Активная и реактивная мощность – что это
Начнем с того, что активная и реактивная мощность, это постоянные спутники нашей жизни, хотя подавляющее большинство граждан любой страны попросту не обращают на это никакого внимания. Кроме того, ассоциации, которые возникнут у многих людей при слушании или прочтении слова «реактивный», будут выглядеть, как реактивные турбины, а по большей части – современный самолет, увиденный в фильмах. Это, конечно же, далеко от истины, поэтому, вначале лучше разобраться в этих понятиях на самом простом примере из жизни.
Разобраться, что такое активная и реактивная мощность нам поможет пример двух неразлучных сестричек (условно назовем их Валя и Даша), приехавших летом на загородную дачу вместе, так как они не представляют жизни друг без друга. Валя по прибытию пошла в сарай, взяла лопату, тяпку, грабли, мешок (ведро) для мусора и пошла, работать на приусадебный участок. А вот Даша решила использовать выезд за город, как возможность отдохнуть, поэтому целый день прыгала, веселилась, лежала на топчане под деревом, наслаждаясь свежим воздухом. Получается, что Валя в этом случае представляет активную мощность (P кВт), а Даша реактивную (Q квар), хотя вместе взятые они выглядят, как бригада или полная мощность. На изображении треугольника, приведенном выше, Валя будет представлять катет BC, Даша — катет AC, а обе сестры месте взятые — гипотенузу AB (запомните этот пример – мы вспомним его позже).
Видео описание
Простыми словами о реактивной мощности.
Что это означает
В сетях переменного тока, которыми на сегодняшний день пользуется абсолютно весь мир, без активной и реактивной мощностей никак не обойтись – они взаимозависимы и даже необходимы. К активной электроэнергии относится напряжение, которое вырабатывается на ТЭС, ГрЭС, АЭС, мобильном генераторе, стоящем в гараже и т.д. – оно поступает к потребителю (на фабрики, заводы, к нам домой) и питает все электроприборы от сети ≈220-380 V. В это же время функция реактивной составляющей полного тока заключается в бесцельном блуждании от источника к потребителю и обратно. Так откуда же берётся эта, бесполезная на первый взгляд, субстанция?
Все дело в том, что в наших домах, на предприятиях и любых других электрифицированных объектах есть приборы с индуктивными катушками (для примера можно взять статор двигателя), где постоянно возникают магнитные поля. То есть, часть из них вращает ротор (якорь), а часть возвращается обратно и так до бесконечности, пока существует движение активной энергии. Это хорошо демонстрирует кружка свежего пива: с жидкостью человек выпивает лишь малую часть пены, а остальную оставляет в бокале либо сдувает на землю. Но эта самая пена является продуктом брожения (индукции), без которого пива, как такового, не будет вообще.
Сейчас уже можно подвести первый итог в понимании темы: если есть индуктивная нагрузка (а она есть всегда), то обязательно появится реактивный ток, потребляемый индукцией, которая сама его создает. То есть, индукция вырабатывает реактивную мощность, потом её потребляет, вырабатывает заново и так постоянно, но в этом кроется одна проблема. Для движения реактивной субстанции туда обратно, нужна активная энергия, которая расходуется из-за постоянного движения электронов по проводам (нагрев проводов).
Можно прийти к выводу, что активная мощность генератора, это полное противопоставление реактивной, на первый взгляд бесполезной мощности? Но это не так. Вспомните, сестры неразлучны между собой, так как любят друг друга, а пиво без пены никто не станет пить, да и забродить без неё напиток будет не в состоянии. То же можно сказать о реактивной мощности – без неё невозможно создание магнитных полей, так что с этой силой придется считаться. Но тут в дело пошли мозговые извилины изобретателей, которые решили сократить территориальное пространство (не гонять по проводам взад-вперед) этой, не совсем понятной, субстанции и вырабатывать её в непосредственной близости от объекта потребления.
Для наглядного примера можно взять всем известный электрический фен, в котором есть двигатель, вращающий вал с лопастями – он называется турбиной для подачи горячего воздуха. Так вот, чтобы разгрузить линию электропередач от бесполезной беготни реактива от станции к потребителю и обратно, в корпус прибора встраивают конденсатор нужной емкости. А представьте себе ту же электросварку или токарный цех с десятками мощных станков, – какой потенциал высвобождается реактивным током для увеличения КПД. Если говорить техническим языком, то установка конденсаторов или других статических компенсирующих элементов называется компенсацией реактивной мощности. Получается, что активная и реактивная мощность, это две неразрывно связанных между собой величины.
Вырабатывать реактивную мощность могут также и генераторы на электростанциях любого типа. Для этого достаточно сменить ток возбуждения (перевозбуждения, недовозбуждения) и генератор окажется как поставщиком, так и потребителем этой величины. Но, это всего лишь законы физики, которые в данном случае не очень выгодны для людей, поэтому лучше всего переносить емкость накопления и отдачи, как можно ближе к источнику – в корпус прибора (агрегата) или в производственный цех.
Активная и реактивная электрическая мощность
Общая зависимость электрической мощности от электрического тока и напряжения известна давно: это произведение. Помножим ток на напряжение – получим значение этой величины, потребляемой цепью из сети.
Но на деле все может оказаться не так просто. Потому что, просто умножив напряжение на ток, мы получим значение полной мощности. Казалось бы – это то, что нужно! Ведь обычно нас интересует именно полное значение любой величины.
Однако на электрическую мощность такое отношение распространять нельзя, так как электроэнергия и мощность, на основании которых изменяются показания нашего квартирного счетчика – не полные, а активные.
Активная мощность – это та мощность, которая потребляется в тот момент, когда в сети в один и тот же момент есть и напряжение, и синхронный с ним электрический ток. На самом деле, в цепях постоянного тока за исключением переходных процессов при включении-выключении так оно и бывает.
Постоянно «жмет» напряжение, если цепь замкнута – постоянно «давит» некоторый ток. В итоге полная и активная мощность становятся равны, поскольку ток и напряжение действуют согласованно.
Иное дело – цепи переменного тока. Напряжение в них меняет свое направление пятьдесят раз в секунду, а ток… иногда приотстает, а иногда опережает напряжение. К примеру, если в цепи имеется «индуктивность», то есть, катушка из провода, имеющая множество витков, то ток на таком элементе цепи «отстанет» от напряжения.
Причина заключается в противо-ЭДС самоиндукции, сопротивляющейся изменению тока в катушке. Получается, что напряжение к индуктивности уже приложено, а ток еще никак не может возрасти из-за помех со стороны противо-ЭДС.
В среде учащихся многих электротехнических ВУЗов бытует такое художественное сравнение: «Для тока требуется время, чтобы он мог пробежать через каждый виток, а напряжение – вот оно, уже на концах катушки».
ЭДС противоиндукции вызывает падение напряжения и снижение тока в цепи. То есть, катушка является источником индуктивного сопротивления. Но оно отличается от активного сопротивления тем, что на нем не выделяется никакого тепла и вообще не потребляется никакой мощности в привычном понимании.
Происходит просто «пустопорожнее» переливание электроэнергии от источника к индуктивности. И энергия, перенаправляемая туда и обратно как мяч в настольном теннисе, никуда из сети не уходит. Это реактивная энергия и потребителю в быту за нее не приходится платить энергосбытовой компании.
Реактивная энергия, производимая в сети в единицу времени, может считаться реактивной мощностью. Вычисляется она так же, как и активная – произведением реактивной составляющей тока на напряжение.
Реактивной же составляющей тока является та, которая не совпадает с напряжением по своей фазе. Величина «несовпадения» характеризуется углом сдвига фаз. В случае с чистой индуктивностью сдвиг фаз составляет максимум – 90°. Это означает, что когда напряжение достигает самого большого своего значения, ток только начинает расти.
А если в цепи расположен конденсатор (емкость), то напряжение, напротив, будет отставать от тока на 90 градусов по причине того, что для возникновения падения напряжения конденсатору требуется зарядить свои обкладки.
Точно так же источник и конденсатор в одной цепи будут обмениваться реактивной энергией, которая ни на что не будет тратиться.
В реальной цепи не бывает чисто активной или чисто реактивной нагрузки, поэтому полная мощность всегда состоит из активной и реактивной составляющей, а угол сдвига фаз находится в пределах между нулем и 90°.
Реактивная составляющая тока равна его произведению на синус угла сдвига фаз, а активная – произведению на косинус этого угла:
Полную мощность можно найти по теореме Пифагора:
При этом, реактивную мощность, в отличие от активной, нельзя исчислять в ваттах, потому что она неэффективна. Поэтому для реактивной мощности придумали особую единицу измерения – вольт-амперы реактивные (ВАРы). А полная измеряется в вольт-амперах, без уточнения характера нагрузки.
Реактивная и активная мощность — что это такое, в чем отличие, как определить коэффициент и баланс мощностей
Мощность является самой важной и распространенной физической величиной. С помощью нее происходит множество процессов, помогающим нам в быту. В этой статье мы разберемся в разновидностях мощности и местах их использования.
Любой электрический прибор работает способом подключения к электрической сети, использует переменный ток. Это важно отметить, так как в дальнейшем мы будем разбираться и связывать эти понятия с мощностью прибора.
Мощностью называют физическую величину, которая показывает отображение скорость переработки электрической энергии или ее передачу по сети. Другими словами, такое определение можно воспринимать как соотношение проделанной работы к отрезку времени, за который была выполнена работа.
Более четко понять определение слова «мощность» можно на примере простой лампы накаливания. Скорость переработки электричества, которое использовала на себя лампочка и будет ее мощность. Следовательно, чем сильнее мощность прибора изначально — тем больше прибор употребит энергии. В нашем случае это означает, что и количество света будет больше.
Рассчитывая мощность, необходимо не забывать, что она делится на реактивную, активную, и вместе составляющею (полную)
Активная мощность
Активная мощность — такая мощность, что используется и имеет потребность в электрической цепке переменного тока. Ее также можно называть истинной или реальной (настоящей). Более правильным названием все-таки — активная мощность. Единица измерения данного вида мощности — киловатт (кВт) или МВт. Это фактические результаты электрической системы, которая управляет электрическими цепями или нагрузкой.
Активная мощность (P) представляет собой полезную мощность, затрачиваемую нагрузками на выполнение реальной работы, то есть на преобразование электрической энергии в другие виды энергии.
Реальная работа, выполняемая лампой накаливания, заключается в переходе электроэнергии в свет и тепло. В электроэнергии реальная работа совершается за ту часть тока, которая находится в фазе с напряжением. На участке, где ток не совпадает по фазе с напряжением, реальной работы не будет. Реальная работа, выполняемая лампой накаливания, заключается в преобразовании электрической энергии в свет и тепло.
В электроэнергии реальная работа совершается за ту часть тока, которая находится в фазе с напряжением. На участке, где ток не совпадает по фазе с напряжением, реальной работы не будет.
Реактивная мощность
Мощность, образованную во время работы электрических приборов (только при индуктивной нагрузке, возможно и емкостной) называют Реактивной, ее же вредной. Если говорить более простыми словами — эта та мощность, что перешла от первоисточника к потребляемому прибору и вернулась в сеть.
Реактивная мощность — это тип мощности, который не совершает реальной работы и обычно связан с такими элементами (реактивными) (катушками индуктивности и конденсаторами).
Например, индуктивность нагрузки, такой как двигатель, приводит к тому, что ток нагрузки отстает от напряжения. Мощность, возникающая на индуктивности, колеблется между самой индуктивностью и источниками питания, не производящими сети. По этой причине она называется мнимой или реактивной мощностью, поскольку никакая мощность не рассеивается и не расходуется.
В связи с тем, что она вредоносна касательно сети питания, ее стараются как можно больше компенсировать.
Обозначение реактивной мощности — латинская буква Q.
Разумеется, что эта сторона мощности не несет пользы и не может быть активной, что еще раз подтверждает необходимость ее компенсации.
Если рассматривать реактивную мощность как величину в производстве — эта пустая трата средств. Если мощность повышается производство на нее тратит больше чем было задумано изначально, и, выходит, работает себе в ущерб.
КПД реактивной мощности будет считаться оптимальным, когда все возможные двигатели, что могут работать не в холостую так и будут действовать. Самыми приемлемыми показателями считается не больше 60 процентов двигателей. В таком случае производству необходим конденсаторный блок — устройство, которое предупредит перегрев всей сети.
Реактивная мощность будет появляться только в тех условиях, когда реактивные элементы присутствуют в электрической сети. Энергия, что накапливается вскоре, обращается обратно в цепь.
Все приборы также имеют допустимый коэффициент такой мощности. Если брать примером электрический прибор — это порядка 0.9-0.5. Допустимую меру всегда можно найти в инструкции или на самом приборе.
Сам смысл нагрузки реактивной мощности заключается в создании временного сдвига относительно напряжения и фаз тока Высокую производительность устройства можно достигнуть с помощью расчетов и применения формул при расчете данной мощности. Ведь это способствует меньшим затратам на энергию, без ущерба продуктивности производства. Более того, это предотвращает аварийные случаи.
Полная мощность
Часто можно столкнуться с тем, что люди не видят разницу между полной и активной мощностями. Полная мощность это связь активной и вредной мощности, то есть, реактивной. Поэтому, чтобы получить общее значение, необходимо реактивную и активную мощность посчитать вместе. Данная мощность определяется буквой S.
Треугольник мощностей
Прямоугольный треугольник, выражает свои три стороны как разные виды мощности, а именно:
- активная
- реактивная
- полная
Эти стороны треугольника имеют свойство показывать соотношение между всеми тремя силами. Эта геометрическая фигура является полезным инструментом для расчета активной, реактивной и полной мощности в цепи переменного тока, при условии, что две мощности из трех вам известны.
Существует множество комбинаций электрической нагрузки, таких как чисто резистивная, индуктивно емкостная или комбинация RL, RC, RLC, LC и т. д. Индуктивная и емкостная нагрузки потребляют реактивную мощность от источника и снова возвращают мощность в источник.
Разница емкостной и индуктивной нагрузки
Банально, но различаются эти виды нагрузки тем, что имеют емкость или же, в свою очередь, индуктивность. Это означает, что есть способность сохранять энергию в запас и спустя время преобразовывать ее в источник сети.
Для того чтобы индуктивная нагрузка преобразовалась в электрическую сеть, нужно сначала превратить ее в магнитное поле, а только затем обратить в сеть. На примере это выглядит как электрические магниты или выпрямители.
Мы представляем эти три мощности в цепи тока треугольником следующими способами:
- Основание треугольного прямоугольника будет выражать активную мощность.
- Перпендикуляр треугольника выражает реактивную мощность.
- Гипотенуза, соответственно, выходит в роли полной мощности.
Рассмотрим стороны прямоугольного треугольника в мощностях. Теперь мы способны определить мощность переменного тока, используя треугольник мощностей. Но это работает только при условии, что две мощности нам известны.
Чтобы увидеть взаимосвязь между всеми видами мощностей, достаточно также изобразить их на треугольнике мощностей.
Основные формулы и единицы измерения
Итак, на данный момент мы знаем что:
- Активная мощность-в физических расчетах обозначается буквой P, измеряется в единицах ватт (Вт)
- Реактивная мощность-в физических расчетах обозначается буквой Q, измеряется в единице вольт-ампер (Вар)
- Полная мощность-в физических расчетах обозначается S, измеряется в единице вольт-ампер.
Теперь можно обозначить основные формулы нахождения.
Полная мощность находится таким образом:
(Акт мощность2 + Реакт мощность2) = √ (P2+Q2) — это значит, чтобы найти полную мощность, необходимо вычислить корень суммы активной и реактивной мощности в квадрате
(Полн мощность2 – Акт мощность2) = √(S2-P2) √ (Полная мощность2 – Реактивная мощность2) — похожая схема, только происходит вычисление вместо суммирования мощностей
(Полн мощность2 – Реакт мощность2) — √ (S2 –Q2) — в целом все просто.
Как найти активную, реактивную и полную мощность:
Существует множество случаев, где для вычисления одной величины могут понадобиться разные данные и формулы. Таким образом,чтобы найти мощности в однофазной сети понадобится формула: P = V I cosθ, в то время как для трехфазной немного иная: P = √3 VL IL cosθ.
Но, важно отметить, что вычисления должны происходить в одинаковых единицах измерения. То есть, киловольт метры необходимо переводить в вольт-амперы.
Таким образом, мы рассмотрели мощность как физическую величину, ее подвиды и свойства. Работу всех мощностей при производстве и их пользе. Важно отметить, что любая мощность имеет недостатки и пользу, в некотором роде даже вредная (реактивная мощность)
Формулы при расчетах также важно подбирать верно и безошибочно, так как существует множество ситуаций, где расчет провести не так просто.
Активная и реактивная мощность: определение, формулы, как найти — понятная информация для чайников
Что такое активная и реактивная мощность, кто их придумал и какие формулы существуют для их расчета – все это несложные вопросы физики, если рассказать о них простыми словами. Поймут даже чайники.
Мощность в цепи переменного электрического тока
Многих пугает все разнообразие мощностей, которое описывается в задачниках по физике. Но все не так сложно, если ознакомиться с теорией, написанной простыми словами. Что такое активная и реактивная мощность, как они соотносятся между собой и что на самом деле означает выражение на полную мощность.
Для начала стоит вспомнить, что же собственно подразумевается под мощностью в физике. Это соотношение передаваемой энергии от одной системы к другой в течение определенного времени передачи. Мощность обычно измеряют в Ваттах (сокращенно Вт/W), которые представляют собой 1 джоуль энергии, который передается другой системе за 1 секунду.
И лишь в астрофизике или теоретической физике могут применяться другие величины для мощности, но они уже не являются системными по умолчанию. В электричестве под этим понятием подразумевается именно передача электроэнергии. Далее речь пойдет о сетях переменного тока, которые используются в быту и производстве.
Если говорить о практическом значении физики, то, в первую очередь, интерес будет представлять активная мощность. Реактивная мощность интересует тех, кто собирается заниматься процессами ее компенсации.
На заметку! Следует отметить уникальность единицы измерения активной мощности, которая отличается среди всех остальных типов мощностей.
Мощность переменного тока может быть разделена на:
- P — активную;
- Q — реактивную;
- S — полную.
Что такое активная мощность
Активная мощность — это некая часть мощности, связанная непосредственно с трансформацией в какой-либо другой вид энергии. Она измеряется в таких единицах измерения, как ватты, сокращенно Вт. Когда речь заходит о формулах, в них активная мощность обозначается буквой Р. Она также связана с неким периодом частоты переменного типа тока. Логично, что этот тип мощности может описывать процессы лишь с участием переменного тока.
Бытовые электроприборы обладают различной мощностью. В чем измеряется их активная мощность, уже шла речь выше: в ваттах. Другая проблема, что производители бытовых приборов часто указывают лишь пиковую мощность, которую устройство готово демонстрировать лишь на протяжении ограниченного временного промежутка.
Одна из наименьших активных мощностей у зарядных устройств – всего около 2 Вт в час. Одна из наибольших у бытовых моек высокого давления – мощность доходит до 3500 Вт. Где-то посередине окажутся стиральные машины, водонагреватели и блендеры.
Интересно! Единица измерения активной мощности, ватты, названа в честь шотландского инженера и изобретателя Джеймса Уатта, жившего на рубеже XVIII – XIX веков.
Среди наименее известных изобретений механика значится машина для копирования скульптур и барельефов. А наиболее известна первая придуманная им единица для измерения мощности – это была лошадиная сила. Здесь речь шла не о движении, производимом в горизонтальной плоскости, а о способности лошадей поднимать людей или грузы в шахтах.
Что такое реактивная мощность
Реактивная мощность – это та часть мощности, которая вернется в сеть обратно. Более детально этот процесс можно описать так: это «вредоносный» процесс, который не полезен для всей системы, он характерен для устройств с нагрузкой индуктивного или емкостного типа.
Логично, что эта часть мощности никак не помогает полезным процессам, не является активной. Задача состоит в том, чтобы компенсировать реактивную мощность. Ее обозначают заглавной буквой Q, а единица измерения реактивной мощности: вольт-амперы, которые обозначаются как Вар.
Что такое полная мощность
Если кратко, то в бытовом аспекте многие путают активную и полную мощность, называя «полной» активную. На самом деле полная мощность – это сочетание активной и неполезной реактивной.
Так что в сети переменного тока считают вместе рассеиваемую и поглощаемую мощность, и получают общее значение. Мощность в этом случае обозначается буквой S. Для ее измерения также используются единицы Вар.
Смысл реактивной нагрузки
Что такое реактивная мощность в рамках производства – это потеря средств. Как только она становится повышенной, предприятие может начать тратить на электроэнергию больше, чем изначально рассчитывалось.
Полная мощность должна включать как можно меньше работы для двигателей вхолостую, нормальным считаются показатели от 60% и выше. Важно перенаправить все так, чтобы избежать чрезмерного перегрева проводников сети. Чаще всего это достигается тем, что устанавливается устройство под названием конденсаторный блок.
Что такое реактивная мощность – мощность, которая появляется в тех сетях, в которых присутствуют реактивные элементы. Энергия накапливается в цепи, после чего она возвращается обратно.
Таким образом, устройства нагреваются при работе, что можно заметить по длительной работе даже такого маломощного предмета ежедневного быта, как зарядное устройство для смартфона.
Для электроприбора есть нормальный коэффициент реактивной мощности. Обычно он составляет от 0,9 до 0,5. Производители указывают его в инструкции по эксплуатации или в паспорте устройства.
Смысл реактивной нагрузки состоит в том, что она создает сдвиг по времени между напряжением и фазами тока. Расчеты и применение формул для вычисления реактивной мощности позволяют не только достигать высокой производительности устройств при меньших затратах на электроэнергию, но и помогают избегать аварийных ситуаций.
Часто возникает вопрос, как правильно определять коэффициент реактивной мощности в случае с бытовыми электросетями перед домашним счетчиком.
Для этого используется формула:
В данном случае Еw – это активная мощность, а вот Eq – это уже реактивная.
Треугольник мощностей
Формула расчета полной, активной и реактивной мощностей достаточно понятно может описывать взаимоотношения этих трех аспектов. Но яснее их взаимоотношения можно выразить на плоскости в виде треугольника мощностей. Так как все они тригонометрически соотносятся. Угол, который возникает между полной и активной мощностями называется фазовым углом и ясно показан на рисунке.
Формулы и единицы измерения
Единица измерения реактивной мощности такая же, как у полной – вольт-амперы, Вар, а для расчета активной используется единица в виде Вт.
Что такое активная и реактивная мощность в совокупности – так называемая полная мощность. Она рассчитывается по следующей простой формуле:
√ (Активная мощность2 + Реактивная мощность2)
То есть требуется найти квадратный корень из суммы квадрата активной и квадрата реактивной мощностей.
Как найти реактивную мощность:
√ (Полная мощность2 – Активная мощно сть2)
То есть квадратный корень из вычитания квадрата активной мощности из квадрата полной мощности. Когда речь заходит о вычислении активной мощности, то применяется, соответственно, формула:
√ (Полная мощность2 – Реактивная мощность2)
Квадрат из вычитания квадрата реактивной мощности из квадрата полной мощности.
Также могут понадобиться другие формулы для точных вычислений в некоторых случаях. Для однофазных цепей может применяться своя формула:
А в трехфазных цепях уже будет действовать следующий вариант:
P = √3 VL IL cos θ
Важно! Во всех случаях необходимо внимательно следить за единицами измерений. Киловатты необходимо еще до вычисления по формулам переводить в ватты. Киловольтамперы, соответственно, переводят в вольтамперы.
Как найти активную, реактивную и полную мощность
Коэффициент реактивной мощности позволяет оптимизировать работу и избежать нагрева устройства. Профессионалы обычно используют большее количество параметров в расчетах, чтобы компенсировать негативные моменты реактивной мощности. Но для решения рядовых задач по физике вполне применима приведенная выше формула.
Полная мощность, активная и реактивная мощность для чайников может быть представлена несколькими формулами. Важно лишь помнить о ситуационных единицах измерения, об актуальных обозначениях и о треугольнике мощностей, чтобы справиться с расчетами.