Переменный ток и его особенности. PF
В цепях переменного тока всё уже не сводится к простому произведению напряжения на ток. Здесь появляются активные и реактивные нагрузки, фазовый сдвиг, полная и реактивная мощность, а вместе с ними — коэффициент мощности PF.
Содержание
- 1. Активные сопротивления
- 2. Реактивные сопротивления
- 3. Активная, реактивная и полная мощность
- 4. Вопросы для самопроверки
При постоянном токе всё довольно прямолинейно: ток в каждый момент определяется напряжением и сопротивлением, а мощность — произведением напряжения на ток.
С переменным током картина сложнее. Нагрузка может не только потреблять энергию, но и временно запасать её, а затем возвращать обратно в сеть. Поэтому в AC-цепях важно различать активные и реактивные составляющие.
Активные сопротивления
Активная нагрузка — это резистор, лампа накаливания, нагреватель, электрочайник и любые устройства, где энергия в основном превращается в полезную работу сразу: в тепло, свет или механическое действие.
Если в цепи переменного тока есть только активное сопротивление, ток меняется синхронно с напряжением. Проще говоря, их вершины и нули приходятся на одни и те же моменты времени.
В такой цепи нет фазового сдвига между током и напряжением, поэтому расчёты максимально близки к тому, что ты уже видел в теме про постоянный ток.
График для активной нагрузки
Для активной нагрузки ток и напряжение идут вместе: фазовый сдвиг практически отсутствует.
Реактивные сопротивления
Реактивные элементы — это ёмкости и индуктивности. Они не только мешают току, но и запасают энергию в электрическом или магнитном поле, а затем возвращают её обратно.
Из-за этого ток и напряжение уже не совпадают по времени. Возникает фазовый сдвиг: ток либо опережает напряжение, либо запаздывает относительно него.
Ёмкостная нагрузка
Конденсатор может заряжаться и разряжаться. Поэтому в AC-цепи ток через него начинает реагировать раньше, чем напряжение успевает выйти на максимум.
В результате ток опережает напряжение.
Индуктивная нагрузка
Индуктивность связана с катушками, обмотками, дросселями, трансформаторами и электродвигателями. Она как бы вносит инерцию в изменение тока.
В результате ток запаздывает относительно напряжения.
Итого: безвозвратно энергию потребляют только активные нагрузки. Реактивные элементы часть энергии сначала забирают, а потом возвращают обратно в сеть. Но ток по проводам при этом всё равно ходит, а значит провода и аппаратура всё равно нагружаются.
Активная, реактивная и полная мощность
В цепях переменного тока различают три вида мощности.
Полная мощность — это произведение напряжения на ток. Её обычно измеряют в ВА.
Активная мощность — это та часть, которая реально идёт в полезную работу: в свет, тепло, звук, вращение.
Реактивная мощность — это энергия, которая циркулирует между сетью и реактивными элементами.
Треугольник мощностей
Полная мощность складывается из активной и реактивной не арифметически, а геометрически.
PF или коэффициент мощности
PF, cosφ или коэффициент мощности показывает, какая доля полной мощности реально становится активной.
Его можно понимать как отношение активной мощности к полной. Чем ближе PF к 1, тем меньше реактивная составляющая и тем эффективнее используется ток, который течёт по линии.
Если PF низкий, то по проводам идёт лишний ток, который не даёт пропорционального роста полезной мощности, зато продолжает нагревать кабель и нагружать аппаратуру.
PF = P / S
Наглядная иллюстрация PF
Чем меньше «пустой» части в полной мощности, тем ближе PF к 1 и тем лучше линия работает с точки зрения полезной нагрузки.
Что важно вынести из урока
Вопросы для самопроверки
- Есть электрочайник на 220 В мощностью 2000 Вт. Какое сечение медного провода для него разумно выбрать по простому правилу подбора?
- 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?