Мощность переменного тока

Долгое время шел спор между выдающимися учеными и изобретателями Теслой и Эдисоном об использовании тока. Эдисон настаивал на целесообразности постоянного тока, а Тесла придерживался противоположной точки зрения. Второй вариант доказал свою эффективность, и мы познакомимся с таким понятием, как мощность переменного тока и его основными характеристиками.

Примером может стать подключенный к нагрузке типовый генератор.

Расчет мощности переменного тока

Напряжение между двумя клеммными точками на выходе претерпевает изменения при произвольной нагрузке.

Меняющийся ток протекает в цепях нагрузки. Определение потребляемой от генератора мощности нагрузки – наша главная цель. Изменяющееся по определенной формуле направление на входе, определяется в качестве исходной данной:

(U(t) = U(m) cos w t)

В нашем случае нагрузка — понятие переменчивое.

В проводах, приводящих мощность к нагрузке, сила тока претерпевает изменения. Наблюдается идентичность частоты колебаний напряжения и аналогичного параметра тока, но в промежутках колебания напряжения и тока мы сталкиваемся с таким понятием, как сдвиг фазы.

(I (t) = I (m) cos w t)

P (t) = I (t) U (t) –определяем показатели мощности.

Данный закон одинаково справедлив и для варианта с постоянным током, так и при вычислении мощность переменного тока.

(I (t) = I (m) cos (wt + J)

Три формулы помогут для точного вычисления мощности переменного тока. Вышеприведенные операции — основная формула, применяемая при процедуре определения силы напряжения и тока.

Меняющийся характер нагрузки не позволяет воспользоваться законом Ома, который действителен для однородных участков цепи.

Определение результата

Воспользуемся тригонометрическими формулами,  добавим значения силы тока и напряжения в исходную формулу:

cosa cosb = cos(a +b) + cos(a — b) / 2

Проводим последующие вычисления:

P(t) = I(m) U (m) cos (wt + J) cos wt

Далее мы упрощаем имеющиеся данные и получаем:

P(t) = I(m) U (m)/2 cos (wt + J) + I(m) U (m) cosJ

При рассмотрении становится очевидным, что первое слагаемее меняется по гармоничному закону и полностью зависит от времени, а второе – неизменная постоянная величина. Сумма подобных составляющих и будет выражать мощность переменного тока.

При отрицательном показателе нагрузка выполняет раскрутку генератора, а при положительном происходит потребление энергии от генератора самой нагрузкой.

Способом деления работы, выполненной электрическим током на величину периода времени, можно узнать среднее значение мощности за данный промежуток. Параметры трехфазной цепи всегда выглядят, как результат сложения составляющих постоянного и переменного вида.

Реактивная и активная мощность

Аналогичность многих физических явлений будет той базой, на основе которой можно в доступной форме уяснить суть реактивной и активной мощности переменного тока.

Самый простой пример – стакан, как примитивная электростанция, трубка в качестве провода и вода, представлящая собой энергию.

Подымая стакан на определенную высоту, мы создаем повышенное давление и напряжение.

Активной будет энергия емкости и индуктивности. Характеристики мощности полностью зависят от потребляющих энергию подобного вида элементов. Эти компоненты способны выполнять преобразование энергии в другой вид. Можно привести способы трансформации в движение, выполняемое моторами, поток света от лампочек или тепло в утюге.

Смысл подобного процесса состоит в накоплении определенного объема энергии с последующим возвратом. Траты на какие-то работы не происходит, но сопротивление виртуального трубопровода отбирает определенный процент от общего количества. К полной мощности цепи всегда добавляется процент затрат на усилия. По этой причине для крупных промышленных объектов всегда будет актуальным решение проблемы с уменьшением реактивной составляющей полной мощности.

Преобразование мощности

Геометрическая сумма накапливаемой в элементе реактивной мощности преобразовывающейся в другие виды активной, представляет собой полную мощность.

Тригонометрические функции применяются для процедуры вычислений. Это выглядит достаточно наглядно на таком примере – потребуется взять обыкновенный прямоугольный треугольник. В нем сторонами будут прилегающие к углу в 90° катеты и гипотенуза. Отношение длины прилегающего у одному из углов катету к гипотенузе – косинус.

Для противоположного катета данное отношение имеются синусом. Вычисление параметров длины всех сторон и углов легко сделать, если известны значения хотя бы одной стороны и угла.

Выше приведены формулы, основанные на этом правиле для вычисления мощности цепи переменного тока. В ней тоже задействован принцип расчетов произведением тока на напряжение, но трактовка немного отличается от ситуации с участком постоянного вида.

Индуктивность

В трехфазной цепи активная мощность направляется на выполнение полезной работы, а реактивная затрачивается исключительно для преодоления сопротивлений емкости и индуктивности.

Для примера можно взять источник с частотой 50Гц и напряжением 220 Вт, датчик напряжения и ток от источника с характеристиками индуктивного и активного сопротивления 1 Ом.

Наблюдается несовпадение по фазе при запуске данного устройства. Угол при переходе через 0 (коэффициент мощности сети) напрямую зависит от показателей индуктивного сопротивления нагрузки. Увеличение тока сети происходит по мере уменьшения сдвига. Конденсаторы используются в случае невозможности снизить сопротивление катушки для улучшения косинуса сети.

Подключение конденсаторной батареи приводит к снижению косинуса практически до 0. Это способствует и резкому снижению параметров тока, который имеет различное амплитудное значение без батареи и в момент ее включения батареи.

Проблемы в энергосистеме могут возникнуть, если не отключить от сети компенсирующие устройства при отсутствии мощной нагрузки.