрузки
%
При 25% нагрузке:
= 1+(5-2,5)-0-1-2,5=0%
Таблица 2 – Отклонение и потери напряжения в % на элементах системы.
|
Параметры элементов систем |
БТП |
|
|
100% |
25% |
|
|
Отклонение напряжения на шинах 10 кВ |
+3,5 |
+1 |
|
Потери напряжения в ВЛ-10кВ |
0 |
0 |
|
ТП 10/0,4 кВ Постоянная надбавка |
+5 |
+5 |
|
Переменная надбавка |
-2,5 |
-2,5 |
|
Потери напряжения ?Uт |
-4 |
-1 |
|
Потери напряжения в ВЛ-0,38 |
-7 |
0 |
|
Отклонение напряжения у потребителей |
-5 |
+2,5 |
Вывод: Согласно расчету потери напряжения у потребителя на линии 0,38 В равно 6% при 100%
Что такое косинус фи в электрике
Допустим, вы купили компрессор для полива растений или электродвигатель для циркулярной пилы. В инструкции по эксплуатации помимо основных технических характеристик (таких, как потребляемый ток, рабочее напряжение, частота вращения) вы можете обнаружить такой непонятный показатель, как косинус фи (cos ϕ). Данная информация может быть указана и на пластинке (шильдике), закрепленной на корпусе прибора. В нашей статье мы постараемся объяснить простым и доступным языком всем, даже пользователям далеким от электротехнических тонкостей, как тригонометрическая функция (знакомая нам со школьной скамьи) влияет на работу всем нам привычных электробытовых приборов, и почему ее называют коэффициентом мощности.
Важно! Все нижесказанное касается только сетей переменного тока.
Далекий от электротехники, но весьма наглядный пример
Чтобы объяснить, каким образом угол ϕ (а точнее его косинус) влияет на мощность, рассмотрим пример, не имеющий никакого отношения к электротехнике. Допустим нам необходимо передвинуть тележку, стоящую на рельсах. Чтобы удобнее было производить данную операцию, к ее передней части прикрепляем канат.
Если мы будем тянуть за веревку прямо вперед по направлению движения, то для перемещения тележки нам понадобится приложить достаточно небольшое усилие. Однако если находиться сбоку от рельсов и тянуть за канат в сторону, то для движения тележки с такой же скоростью необходимо будет приложить значительно большее усилие. Причем чем больше угол (ϕ) между направлением движения и прикладываемым усилием, тем больше «мощности» потребуется от нас.
Вывод! То есть, увеличение угла ϕ ведет к увеличению расходуемой нами энергии (при одной и той же выполненной работе).
Сдвиг фаз между напряжением и током
При использовании энергии переменного тока происходит приблизительно то же самое. При активной нагрузке (например, при включении электрочайника или лампы накаливания) переменные напряжение (U) и ток (I) полностью совпадают по фазе и одновременно достигают своих максимальных значений. В данном случае мощность потребителя электроэнергии можно рассчитать по формуле P=U•I.
Для сети переменного тока работающий электродвигатель, имеющийся, например, в стиральной машине, является комплексной нагрузкой, включающей в себя активную и индуктивную составляющие. При подаче напряжения на такой прибор оно появляется на обмотках, практически, мгновенно. А вот ток (из-за влияния индуктивности) запаздывает. То есть между ними образуется так называемый сдвиг фаз, который мы и называем ϕ.
При активно-емкостной нагрузке, наоборот, переменный ток сразу начинает течь через конденсатор, а напряжение отстает от него по фазе на величину ϕ.
Треугольник мощностей
Коэффициент мощности (PF) – это отношение мощностей: активной полезной (P) к полной (S). Чтобы показать, каким образом сдвиг фаз влияет на PF, используем так называемый треугольник мощностей. И вот тут-то нам и потребуются минимальные знания школьной тригонометрии.
Из теории о прямоугольных треугольниках всем нам известно, что cos ϕ=P/S. То есть, косинус фи — это и есть коэффициент мощности (PF), который показывает, какая часть от полной мощности (S= U•I) фактически необходима для конкретной нагрузки. Чем больше реактивная составляющая Q, тем меньше полезная P. Чтобы вычислить активную мощность необходимо полную S умножить на косинус фи: P= S•cos ϕ.
На заметку! Считать косинус фи абсолютным аналогом коэффициента мощности можно только при том условии, что мы имеем в электрической сети идеальную синусоиду. Для более точного расчета необходимо учитывать нелинейные искажения, которые имеют переменные напряжение и ток. На практике, зачастую коэффициентом нелинейных искажений синусоиды пренебрегают, и значение косинуса фи принимают за приближенное значение коэффициента мощности.
Усредненные значения коэффициента мощности
Лампы накаливания и электрические нагревательные элементы, хотя и имеют в своих конструкциях спирали, намотанные с помощью специального провода, считаются чисто активной нагрузкой для сетей переменного тока. Так как индуктивность этих элементов настолько мала, что ею, как правило, просто пренебрегают. Для таких приборов cos ϕ (или коэффициент мощности) принимают равным 1.
В разнообразных электрических ручных инструментах (дрелях, перфораторах, лобзиках и так далее) индуктивная составляющая мощности достаточно мала. Для них принято считать cos ϕ≈0,96÷0,97. Этот показатель достаточно близок к единице, поэтому его, практически, никогда не указывают в технических характеристиках.
Для мощных электродвигателей, люминесцентных ламп и сварочных трансформаторов cos ϕ≈0,5÷0,82. Этот коэффициент мощности необходимо учитывать, например, при выборе диаметра питающих проводов, чтобы они не нагрелись, и не сгорела их изоляция.
На что влияет низкий коэффициент мощности
К чему могут привести низкие показатели коэффициента мощности:
- При низком PF возрастает потребляемый нагрузкой ток. cos ϕ=P/S=P/(U•I), следовательно I=P/(U•cos ϕ). Допустим, для конкретной нагрузки необходима активная мощность P=10000 ВА при напряжении U=220 В. В идеальном варианте PF=cos ϕ=1. Тогда ток нагрузки: I=10000/(220•1)≈45 А. При PF=0,8 I=10000/(220•0,8)≈57 А. То есть при снижении PF с 1 до 0,8 ток возрастет приблизительно на 20%. Значит, это приведет к излишним затратам на электроэнергию.
- Снижение коэффициента мощности, и как следствие увеличение тока приводит к значительным энергетическим потерям в проводах, которые по закону Ома равны I•R², где R – активное сопротивление проводников. Для уменьшения этих потерь приходится увеличивать диаметр проводов, что опять же приводит к излишним экономическим затратам.
- Вышеуказанные потери расходуются на выделение тепла. В этом случае придется применять более термостойкие, а следовательно, и более дорогие изоляционные материалы).
В заключении
Смело можно утверждать, что чем ближе значение PF к единице, тем эффективнее используется электроэнергия. В некоторых мощных приборах производители устанавливают специальные приспособления, которые позволяют осуществлять коррекцию коэффициента мощности.
Косинус фи (cos φ) — Коэффициент мощности
На шильдиках двигателей и некоторых других устройств можно видеть непонятный параметр косинус фи (cos φ). Что этот параметр означает, в данной статье коротко объясняется, что это такое.
Косинус фи (cos φ) часто называют «Коэффициент мощности». Это почти одно и то же при правильной синусоидальной форме тока.
Иногда для обозначения коэффициента мощности используется λ, эту величину выражают в процентах, или PF.
Условные обозначения
P — активная мощность S — полная мощность Q — реактивная мощность, U — напряжение I — ток.
Что такое Косинус фи (cos φ) — «Коэффициент мощности»
Косинус фи (cos φ) это косинус угла между фазой напряжения и фазой тока.
При активной нагрузке фаза напряжения совпадает с фазой тока, φ (между фазами) равен 0 (нулю). А как мы знаем cos0=1. То есть при активной нагрузке коэффициент мощности равен 1 или 100%.
Активная нагрузка
При емкостной или индуктивной нагрузке фаза тока не совпадает с фазой напряжения. Получается «сдвиг фаз».
При индуктивной или активно-индуктивной нагрузке (с катушками: двигатели, дросселя, трансформаторы) фаза тока отстает от фазы напряжения.
При емкостной нагрузке (конденсатор) фаза тока опережает фазу напряжения
А почему тогда косинус фи (cos φ) это тоже самое что коэффициент мощности, да потому что S=U*I.
Посмотрите на графики ниже. Здесь φ равно 90 косинус фи (cosφ)=0(нулю).
Емкостная нагрузка
Индуктивная нагрузка
Попытаемся вычислить мощность для простоты возьмем максимальное значение напряжения равное 1(100%) в этот момент ток равен 0(нулю) соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот когда ток максимальный напряжение равно нулю.
Получается что полезная, активная мощность равна 0(нулю).
Коэффициент мощности это соотношение полезной активной мощности к полной мощности, то есть cosφ=P/S.
Треугольник мощностей
Посмотрите на треугольник мощностей. Вспомним тригонометрию (это что то из математики) вот здесь то она нам и пригодится.
Q =U x I x sin φ
На практике. Если подключить асинхронный двигатель в сеть без нагрузки, в холостую. Напряжение вроде как есть, ток, если замерить тоже есть, при этом ни какой полезной работы не совершается. Соответственно активная мощность минимальна.
Если на двигателе увеличить нагрузку то сдвиг фаз начнет уменьшаться и соответственно косинус фи (cos φ) будет увеличиваться, а с ним и активная мощность.
К счастью счетчики активной мощности фиксируют соответственно только активную мощность. И нам не приходится переплачивать за полную мощность.
Однако у реактивной мощности есть большой минус она создает бесполезную нагрузку на электрическую сеть из-за этого образуются потери.
Что такое коэффициент мощности, косинус фи и тангенс фи
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.
Дата публикации: 23 августа 2021. Категория: Статьи.
Допустим, вы купили компрессор для полива растений или электродвигатель для циркулярной пилы. В инструкции по эксплуатации помимо основных технических характеристик (таких, как потребляемый ток, рабочее напряжение, частота вращения) вы можете обнаружить такой непонятный показатель, как косинус фи (cos ϕ). Данная информация может быть указана и на пластинке (шильдике), закрепленной на корпусе прибора. В нашей статье мы постараемся объяснить простым и доступным языком всем, даже пользователям далеким от электротехнических тонкостей, как тригонометрическая функция (знакомая нам со школьной скамьи) влияет на работу всем нам привычных электробытовых приборов, и почему ее называют коэффициентом мощности.
Важно! Все нижесказанное касается только сетей переменного тока.
Далекий от электротехники, но весьма наглядный пример
Чтобы объяснить, каким образом угол ϕ (а точнее его косинус) влияет на мощность, рассмотрим пример, не имеющий никакого отношения к электротехнике. Допустим нам необходимо передвинуть тележку, стоящую на рельсах. Чтобы удобнее было производить данную операцию, к ее передней части прикрепляем канат.
Если мы будем тянуть за веревку прямо вперед по направлению движения, то для перемещения тележки нам понадобится приложить достаточно небольшое усилие. Однако если находиться сбоку от рельсов и тянуть за канат в сторону, то для движения тележки с такой же скоростью необходимо будет приложить значительно большее усилие. Причем чем больше угол (ϕ) между направлением движения и прикладываемым усилием, тем больше «мощности» потребуется от нас.
Вывод! То есть, увеличение угла ϕ ведет к увеличению расходуемой нами энергии (при одной и той же выполненной работе).
Сдвиг фаз между напряжением и током
При использовании энергии переменного тока происходит приблизительно то же самое. При активной нагрузке (например, при включении электрочайника или лампы накаливания) переменные напряжение (U) и ток (I) полностью совпадают по фазе и одновременно достигают своих максимальных значений. В данном случае мощность потребителя электроэнергии можно рассчитать по формуле P=U•I.
Для сети переменного тока работающий электродвигатель, имеющийся, например, в стиральной машине, является комплексной нагрузкой, включающей в себя активную и индуктивную составляющие. При подаче напряжения на такой прибор оно появляется на обмотках, практически, мгновенно. А вот ток (из-за влияния индуктивности) запаздывает. То есть между ними образуется так называемый сдвиг фаз, который мы и называем ϕ.
При активно-емкостной нагрузке, наоборот, переменный ток сразу начинает течь через конденсатор, а напряжение отстает от него по фазе на величину ϕ.
Онлайн журнал электрика
Для измерения косинуса фи идеальнее всего иметь особые приборы, созданные для конкретного его измерения — фазометры.
Фазометр — это электроизмерительный прибор, созданный для измерения углов сдвига фаз между 2-мя изменяющимися временами электронными колебаниями.
Если таких устройств нет, то определять коэффициент мощности можно косвенным способом. К примеру, в однофазной сети косинус фи можно найти по свидетельствам амперметра, вольтметра и ваттметра:
cos фи = P / (U х I), где Р, U, I — показания устройств.
в цепи трехфазного тока cos фи = Pw / (√3 х Uл х Iл)
где Pw — мощность всей системы, Uл, Iл — линейные напряжение и ток, измеренные вольтметром и амперметром.
В симметричной трехфазной цепи значение косинус фи можно найти из показаний 2-ух ваттметров Pw1 и Pw2 по формуле:
Общая относительная погрешность рассмотренных способов равна сумме относительных погрешностей каждого прибора, потому точность косвенных способов невелика.
Численное значение косинус фи находится в зависимости от типа нагрузки. Если нагрузкой являются лампы накаливания и нагревательные приборы, то косинус фи = 1, если нагрузка содержит к тому же асинхронные электродвигатели, то косинус фи < 1. При изменении нагрузки электродвигателя его косинус фи значительно меняется (от 0,1 на холостом ходу до 0,86 — 0,87 при номинальной нагрузке), меняется и косинус фи сетей.
Потому на практике в электрических сетях определяют так называемый средневзвешенный коэффициент мощности за какое-то определенное время, допустим, за день либо месяц. Для этого в конце рассматриваемого периода снимают показания счетчиков активной и реактивной энергии Wa и Wv и определяют средневзвешенное значение коэффициента мощности по формуле:
Это значение средневзвешенного коэффициента мощности лучше иметь в электронных сетях равным 0,92 — 0,95.
Внедрение фазометра для измерения коэффициента мощности
Измерить конкретно фазовый сдвиг между напряжением и током нагрузки можно с помощью особых измерительных устройств — фазометров.
Наибольшее распространение получили фазометры электродинамической системы, в которых неподвижная катушка включена поочередно с нагрузкой, а подвижные катушки — параллельно нагрузке, так, что ток какой-то из них отстает от напряжения на угол β1. Для этого поочередно с катушкой включена активно-индуктивная нагрузка, а ток другой опережает напряжение на некий угол β2, зачем включена активно-емкостная нагрузка, при этом β1 + β2 = 90о
Рис. 1. Схема включения фазометра (а) и векторная диаграмма напряжений и токов (б).
Угол отличия стрелки такового прибора зависит только от значения косинуса фи.
Для измерения фазового сдвига между 2-мя напряжениями нередко используют цифровые фазометры. В цифровых фазометрах прямого преобразования для измерения фазового сдвига его конвертируют в интервал времени и определяют последний. Исследуемые напряжения подают на два входа прибора, на цифровом отсчетном устройстве прибора снимают показания числа импульсов, поступающих на счетчик прибора за один период исследуемых напряжений, которое соответствует фазовому сдвигу в градусах (либо в толиках градуса).
Из щитовых устройств, созданных для измерения, более обычный фазометр типа Д31, который может работать в однофазных сетях переменного тока с частотой 50, 500, 1000, 2400, 8000 Гц. Класс точности 2,5. Пределы измерений косинуса фи от 0,5 емкостного фазового сдвига до 1 и от 1 до 0,5 индуктивного фазового сдвига. Фазометры включают через измерительные трансформаторы тока с вторичным током 5 А и измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 100 В.
Для измерения косинуса фи в трехфазной сети при симметричной нагрузке можно использовать щитовые фазометры типа Д301. Класс их точности 1,5. Поочередные цепи включают на ток 5 А конкретно, также через трансформатор тока, параллельные цепи включают конкретно на 127, 220, 380 В, также через измерительные трансформаторы напряжения.
Треугольник мощностей
Коэффициент мощности (PF) – это отношение мощностей: активной полезной (P) к полной (S). Чтобы показать, каким образом сдвиг фаз влияет на PF, используем так называемый треугольник мощностей. И вот тут-то нам и потребуются минимальные знания школьной тригонометрии.
Из теории о прямоугольных треугольниках всем нам известно, что cos ϕ=P/S. То есть, косинус фи — это и есть коэффициент мощности (PF), который показывает, какая часть от полной мощности (S= U•I) фактически необходима для конкретной нагрузки. Чем больше реактивная составляющая Q, тем меньше полезная P. Чтобы вычислить активную мощность необходимо полную S умножить на косинус фи: P= S•cos ϕ.
На заметку! Считать косинус фи абсолютным аналогом коэффициента мощности можно только при том условии, что мы имеем в электрической сети идеальную синусоиду. Для более точного расчета необходимо учитывать нелинейные искажения, которые имеют переменные напряжение и ток. На практике, зачастую коэффициентом нелинейных искажений синусоиды пренебрегают, и значение косинуса фи принимают за приближенное значение коэффициента мощности.
Косинус фи
Как уже было сказано выше, значение косинуса фи в электротехнике – это величина, характеризующая степень линейности нагрузки. Для нее тоже существует формула:
cosφ = Nа / (√3*U*I).
Что касается величины «cosφ», то ее увеличение преследует несколько целей.
- Основная цель – экономия потребления электрического тока.
- Соответственно экономия цветных металлов, которые используются в обмотках электромотора.
- Максимальное использование полезной мощности агрегата.
Хотелось бы отметить вот какой момент – производственные электрические сети всегда находятся в недогруженном состоянии. Почему? Все дело в том, что не все электродвигатели постоянно работают под нагрузкой. Любой асинхронный двигатель на холостом ходе имеет косинус фи, равный приблизительно значению 0,2. При нагрузке косинус фи увеличивается до 0,85. Почему так происходит? Все опять упирается в активную и реактивную мощности. Первая при холостом ходе мотора приблизительно составляет 30%, вторая 15%. Как только нагрузка на электрический двигатель увеличивается, тут же поднимается активная составляющая, а реактивная снижается практически до нуля. Поэтому основное требование увеличения «cosφ» – это работа предприятия с полной нагрузкой.
Усредненные значения коэффициента мощности
Лампы накаливания и электрические нагревательные элементы, хотя и имеют в своих конструкциях спирали, намотанные с помощью специального провода, считаются чисто активной нагрузкой для сетей переменного тока. Так как индуктивность этих элементов настолько мала, что ею, как правило, просто пренебрегают. Для таких приборов cos ϕ (или коэффициент мощности) принимают равным 1.
В разнообразных электрических ручных инструментах (дрелях, перфораторах, лобзиках и так далее) индуктивная составляющая мощности достаточно мала. Для них принято считать cos ϕ≈0,96÷0,97. Этот показатель достаточно близок к единице, поэтому его, практически, никогда не указывают в технических характеристиках.
Для мощных электродвигателей, люминесцентных ламп и сварочных трансформаторов cos ϕ≈0,5÷0,82. Этот коэффициент мощности необходимо учитывать, например, при выборе диаметра питающих проводов, чтобы они не нагрелись, и не сгорела их изоляция.
Мощности в электродвигателе
Итак, полная мощность с единицей измерения вольт-ампер (ВА) – это комплексная величина, состоящая из активной мощности (действительной) и реактивной (мнимой). Если рассматривать полный показатель по формуле, то можно это отобразить вот так:
N=√Nа²+Nр²
Или вот так:
N=IxU.
Теперь рассмотрим составляющие первой формулы. Активная мощность действует только на активных сопротивлениях, то есть она присутствует при определенных нагрузках, а, точнее сказать, когда электрический двигатель работает. Вычисляется она вот по этой формуле:
Nа=IxUxcosφ.
Что значит активное сопротивление? Здесь необходимо понимать, что в цепях переменного тока сопротивление выше, чем в цепях постоянного тока. Это связано со многими факторами. К примеру, это вихревые токи, которые образуются в цепи, это электромагнитное поле, это близость расположения проводников и так далее. Именно поэтому сопротивление в сетях переменного тока называют активным, а в сетях постоянного тока омическим.
Теперь, что касается реактивной мощностной составляющей. Во-первых, эта величина измеряется в вольт ампер реактивный (вар). Во-вторых, это своеобразная накопительная мощность, которая накапливается в проводниковых сетях, а потом отдается обратно в сеть. Кстати, эта величина может быть положительной или отрицательной.
Причинами появления реактивной составляющей могут быть приборы, которые выдают емкостную или индуктивную нагрузку. Рассчитывают этот показатель вот по этой формуле:
Nр=IxUx sinφ.
Если рассматривать полезность реактивной мощности, то она не расходуется на прямые нужды потребителя. К примеру, в электрических двигателях она не преобразуется из электрической в механическую. И хотя полезной нагрузки эта мощность не несет, без нее не может быть осуществлена полезная работа. И все же производители стараются данный показатель уменьшить, потому что повышение активной составляющей приводит к снижению реактивной, отсюда и низкий КПД оборудования или сети.
На что влияет низкий коэффициент мощности
К чему могут привести низкие показатели коэффициента мощности:
- При низком PF возрастает потребляемый нагрузкой ток. cos ϕ=P/S=P/(U•I), следовательно I=P/(U•cos ϕ). Допустим, для конкретной нагрузки необходима активная мощность P=10000 ВА при напряжении U=220 В. В идеальном варианте PF=cos ϕ=1. Тогда ток нагрузки: I=10000/(220•1)≈45 А. При PF=0,8 I=10000/(220•0,8)≈57 А. То есть при снижении PF с 1 до 0,8 ток возрастет приблизительно на 20%. Значит, это приведет к излишним затратам на электроэнергию.
- Снижение коэффициента мощности, и как следствие увеличение тока приводит к значительным энергетическим потерям в проводах, которые по закону Ома равны I•R², где R – активное сопротивление проводников. Для уменьшения этих потерь приходится увеличивать диаметр проводов, что опять же приводит к излишним экономическим затратам.
- Вышеуказанные потери расходуются на выделение тепла. В этом случае придется применять более термостойкие, а следовательно, и более дорогие изоляционные материалы).
