- •А.А. Башев, а.А. Кралин, н.Г. Панкова
- •Часть 1
- •140400 «Электроэнергетика и электротехника» Нижний Новгород 2014
- •Оглавление
- •3.1. Основные определения. Трехфазная система эдс …..………….. 69
- •1.2. Источники электрической энергии: источники эдс и источники тока
- •1.3. Законы Ома, Кирхгофа и закон сохранения энергии
- •1.5. Методы расчета линейных электрических цепей Расчет цепей с использованием законов Кирхгофа
- •Метод контурных токов
- •Метод узловых потенциалов. Метод двух узлов
- •Принцип и метод наложения (суперпозици)
- •Метод эквивалентного генератора
- •2. Электрические цепи однофазного синусоидального тока
- •2.1. Основные определения. Изображения синусоидальных функций времени векторами на комплексной плоскости
- •2.2. Активное сопротивление, индуктивность и конденсатор в цепи синусоидального тока
- •2.3. Комплексное сопротивление и проводимость. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Векторные и потенциальные (топографические) диаграммы
- •2.4. Активная, реактивная и полная мощности. Баланс мощностей
- •2.5. Методы расчета разветвленных цепей синусоидального тока, основанные на свойствах линейных цепей
- •2.6. Резонансные режимы в цепи. Резонанс напряжения, резонанс токов. Частотные характеристики резонансных цепей
- •2.7. Расчет цепей с индуктивно связанными элементами
- •3. Электрические цепи трехфазного тока
- •3.1. Основные определения. Трехфазная система эдс
- •3.2. Схемы соединения трехфазных цепей
- •3.3. Расчет трехфазных цепей
- •Соединение нагрузки треугольником
- •3.4. Активная, реактивная и полная мощности трехфазной системы
- •4. Практическая часть
- •Раздел 1. Цепи постоянного тока
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Раздел 2. Основы символического метода
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Раздел 3. Расчет цепей символическим методом
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Раздел 4. Трёхфазные цепи. Высшие гармоники в трёхфазных цепях
- •Список литературы
- •Башев Александр Александрович
2.4. Активная, реактивная и полная мощности. Баланс мощностей
Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток. Пусть напряжение и ток являются синусоидальными функциями времени:
.
Получим выражение для мгновенной мощности: (2.29)
Из (2.29) следует, мгновенная мощность изменяется с частотой , в два раза превышающей частоту тока и напряжения.
Среднее значение мгновенной мощности за период T называют активной мощностью и обозначают буквой P:
(2.30)
При выводе (2.30) учтено равенство
Учитывая из треугольника сопротивлений (рис.2.15) соотношение и из треугольника проводимостей (рис.2.16), получаем из (2.30) следующие выражения для активной мощности:
(2.31)
Активная мощность измеряется в ваттах (Вт) и характеризует необратимое преобразование электрической энергии, которая выделяется в виде теплоты на участках цепи в активных сопротивлениях. В электрических двигателях потребляемая из сети активная мощность преобразуется в механическую мощность (за вычетом потерь в процессе преобразования) и является их основной характеристикой.
Множитель называется коэффициентом мощности. Коэффициент мощности является одной из важнейших характеристик электротехнических устройств, и повышение его до предельного значенияостается одной из основных задач энергосбережения.
Рассмотрим идеальные реактивные элементы (индуктивность и емкость). Активная мощность в этих элементах равна нулю, так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90o и
В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов. Происходит обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.
Преобразуем выражение (2.29) для мгновенной мощности:
где - мгновенная мощность в активном сопротивлении;
- мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).
Максимальное или амплитудное значение мощности p2 называется реактивной мощностью:
Q =(2.32)
где x, b – соответственно реактивные сопротивление и проводимость. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр) и расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.
Амплитудное значение суммарной мощности p = p1 + p2 называется полной мощностью. Полная мощность, измеряемая в вольт-амперах (ВА), равна произведению действующих значений напряжения и тока:
. (2.33)
Возьмем треугольник сопротивлений (рис.2.15) и умножим его стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей (рис. 2.17).
Рис. 2.17
Из треугольника мощностей получим соотношения между мощностями P, Q, S:
Q =, . (2.34)
При расчете электрических цепей комплексным методом используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного напряжения на сопряженный комплекс тока. Для цепи, имеющей активно-индуктивный характер, ток по фазе отстает от напряжения на угол
,
где - комплекс напряжения;- комплекс тока;- сопряженный комплекс тока;- сдвиг по фазе между напряжением и током. Вещественной частью полной комплексной мощности является активная мощность, мнимой частью комплексной мощности - реактивная мощность:
Q = . (2.35)
Для цепи, имеющей активно-емкостной характер, ток по фазе опережает напряжение .
Активная мощность всегда положительна. Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, - положительна, а в цепи с емкостным характером - отрицательна.
При выводе полученных соотношений предполагалось, что на зажимах цепи действует напряжение U. Если к зажимам цепи присоединен идеальный источник синусоидальной ЭДС с действующим значением E, то выражения (2.31)-(2.33), (2.35) для источника имеют следующий вид:
Q=
; Q = . (2.36)
Из закона сохранения энергии следует, что для электрической цепи соблюдается закон баланса активных мощностей: активная мощность, генерируемая источниками, равна активной мощности, потребляемой всеми приемниками.
Покажем, что соблюдается баланс и для комплексных, и, следовательно, для реактивных мощностей. Определим комплексные мощности для схемы (рис.2.7), содержащей идеальный источник синусоидальной ЭДС, последовательно соединенные активные и реактивные сопротивления приемника.
Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа, умножим левую и правую части уравнения на сопряженный комплекс тока и учтем свойства произведения комплексно сопряженных чисел:
, ,
где - результирующее реактивное сопротивление.
,
где - полная комплексная, активная и реактивная мощности источника питания.
,
где активная и реактивная мощности, потребляемые элементами схемы.
Получим уравнение для комплексных мощностей источника и приемника:
(2.37)
Равенство (2.37) выражает баланс комплексных мощностей источника и приемника. При равенстве комплексных чисел равны по отдельности их вещественные и мнимые части, следовательно, уравнение (2.37) можно записать в следующей форме:
. (2.38)
Из следует (2.38), что для электрической цепи соблюдается закон баланса реактивных мощностей: реактивная мощность, отдаваемая источниками, равна реактивной мощности, потребляемой всеми приемниками.
Рассмотрим условие передачи источником максимальной мощности при заданном коэффициенте мощности приемника.
В схеме на рис. 2.18 обозначены : - полное, активное и реактивное сопротивления источника ЭДС,- полное, активное и реактивное сопротивления нагрузки.
Рис. 2.18
Активная мощность может выделяться только в активных сопротивлениях цепи переменного тока. Активная мощность, выделяемая в нагрузке,
. (2.39)
Активная мощность, развиваемая генератором . Коэффициент полезного действия (КПД) для данной схемы:
.
Из (2.39) видно, что выделяемая в нагрузке мощность будет максимальной, когда знаменатель минимален. Последнее имеет место при , т.е. при. Это означает, что реактивные сопротивления источника и нагрузки должны быть одинаковы по модулю и иметь разнородный характер. При индуктивном характере реактивного сопротивления источника реактивное сопротивление нагрузки должно быть емкостным, и наоборот:
. (2.40)
Установим условие, при котором от источника к нагрузке будет передаваться наибольшая мощность:
.
отсюда .
От источника к нагрузке передается наибольшая мощность, когда
; . (2.41)
Величина наибольшей мощности
. (2.42)
Режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке называется согласованным режимом, а подбор сопротивлений согласно равенствам (2.41) - согласованием нагрузки с источником.
В согласованном режиме величина КПД составляет:
.
Половина мощности теряется внутри источника. Поэтому согласованный режим не используется в силовых энергетических цепях. Этот режим используют в информационных цепях, где мощности могут быть малыми, и решающими являются не соображения экономичности передачи сигнала, а максимальная мощность сигнала в нагрузке.