Мощность переменного тока

(1.18)

Энергия в катушке индуктивности не расходуется. В первую чет­верть периода она запасается в ее магнитном поле, а во вторую — отдается источнику тока. Произведение напряжения UL на величи­ну силы тока I в цепи называется реактивной мощностью.

В рассмотренной цепи активная мощность равна нулю, так как энергия в ней не расходуется, сдвиг по фазе между векторами тока I и напряжением U равен 90 ° и cos φ = 0.

Переменный ток в цепи с последовательными активным и индук­тивным сопротивлениями. Теперь рассмотрим цепь с реальной ка­тушкой, которую можно представить как цепь с последовательно включенными индуктивностью L и активным сопротивлением R (рис. 1.7). Если в цепи с последовательными активным и индуктив­ным сопротивлениями протекает переменный синусоидальный ток, то напряжение на индуктивности, как было установлено ранее, опережает ток на 90°, а напряжение на активном сопротивлении совпадает с ним по фазе.

Так как напряжения UL, UR по фазе не совпа­дают, то напряжение, приложенное ко всей цепи, равно их геомет­рической сумме. Сложив векторы UL и UR, нахо­дим величину вектора U, который сдвинут по фазе относительно вектора тока I на угол φ < 90°, опережая его. Таким об­разом, в цепи переменно­го тока с последователь­но соединенным активным сопротивлением и катушкой индуктивно­сти ток отстает по фазе от напряжения.

Построив векторную диаграмму, рассмотрим треугольник со сто­ронами UL, UR, U. Этот треугольник называется треугольником напря­жений. Так как он прямоугольный, то

(1.19)

Из треугольника напряжений можно получить подобный ему треугольник сопротивлений со сторонами R, XL и Z Из этого треу­гольника полное сопротивление цепи равно:

(1.20)

Так как сдвиг по фазе между током и напряжением меньше 90°, то энергия в такой цепи расходуется лишь на активном со­противлении R.

Активная мощность при этом равна:

(1.21)

Цепь переменного тока с емкостью. Если к источнику перемен­ного тока подключить конденсатор, то в цепи появится ток. Спо­собность конденсатора пропускать переменный ток объясняется тем, что под действием переменного синусоидального напряже­ния конденсатор периодически заряжается и разряжается, вслед­ствие чего происходит перемещение электрических зарядов в про­водниках, соединяющих конденсатор с источником тока. Соотно­шение фаз тока и напряжения представлено на рис. 1.8. В и, епи с емкостью ток опережает по фазе напряжение на 90°. Закон Ома для цепи переменного тока с емкостью определяет действующее зна­чение силы тока:

(1.22)

Величина называется емкостным сопротивлением. Она обратно пропорциональна частоте тока в цепи и емкости конден­сатора. Измеряется в омах (Ом).

1.9.  Мощность переменного тока

Для цепей переменного тока различают активную, полную и реактивную мощности.

Активная мощность представляет собой действительную мощ­ность переменного тока, аналогичную мощности, развиваемой постоянным током. Она производит полезную работу; может быть преобразована с помощью электродвигателей в механическую мощ­ность, механическую энергию; измеряется в ваттах (Вт) и опреде­ляется по формуле

(1.23)

Полной мощностью называют максимально возможную величи­ну активной мощности, развиваемую переменным током при за­данных значениях напряжения и силы тока и при наиболее благо­приятных условиях, а именно, когда cos φ = 1. Полная мощность обозначается латинской буквой S и измеряется в вольт-амперах (В-А). Из определения полной мощности следует выражение

(1.24)

Сравнивая между собой формулы (1.23) и (1.24), находим со­отношение между активной и полной мощностями:

(1.25)

(1.26)

Полной мощностью (кВ А) принято измерять мощность гене­раторов переменного тока, машин, производящих электроэнер­гию, и трансформаторов, аппаратов, предназначенных для преоб­разования электрической энергии одного напряжения в электри­ческую энергию другого напряжения. Полная мощность этих ма­шин определяется произведением номинальных (нормальных) ве­личин их напряжения и силы тока (т. е. величин этих параметров, на которые рассчитаны машины). А активная их мощность зависит от коэффициента мощности, при котором они работают (Р= Scosφ). В свою очередь этот коэффициент мощности зависит от соотноше­ния величин активного и реактивного сопротивления, включен­ных в цепь, иными словами, от характера электроприемников, питаемых данным генератором или трансформатором.

Реактивная мощность. Для рассмотрения реактивной мощнос­ти необходимо иметь представление об активной и реактивной со­ставляющих переменного тока. Сравнивая между собой формулы для определения мощности переменного и постоянного тока, мож­но видеть, что на месте полной величины силы тока I в формуле мощности стоит выражение I cos φ, где cos φ — величина, меньше единицы (и только в отдельных случаях равная ей). Отсюда следу­ет, что в цепях переменного тока не весь ток создает полезную, активную мощность, а только некоторая его часть, которая на­зывается активной составляющей тока.

Проекция вектора тока на горизонталь­ное направление, перпендикулярное вектору напряжения, равная /sin<p, называется ре­активной составляющей переменного тока. Реактивная составляющая тока не участвует в создании активной мощности.

Произведение действующего в цепи на­пряжения на реактивную составляющую тока носит название реактивной мощности и обо­значается латинской буквой Q. Реактивная мощность измеряется в единицах, называе­мых «вар». Из приведенного определения ре­активной мощности вытекает соотношение

(1.27)

где Q — реактивная мощность, вар; U — напряжение, В; I — сила тока, A; sin φ — числовой коэффициент, зависящий от угла сдвига фаз в данной цепи.

Реактивная мощность, так же как и реактивная составляющая тока, характеризует собой ту энергию, которая идет на создание магнит­ного поля индуктивности или электрического поля конденсатора (если последний включен в данную цепь). Эта энергия в процессе протека­ния переменного тока в цепях со сдвигом фаз совершает непрерыв­ные колебания между источником энергии и ее потребителем.

Активная, реактивная и полная мощности переменного тока связаны между собой соотношением

(1.28)

Это соотношение можно представить как векторную диаграм­му, получаемую на основании диаграммы напряжений или токов, носящую название «треугольника мощностей» (рис. 1.9). Два катета этого треугольника представляют собой в том или ином масштабе активную и реактивную мощности (соответственно в кВт и квар), а гипотенуза — полную мощность (в кВ-А). Угол ср численно равен углу сдвига фаз тока и напряжения в цепи. Значение косинуса это­го угла называют коэффициентом мощности.

1.10.  Понятие о трехфазном токе и его получении

Трехфазной системой называется совокупность трех однофаз­ных цепей, в которых действуют три ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе одна относительно другой на 120°. Такая систе­ма получила наиболее широкое распространение, ибо она позво­ляет при передаче одной и той же мощности получить экономию металла в проводах, уменьшить потери энергии и создать простые и удобные в эксплуатации трехфазные двигатели переменного тока.

На рис. 1.10 показана система, состоящая из трех отдельных генераторов (рис. 1.10, б), и упрощенная схема генератора трех­фазного тока (рис. 1.10, а). Трехфазный генератор имеет три об­мотки, в которых индуктируются три ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Каждая обмотка называется фазой, а напряжение на фазе — фазным напряжением (£/ф). Нагрузка подключается к обмоткам ге­нератора линейными проводами и нулевым проводом, который в некоторых случаях может отсутствовать.

Напряжение между линейными проводами называется линейным напряжением (Un). Ток в фазе генератора или нагрузки называется фазным током, а ток в линейном проводе — линейным током. Обмот­ки генератора и нагрузка могут включаться в «звезду» или в «треу­гольник». На рис. 1.11 показано соединение в «звезду»: начало или

концы обмоток генератора соединяют в одну точку. К оставшимся концам обмоток подключают линейные провода, а к общей точке — нулевой провод. Если нагрузка равномерная, то нулевой провод не нужен, ибо он обеспечивает независимость работы фаз при неравно­мерной нагрузке, когда по нему текут уравнительные токи.

Линейное напряжение при соединении в «звезду» в — Д раз боль­ше фазного, линейные и фазные токи одинаковы:

(1.29)

Чтобы соединить обмотки генератора в «треугольник», необхо­димо конец первой обмотки соединить с началом второй; конец второй — с началом третьей; конец третьей — с началом первой. Линейные провода подключают к точкам соединения фаз (рис. 1.12).

При соединении в «треугольник» линейные и фазные напряже­ния равны, а линейный ток в 7з раз больше фазного:

(1.30)

Мощность трехфазной системы складывается из мощностей каждой фазы. Чтобы найти общую мощность, надо по формуле Р=IФUФcosφ определить мощность в каждой фазе и все три мощ­ности сложить. Так поступают при любых нагрузках.

Общая мощность может быть определена по формуле

(1.31)

если нагрузка равномерная, т. е. если сопротивление и характер нагрузки всех трех фаз одинаковы.

1.11. Электроизмерительные приборы

Электроизмерительными приборами называются приборы, слу­жащие для измерения электрических величин. Они классифициру­ются по следующим признакам:

по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, оммет­ры, ваттметры и комбинированные;

по роду тока: приборы постоянного тока, переменного тока и комбинированные;

по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнит­ные, электродинамические, индукционные, термоэлектрические, электростатические, электронные и др.;

по погрешностям измерений: на восемь классов — 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры показывают максимальную погрешность в процентах, которая возможна у прибора данного класса. Напри­мер, погрешность показаний амперметра класса 1,5 не превышает ±1,5%.

Существует два основных метода электрических измерений: метод непосредственной оценки; метод сравнения.

В методе непосредственной оценки измеряемая величина от­считывается непосредственно по шкале прибора. Достоинство ме­тода — удобство отсчета показаний прибора и малая затрата вре­мени на операцию измерения. Недостаток — сравнительно невы­сокая точность измерений.

В методе сравнения измеряемая величина сравнивается непос­редственно с эталоном. Метод сравнения используется в лабора­торных условиях.

Кроме обычных показывающих приборов, которые указывают то или иное измерение на данный момент времени (обычно стрелкой на шкале прибора) существуют самопишущие измерительные приборы, записывающие непрерывно на движущейся ленте свои показания.

Условные обозначения, определяющие основные характерис­тики прибора, выносятся на шкалу электроизмерительного при­бора (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Основные условные обозначения, выносимые на шкалу электроизмерительного при­бора

Пример. На шкале прибора имеются следующие условные обозначе­ния: 2,5; ;;;; Б. Это значит, что погрешность при из­ мерении — 2,5%; род тока — постоянный и переменный; электромагнит­ная измерительная система; вертикальная установка; изоляция испытана при напряжении 2 кВ; прибор предназначен для установки в закрытых неотапливаемых помещениях.

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

2.1.  Общие сведения

Электрические машины, действия которых основаны на элект­ромагнитных явлениях и которые служат для преобразования ме­ханической энергии в электрическую, называют электромашинными генераторами, а преобразующие электрическую энергию в механическую — электродвигателями. Применяют также электри­ческие машины для преобразования электрической энергии одних параметров в другие, которые называют преобразователями. Пре­образовываться могут: род тока, частота, напряжение, число фаз и другие параметры электроэнергии.

Электрические генераторы приводятся во вращение паровыми и водяными турбинами, двигателями внутреннего сгорания и др. Электродвигатели служат для приведения в действие станков, раз­личных машин, транспортного оборудования и др.

К электрическим машинам относят трансформаторы — стати­ческие аппараты, не имеющие движущихся частей, но по своему устройству и принципу действия имеющие много общего с элект­рическими машинами.

Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать генератором. Если их вращать каким-либо двигате­лем или подводить к ним электроэнергию, они могут использо­ваться как электродвигатели. Однако при проектировании элект­ромашин учитывают требования, предъявляемые особенностями их работы генератором или электродвигателем.

Электрические машины подразделяются на машины перемен­ного и постоянного тока.

Электрические машины переменного тока разделяют на синх­ронные, асинхронные, коллекторные.

Наибольшее применение имеют синхронные генераторы пере­менного трехфазного тока и трехфазные асинхронные электродви­гатели. Коллекторные электродвигатели переменного тока имеют ограниченное применение вследствие сложности устройства, об­служивания и более высокой стоимости. Основным их преимуще­ством является возможность регулирования скорости вращения в широких пределах, что затруднительно в асинхронных двигателях.