Если мы подключим к сети переменного тока активное сопротивление, то форма напряжения на нем и форма тока будут совпадать. Все расчеты в такой цепи определяются действующими значениями тока и напряжения. Амперметры и вольтметры переменного тока также измерят действующие величины. Математически они определяются как среднеквадратичное значение тока или напряжения за период и эквивалентны значениям постоянного тока или напряжения по количеству выделяемого тепла. Все просто.
Но давайте подключим реактивный элемент к цепи переменного тока, например конденсатор. Форма тока и напряжения на нагрузке перестанут совпадать. (Я промоделировал в SwCAD).
- km3.PNG (8.09 КБ) 23432 просмотра
Конденсатор будет накапливать энергию, и отдавать ее назад в сеть. По диаграмме видно, что средние значения тока и напряжения на конденсаторе равны 0. На конденсаторе не остается энергии. Все, что получил, все вернул. Появилась реактивная мощность. Она не совершает полезной работы. Она накапливается на реактивных элементах, и возвращается в сеть питания. Возвращается по питающим проводам, от чего на их активном сопротивлении выделяется мощность потерь. Поэтому необходимо стремиться к увеличению коэффициента мощности. В идеале, для активной нагрузки он равен 1.
В отличие от постоянного тока в цепях переменного тока существуют понятия:
- P - активная мощность, та, что выделяется на нагрузке, совершает полезную работу. Измеряется в Вт.
Q - реактивная мощность, накапливается на реактивных элементах и возвращается в сеть. Именно она создает тепловые потери в проводах сети. Измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАР).
S – полная мощность. Вычисляется как произведение действующих значений тока и напряжения на нагрузке S = U * I. Измеряется в вольт-амперах (ВА).
P = S * cos ϕ.
Для синусоидальных форм тока и напряжения значение cos ϕ равно коэффициенту мощности. Т.е. cos ϕ это синоним коэффициента мощности для цепей с синусоидальным током нагрузки.
Как только форма тока нагрузки перестает быть синусоидальной, все меняется. Большинство современных потребителей электроэнергии переменного тока имеют выпрямительно-конденсаторную нагрузку и искажают форму тока. Вот эквивалентная схема таких нагрузок.
- km1.JPG (9.92 КБ) 23432 просмотра
Напряжение сети выпрямляется, затем сглаживается на конденсаторе. Сама нагрузка имеет активно-емкостной характер, но выпрямительные диоды имеют нелинейную характеристику. В результате ток потребляется только в середине периода и имеет сильно искаженную форму.
- km4.JPG (9.28 КБ) 23432 просмотра
У подобных потребителей электроэнергии коэффициент мощности около 0,7.
Вот таблица примерных значений коэффициентов мощности для разных потребителей электроэнергии.
Часто встречается поисковый запрос ”коэффициент мощности на постоянном токе”. Так вот, в цепях постоянного тока понятия коэффициент мощности не существует. Нет реактивной мощности, нет коэффициента мощности.
Как измерить коэффициент мощности.
Для измерения в цепях с синусоидальным током, т.е. для измерения cos ϕ существуют специальные приборы – фазометры.
- km5.jpg (8.1 КБ) 23432 просмотра
Для измерения коэффициента тока в цепях с искажением формы тока нагрузки используют следующую методику.
Надо собрать несложную схему.
Дальше необходимо посчитать полную мощность, как произведение показаний амперметра и вольтметра
S = I * U.
Остается разделить активную мощность (показания ваттметра) на вычисленную полную мощность
λ = P / S.
В результате получим значение коэффициента мощности.
Вольтметр и амперметр переменного тока есть у всех. А вот ваттметр активной мощности найти не так просто. Его можно заменить счетчиком электроэнергии. Современные электросчетчики имеют класс точности 1, т.е. измерения получатся по точности не хуже чем с ваттметром.
Для вычисления активной мощности нужно замерить время, например, 10 калибровочных импульсов (миганий светодиода на передней панели электросчетчика). Дальше, вычислить время периода для одного импульса, т.е. разделить на 10. Зная передаточный коэффициент счетчика (обычно 3200 импульсов на 1 кВт ч) можно вычислить активную мощность на нагрузке.
P = 3600 / 3200 / Tимп
- P – активная мощность (кВт);
Tимп – период калибровочных импульсов (сек);
3200 – коэффициент счетчика;
3600 – количество секунд в часе.
