Основы электротехники Урок 1d

Переменный ток и его особенности. PF

В цепях переменного тока всё устроено интереснее, чем в цепях постоянного тока. Здесь появляются фазовый сдвиг, реактивные нагрузки, полная и реактивная мощность, а также коэффициент мощности PF.

Содержание

1. Активные сопротивления
2. Реактивные сопротивления
3. Активная, реактивная и полная мощность
4. Вопросы для самопроверки

При постоянном токе всё относительно просто: ток в каждый момент времени определяется напряжением и сопротивлением, а мощность равна произведению напряжения на ток.

В переменном токе добавляется ещё один важный момент: напряжение и ток могут меняться не синхронно. Именно отсюда вырастают активные и реактивные нагрузки, а также понятие коэффициента мощности.

Активные сопротивления

Активные сопротивления — это резисторы, лампы накаливания, нагревательные элементы, электрочайники и другие устройства, которые сразу превращают электрическую энергию в полезную: тепло, свет или механическую работу.

Если в цепи переменного тока есть только активная нагрузка, ток меняется синхронно с напряжением. То есть вершины и нули у графиков совпадают по времени.

Это самый простой случай: по смыслу он ближе всего к тому, что уже знакомо из уроков про закон Ома и мощность.

График активной нагрузки

У активной нагрузки ток и напряжение идут вместе, без заметного фазового сдвига.

Реактивные сопротивления

Реактивные элементы — это ёмкости и индуктивности. Они могут запасать энергию, а затем возвращать её обратно в сеть.

Из-за этого ток и напряжение уже не обязаны совпадать по фазе: ток может либо опережать напряжение, либо запаздывать.

Ёмкостное реактивное сопротивление

Конденсатор способен заряжаться и разряжаться. В цепях переменного тока это приводит к тому, что ток начинает изменяться раньше, чем напряжение достигает своего пика.

Поэтому при ёмкостной нагрузке ток опережает напряжение.

Это важный признак ёмкостной цепи: график тока как бы сдвинут вперёд относительно графика напряжения.

График ёмкостной нагрузки

График ёмкостного реактивного сопротивления

Индуктивное реактивное сопротивление

Индуктивность — это катушки, дроссели, трансформаторы, электродвигатели и всё, где есть обмотки. Такая нагрузка обладает инерцией по току.

Пока напряжение растёт, ток ещё не успевает разогнаться. В результате ток запаздывает относительно напряжения.

То есть в индуктивной цепи пик тока приходит позже, чем пик напряжения.

График индуктивной нагрузки

График индуктивного реактивного сопротивления

Получается, что безвозвратно мощность из сети потребляют только активные нагрузки. Реактивные же то берут энергию из сети, то возвращают её обратно. Но ток по проводам при этом всё равно идёт, а значит кабель и аппаратура всё равно нагружаются.

Активная, реактивная и полная мощность

В цепях переменного тока различают три вида мощности.

Полная мощность считается как произведение напряжения на ток и измеряется в ВА.

Активная мощность измеряется в ваттах и идёт на реальную полезную работу: тепло, свет, звук, вращение.

Реактивная мощность не превращается напрямую в полезный результат, но всё равно гуляет по проводам и создаёт дополнительную нагрузку на сеть.

Треугольник мощностей

Треугольник активной, реактивной и полной мощности

Полная мощность складывается из активной и реактивной геометрически, а не простым сложением по одной линии.

PF или cosφ

PF, cosφ или коэффициент мощности показывает, какая доля полной мощности реально становится активной.

По сути это отношение активной мощности к полной. Чем ближе PF к 1, тем меньше в системе реактивной составляющей.

Если PF низкий, по кабелю течёт больше тока, чем хотелось бы для той же полезной мощности. Это означает лишнюю нагрузку на провода, автоматы, трансформаторы и блоки питания.

PF = P / S

Иллюстрация коэффициента мощности

Наглядная схема коэффициента мощности PF

Чем ближе коэффициент мощности к 1, тем меньшая часть тока тратится на реактивную составляющую.

Что важно вынести из урока

Активная нагрузка потребляет полезную мощность напрямую

Ёмкость и индуктивность создают фазовый сдвиг

Реактивная мощность не бесполезна для расчётов — она нагружает сеть

Чем выше PF, тем эффективнее используется ток линии

Вопросы для самопроверки

1. Есть электрочайник на 220 В мощностью 2000 Вт. Какое сечение медного провода разумно выбрать по простому правилу подбора?

Показать ответ

Считаем ток: I = P / U = 2000 / 220 ≈ 9,1 А.
По простому правилу этого уже достаточно примерно для 1 мм². Но для бытовой практики и запаса по нагреву разумнее смотреть на 1,5 мм².

2. Есть устройство на 220 В, потребляющее 3000 Вт и имеющее PF = 0,7. Хватит ли для его подключения медного провода сечением 1,5 мм²? Если нет, то какое сечение будет разумнее?