Пучков Л.В. Прикладная электротехника - файл n5.htm

Пучков Л.В. Прикладная электротехника
скачать (118.7 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n2.htm21kb.02.07.2007 11:02скачать
n3.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n4.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n5.htm22kb.02.07.2007 11:02скачать
n6.htm50kb.02.07.2007 11:02скачать
n7.htm7kb.02.07.2007 11:02скачать
n8.htm11kb.02.07.2007 11:02скачать
n9.htm6kb.02.07.2007 11:02скачать
n10.htm18kb.02.07.2007 11:02скачать
n11.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n12.htm41kb.02.07.2007 11:02скачать
n13.htm5kb.02.07.2007 11:02скачать
n14.htm9kb.02.07.2007 11:02скачать
n15.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n16.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n17.htm4kb.02.07.2007 11:02скачать
n18.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n19.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n20.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n21.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n22.htm19kb.02.07.2007 11:02скачать

n5.htm

 Раздел 12. Активная и реактивная составляющие электрических величин.



Из школьного курса физики известно, что нельзя создать техническое устройство, в том числе и электротехническое, с коэффициентом полезного действия (КПД), равным единице (100%), то есть ни одно устройство, преобразующее подведенную энергию в полезную работу, не может осуществить это преобразование полностью из-за неизбежных потерь энергии в самом устройстве.

Но в электротехнических устройствах переменного тока имеется дополнительная причина неполного использования энергии (мощности) - это угол сдвига фаз между током и напряжением. Нечто аналогичное можно представить себе и в механических устройствах.

Попробуем создать установку, единственным назначением которой является получение тепла за счет трения. Это может быть груз, расположенный на некоей платформе, перемещение которого осуществляется электродвигателем через кривошипно-шатунный механизм (чтобы обеспечить возвратно-поступательное движение). Количество выделяющегося тепла, очевидно, зависит от двух факторов - усилия, с каким груз прижимается к платформе под действием собственного веса, и пройденного грузом пути. Для того, чтобы иметь возможность регулировки количества тепла, сделаем возможной изменение наклона платформы на некоторый угол (в этом случае будет меняться усилие, с которым груз прижимается к платформе). Естественно, когда платформа будет расположена вертикально, груз прижиматься к ней вообще не будет и количество выделяющегося тепла будет равно нулю.

В том случае, когда платформа расположена под углом, в первой половине цикла часть подводимой энергии от электродвигателя расходуется на преодоление трения ( получения тепла) и часть - на подъем груза, во второй половине цикла работа производится за счет запасенной потенциальной энергии груза - часть ее преобразуется в тепло за счет скатывания груза, другая часть в соответствии с законом сохранения энергии возвращается в двигатель, вращающий кривошипно-шатунный механизм, "помогая" ему вращаться в течение этой части периода движения груза и превращая его на это время в генератор.

В электротехнике та часть энергии, которая "отдается на сторону" (в нашем случае это тепло, полученное за счет трения) называется активной, а та часть энергии, которая запасается в самом устройстве (в нашем случае в виде увеличения потенциальной энергии груза) называется реактивной.

Обратите внимание на два предельных случая - в случае, когда платформа расположена вертикально (под углом 90 градусов к горизонтали), груз к ней прижиматься не будет, не будет выделяться тепла, активная работа равна нулю. При подъеме груза от электродвигателя будет подводиться работа, равная возрастанию потенциальной энергии груза, а при падении груза точно такая же по величине работа будет возвращена электродвигателю, то есть в целом за цикл затраты энергии от двигателя равны нулю.

В случае, когда платформа расположена горизонтально, реактивной работы не будет, и в течение всего цикла будет только активная работа, которая подводится только от двигателя. В любом промежуточном варианте будет как активная, так и реактивная работа (энергия). В общем случае, включая и предельные варианты (исходя из закона сохранения энергии), вся мощность, подводимая от электродвигателя (полная мощность), раскладывается на две составляющие - активную и реактивную. Нетрудно показать, что усилие прижима груза к плат форме (следовательно, и количество выделяемого тепла) пропорционально косинусу угла наклона платформы, а реактивная составляющая - синусу угла наклона платформы. Поскольку активная и реактивная силы не совпадают по направлению, суммирование этих мощностей (или разложение полной мощности на составляющие) производится геометрически, то есть по правилу треугольника...

Если для механических процессов причина появления некоторого угла, определяющего соотношение активной и реактивной мощности очевидна, то для электрических процессов нам предстоит это выяснить.

В общем случае в любой электрической цепи переменного тока есть три типа сопротивлений (или потребителей, если так больше нравится...): активные, индуктивные и емкостные.

В чисто активном сопротивлении при включении сопротивления под напряжение сразу же возникает ток, величина которого в любой момент времени определяется законом Ома, и начинается необратимое преобразование электромагнитной энергии в джоулево тепло. Все процессы начинаются одновременно, и поэтому здесь ток и напряжение совпадают по фазе.

Сопротивление проводников переменному току называется активным потому, что активизирует нашу производственную деятельность, позволяет использовать электричество для выполнения полезной работы. Эта работа заключается не только в получении тепла и света, но и во вращении электродвигателей (будет показано дальше), разложении веществ при электролизе и т.д. Все электрические величины (ток, напряжение, мощность) относящиеся к активным сопротивлениям называются активными. Короче говоря, активной называется та часть электрической энергии, которая "отдается на сторону" в виде света, тепла, механической работы и т.д.

Но для переменного тока есть свои особенности. Вспомним индуктивность. При включении индуктивности под напряжение сразу же возникает ЭДС самоиндукции и по правилу Ленца требуется некоторое время, чтобы ток достиг установившегося значения. В энергетике мы имеем дело с генераторами напряжения, поэтому естественно все величины отсчитывать от вектора напряжения. Поскольку напряжение на индуктивности устанавливается сразу, очевидно, что в индуктивности ток отстает от напряжения...

Емкостные элементы электрических цепей ведут себя иначе. Эти устройства способны накапливать электрические заряды. В самом простом виде емкостной элемент состоит из двух проводящих пластин (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Такое устройство называется конденсатором. Название говорит само за себя: емкость чем-то наполняется, а конденсатор что-то конденсирует, то есть осаждает, накапливает. Иногда так и определяют: емкость - это способность накапливать электрические заряды (заряжаться электричеством). Но нам важно понять не только что такое емкость, но и что такое емкостное сопротивление, почему оно реактивное и как его использовать практически.

Изучению процесса заряда конденсатора может помочь механическая аналогия. Представьте себе, что конденсатор - это бак для хранения запаса воды, в нижнюю часть которого врезана водопроводная труба. Будем считать, что объем воды в баке - это электрический заряд, расход воды в трубе - это электрический ток, а высота уровня воды в баке - это напряжение. Тогда процесс заполнения бака будет выглядеть следующим образом:

- пока бак пустой, расход воды в трубе будет максимальным и сократится до нуля в тот момент, когда высота заполнения бака сравняется с давлением в водопроводе.

Аналогично и заряд конденсатора - при включении под напряжение емкости сразу же возникнет ток смещения, но напряжение достигнет своего установившегося значения только тогда, когда деформация диполей станет предельной, а на это требуется время. Поэтому здесь напряжение отстает от тока, или, что то же самое, ток опережает напряжение...

Здесь будет вполне уместно ответить на закономерный "философский" вопрос: если считать первопричиной тока электрическое поле в проводнике (читай напряжение), то откуда ток, опережающий напряжение по времени, "знает" о том, что напряжение когда-то появится и что заставляет ток течь?

Для тех, кто пока не в состоянии ответить на этот вопрос самостоятельно, приведем объяснение этого "парадокса".

Если подходить строго, то точно также, как в электромагнитном поле нельзя изолированно рассматривать магнитное и электрическое поле, ток и напряжение нельзя рассматривать отдельно друг от друга. Вопрос о том, что первично - ток или напряжение - полностью эквивалентен вопросу о курице и яйце. При протекании электрического тока по проводнику имеется всего два физических параметра - мгновенное значения тока и мгновенное значение напряжения в тот же самый момент времени, все остальное - последствия приложения того или иного математического аппарата к анализу поведения этих физических параметров.

Когда говорят, что к проводнику приложено такое-то напряжение и вследствие этого в проводнике протекает такой-то ток, то уже немного лукавят. Ничуть не менее правомерно сказать, что вследствие протекания по проводнику такого-то тока на проводнике появляется такое-то напряжение. Как видите, вопрос-то, оказывается, тесно связан с такими понятиями как причина, следствие и одновременность. Такие понятиями занимается Теория Относительности Эйнштейна, рассмотрение которой далеко выходит за рамки данного курса. Здесь мы воспользуемся только ее выводами:

1. Мы не можем достоверно сказать, одновременны два события или нет. Одновременные в одной системе отсчета события могут быть совсем неодновременными в другой системе отсчета. Поэтому мы не можем одновременно измерить даже мгновенные значения тока и напряжения. Поэтому, строго говоря, бессмысленно обсуждать вопрос о том, что первично, ток или напряжение. Это два параметра, не существующие по отдельности.

2. Для практических целей вполне достаточно представлять себе ток и напряжение, как два взаимно зависимых физических параметра некоторой электротехнической системы, поведение которых зависит от свойств этой системы. Разумеется, оба этих параметра подчиняются всем известным физическим законам.

А теперь попробуем осмыслить то, что Вы, надеемся, проделали. Электромагнитные процессы можно раскладывать на электрические и магнитные только условно для упрощения, облегчения и наглядности их анализа.

Если воспользоваться этим методом разделения, то видно:

- при подаче напряжения на индуктивность ток отстает от напряжения вследствие того, что начинает создаваться магнитное поле, как мы это видели в разделе "Электромагнетизм", и часть энергии переходит в энергию магнитного поля. Сама по себе энергия магнитного поля работы не производит (она не переходит в тепло, вращение электродвигателей и т.д.), однако без ее наличия процесс вращения, например, электродвигателя невозможен. Иными словами, энергия магнитного поля является как бы "посредником", без которого невозможен процесс преобразования электроэнергии в другой вид, но сам "посредник" в этот другой вид не преобразуется. При снятии напряжения с индуктивности происходит обратное преобразование магнитного поля в электрическую энергию, которая возвращается к источнику. Учитывая, что мы имеем дело с переменным током, то есть в течение периода напряжение дважды как бы снимается с индуктивности (с переполюсовкой), происходит постоянный обмен этой энергией между источником и индуктивностью. Иными словами, индуктивность является как бы "вместилищем" магнитной энергии, которая непрерывно перекачивается из него к генератору и обратно;

- при подаче напряжения на емкость ток опережает напряжение вследствие того, что начинает создаваться электрическое поле и часть энергии переходит в энергию электрического поля. Энергия электрического поля также является "посредником", без которого невозможен процесс преобразования электроэнергии в другой вид, но сам "посредник" в этот другой вид не преобразуется. Остальные рассуждения те же, что и для индуктивности. Иными словами, емкость является как бы "вместилищем" энергии электрического поля, которая непрерывно перекачивается от него к генератору и обратно.

Оба этих вида энергии (емкостная и индуктивная), которые являются "посредниками в процессе преобразования электроэнергии в другие виды, получили общее название "реактивной".

Таким образом, активная энергия (часто удобней говорить - мощность) вырабатывается генератором, идет от него к приемнику и там превращается в работу. Реактивная энергия также вырабатывается генератором, но все время "качается" между ним и реактивными элементами (индуктивностями и емкостями) всей электрически связанной цепи. При этом потоки индуктивной и емкостной энергии движутся встречно. Это связано с тем, что в индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на 90 градусов, а в емкостной - опережает на 90 градусов, следовательно, они находятся в противофазе.

Для выполнения полезной работы реактивная мощность использована быть не может, но является необходимой для образования электромагнитных полей в электродвигателях и поддержания номинального напряжения в контролируемых точках сети. Тем не менее, на передачу реактивной энергии по проводам затрачивается активная энергия, увеличивая тем самым общие потери энергии в сетях энергосистемы. С целью снижения этих потерь осуществляется компенсация реактивной мощности, основанная на том, что каждая индуктивная электрическая величина находится в противофазе с соответствующей емкостной электрической величиной.

Так, в электрической нагрузке центральных и северо-западных энергосистем России доля асинхронных двигателей колеблется от 50% до 70%. Асинхронный двигатель - нагрузка индуктивная, поэтому полный ток отстает от напряжения на некоторый угол.

Чтобы этот угол сделать меньше, надо подключить емкость. Складываясь алгебраически, индуктивные и емкостные электрические величины компенсируют друг друга. Отсюда и название - компенсация реактивной мощности.

Полная мощность переменного тока S измеряется в вольт-амперах (ВА), киловольтамперах (КВА) или мегавольтамперах (МВА). Рассчитывается она так же, как мощность постоянного тока, то есть:

S=U*I (ВА)

Но она недоиспользуется из-за сдвига фаз между напряжением и током аналогично тому, как недоиспользуется полная сила в механике, когда она направлена под углом к направлению перемещения.

Для выполнения полезной работы может быть использована только часть полной мощности - ее активная составляющая или активная мощность Р. Она измеряется в ваттах (Вт), киловаттах (КВт) или мегаваттах (МВт) и рассчитывается так же, как используемая сила в упомянутом выше примере механического аналога, то есть:

P = U*I*Cos φ = S*Cos φ

Косинус фи (cos φ) потому и называется коэффициентом мощности, что показывает долю полной мощности переменного тока, которая может быть использована потребителем для выполнения полезной работы. Но "может быть использована" не означает "действительно будет использована" - например, в любом электродвигателе часть мощности теряется на трение в подшипниках, нагрев обмоток, потери в стали и т.д.

От редактора:

Последняя фраза предыдущего абзаца может ввести читателя в заблуждение. На самом деле текущее значение "косинуса фи" показывает, не то, какая часть полной мощности "может быть использована" и не то, какая часть полной мощности "действительно будет использована", а то, какая часть полной мощности ИСПОЛЬЗУЕТСЯ потребителем для выполнения полезной (впрочем, может быть, и бесполезной) работы в данное время. Главное состоит в том, что эта часть мощности активна и энергия, ей соответствующая навсегда уходит к потребителю (в отличие от реактивной энергии, которая постоянно циркулирует от источника к потребителю и обратно и потребителем не используется).

Ясно, что реактивная составляющая полной мощности или реактивная мощность Q рассчитывается так же, как реактивная сила механического аналога, то есть:

Q = U*I*Sin φ = S* Sin φ.

Она измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр), киловольтамперах реактивных (КВАр) или мегавольтамперах реактивных (МВАр). Для выполнения полезной работы реактивная мощность использована быть не может, но является необходимой для образования электромагнитных полей в электродвигателях и поддержания номинального напряжения в контрольных точках электрической сети.

Соотношения между активным Ir , реактивным Ix и полным I токами аналогичны соотношениям между соответствующими мощностями:

Ir = I * Сos φ; Ix = I * Sin φ.

Для оценки качества электрической изоляции в электротехнике используется такая величина, как тангенс угла диэлектрических потерь:

tg δ = Ir / Ix.

Идеальная изоляция представляет собой "чистую" емкость. Поэтому для нее активный ток должен быть равен нулю и тангенс дельта тоже равен нулю. Для реальных изоляторов тангенс угла диэлектрических потерь составляет тысячные доли единицы. Его численное значение периодически контролируется и по нему судят об изменении качества изоляции электроустановок.

И еще немного об активной и реактивной мощностях. Те, кому приходилось бывать на диспетчерских пунктах, центральных щитах управления электростанций и подстанций, наверное, обратили внимание, что приборы, показывающие значения активной и реактивной мощностей, выдаваемые генераторами, передаваемые по линиям электропередачи и т.д. имеют знаки "+" и "-". Обычно говорят, что "-" - мы отдаем активную и реактивную мощность, например, со сборных шин высокого напряжения станции, "+" - принимаем на шины. Но так говорят только для удобства. Если для активной мощности все правильно, она имеет направление - от источника к потребителю, то для реактивной это не так. Для реактивной энергии знак "-" означает, что она имеет емкостной характер, а знак "+" - индуктивный.

Тем не менее, для практических целей такие представления очень удобны. На основании закона сохранения энергии (первый закон Кирхгофа) для любой цепи (узла) активная мощность генераторов равна сумме активных мощностей приемников и сумма реактивных мощностей генераторов равна сумме реактивных мощностей приемников, т. е. очень легко сводится баланс мощностей...



© 1999 Л.В. Пучков, Редакция 2000 А.Н. Бугаев.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации