Коэффициент мощности

Цепи с параллельным соединением приемников

 

В разветвленной электрической цепи переменного тока с параллельным включением катушки индуктивности L, конденсатора С и реостата R приемники электроэнергии находятся под одинаковым напряжением .

Ток по параллельным ветвям распределяется обратно пропорционально их сопротивлению. Причем, сдвиг по фазе между напряжением и током в соответствующей параллельной ветви зависит от величины ее реактивного сопротивления.

Резонанс токов.

Ток  в неразветвленной цепи совпадает по фазе с напряжением  на зажимах параллельной цепи и имеет минимальное значение.

Такое совпадение по фазе может быть осуществлено подбором индуктивного сопротивления катушки, емкостного сопротивления конденсатора или изменением частоты таким образом, чтобы реактивные составляющие токов катушки и конденсатора были равны.

Условие резонанса токов: входная реактивная проводимость В = 0.

Применение режима резонанса токов:

1. Фильтр-пробка для определенной частоты.

2. Для улучшения коэффициента мощности.

Активная, реактивная и полная мощность

 

Электрическая мощность – это физическая величина, характеризующая скорость генерации, передачи или потребления электрической энергии в единицу времени. Чем больше мощность, тем большую работу может совершить электроустановка в единицу времени.

Активная мощность.

Среднее значение полной мощности за период.

Активная мощность физически представляет собой энергию, которая выделяется за единицу времени в виде теплоты на участке цепи с сопротивлением R.

Активную мощность измеряют в ваттах.

Реактивная мощность.

Реактивная мощность измеряется в вольт-ампер реактивных (вар).

Может быть положительной и отрицательной.

Реактивная мощность пропорциональна среднему за четверть периода значению энергии, которая отдается источником питания на создание переменной составляющей электрического и магнитного поля индуктивности и емкости.

За один период переменного тока сумма энергий магнитного и электрического полей дважды отдается генератором в цепь и дважды он получает ее обратно, т.е. реактивная мощность является энергией, которой обмениваются генератор и потребитель.

 

В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за какой-то промежуток времени совпадают, а понятие реактивной мощности отсутствует.

В цепях переменного тока так происходит только в том случае, если нагрузка чисто активная (электронагреватель или лампа накаливания). При такой нагрузке в цепи переменного тока фаза напряжения и фаза тока совпадают и вся мощность передается в нагрузку.

Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели), то ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).

Полная мощность.

В паспорте прибора указывается значение мощности, которое он может отдавать потребителю, если сопротивление чисто активное.

 

Коэффициент мощности.

 

Разделение полной мощности на активную и реактивную зависит от угла

сдвига фаз φ между напряжением и током. Величина угла φ определяется

соотношением между активным и реактивным сопротивлениями потребителя.

Косинус угла φ называют коэффициентом мощности, потому что от

его величины зависит, какая доля полной мощности потребляется.

 

Способы повышения коэффициента мощности.

Для повышения cos φ нужно увеличивать активную мощность и активное сопротивление либо уменьшать реактивную мощность и реактивное сопротивление.

Естественный путь – увеличение активной мощности, повышение загрузки оборудования. Асинхронные двигатели и трансформаторы, работающие недогруженными, снижают cos φ в сетях и на станциях.

• обеспечить полную загрузку электродвигателей и трансформатора;
• устранить холостые ходы; заменить недогруженные электродвигатели и трансформаторы, средняя нагрузка которых не превышает 30%;
• производить качественный ремонт электродвигателей. Большое значение имеет сохранение в норме величины воздушного зазора и расчетных данных при перемотке; установить, где это возможно, синхронные электродвигатели.

Искусственный путь – уменьшение реактивной мощности, которая связана с реактивным сопротивлением.

Основные современные потребители электроэнергии имеют активно-индуктивный характер. Уменьшить реактивное сопротивление, не изменяя параметры схемы потребителя, позволяет режим резонанса токов.

Параллельно нагрузке подключают батарею конденсаторов, параметры которой подбирают таким образом, чтобы выполнялось условие резонанса токов: BL = BC. В этом случае цепь имеет чисто активный характер.

Трехфазные цепи

 

Трехфазная симметричная система ЭДС –это совокупность трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на 120⁰.

Симметричная система ЭДС – это три синусоиды, сдвинутые относительно друг друга по фазе на угол 120°. Принято считать, что начальная фаза

ЭДС фазы А равна нулю, ЭДС фазы В отстает от ЭДС фазы А на 120°, ЭДС

фазы С отстает от ЭДС фазы В на 120°.

Совокупность трехфазной системы ЭДС, трехфазной нагрузки и соединительных проводов называют трехфазной цепью.

Фаза – участок трехфазной цепи, по которому протекает одинаковый ток (или аргумент синусоидально изменяющейся величины).

Из всех самый неэкономичный способ подключения нагрузки с генератором является подключение каждой фазы двумя проводами, т.е. шестипроводная система. Поэтому применяются схемы соединения: звезда и треугольник.

При включении нагрузки звездой концы фаз, соединенные вмес­те, образуют нулевую точку, к которой может быть подключен провод, называемый нейтральным. При подключении этого провода имеем четырехпроводную схему.

При включении нагрузки треугольником конец одной фазы соединяется с началом последующей.

Звезда.

В общем случае линейные и фазные напряжения связаны системой уравнений:

При соединении нагрузки звездой ток в подводящих проводах будет одновременно и током фазы: I _л = I _ф.

Если сопротивления наг­рузки отдельных фаз равны между собой, т. е. z_a = z_b = z_c, то такая нагрузка называется равномерной.

При равномерной нагрузке фаз сумма мгновенных значений тока всех фаз или геометрическая сумма векторов каждого тока равна нулю. Ток в нулевом проводе будет отсутствовать, следовательно, при равномерной нагрузке нет необходимости его подключать. Схема в этом случае становится трехпроводной.

Неравномерная нагрузка, соединенная звездой, обычно подключается по четырехпроводной схеме, т. е. с нулевым проводом, так как при наличии нулевого провода, обладающего малым сопротивлением, неравномерная нагрузка не приводит к значительному изменению фазных напряжений.

По нулевому проводу будет протекать уравнительный ток I ₀.

Треугольник.

При включении потребителей треугольником фазные нагрузки подключаются на линейные напряжения, а поэтому фазные напряжения равны линейным: . Линейный ток каждой фазы равен разности токов примыкающих фаз (геометрическая разность векторов фазных токов):

 

3. Магнитные цепи.

 

Магнитная цепь – это совокупность тел для замыкания магнитного потока.

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

Индукционное действие магнитного поля – наведение ЭДС в катушке, пронизываемой переменным магнитным потоком, а также в проводнике, движущимся относительно магнитного поля.

Силовое действие магнитного поля – на электрические заряды, проводники с токами, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы.

 

Магнитное поле в любой его точке характеризуется по интенсивности и направленности действия вектором магнитной индукции

Величина и направление магнитного поля характеризуются его напряженностью.

Магнитная индукция и напряженность связаны зависимостью:

 

Все вещества по магнитным свойствам делят на три группы:

1. Диамагнитные, у которых относительная магнитная проницаемость μ <1.

2. Парамагнитные, у которых μ >1.

3. Ферромагнитные, у которых μ >>1.

Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз

абсолютная магнитная проницаемость вещества μа больше магнитной проницаемости вакуума.

Для создания магнитных цепей используют преимущественно ферромагнитные материалы.

Магнитные цепи из ферромагнитных материалов являются нелинейными, так как у них относительная магнитная проницаемость – величина переменная.

 

Магнитный поток через некоторую поверхность – это поток вектора магнитной индукции через эту поверхность. Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб).

 

У ферромагнитных материалов магнитная проницаемость велика. Эти материалы намагничиваются в магнитном поле, т. е. после того, как перестает действовать магнитное поле, они сохраняют магнитные свойства. Такие материалы называются ферромагнетиками.

Свойства ферромагнитных материалов характеризуются зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля: петля гистерезиса.

(При периодическом изменении напряженности поля зависимость между В и Н приобретает петлевой характер).

Явление гистерезиса – отставание изменения магнитной индукции В от изменения напряженности магнитного поля Н.
Гистерезис обусловлен внутренним трением областей самопроизвольного намагничивания. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, которая расходуется на перемагничивание материала.

Материалы с широким циклом магнитного гистерезиса называют магнитотвердыми, с узким – магнитомягкими.

При расчетах пользуются основной кривой намагничивания.

Основная кривая намагничивания – это геометрическое место вершин

симметричных циклов магнитного гистерезиса, зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Она практически

совпадает с кривой первоначального намагничивания.

 

Индукция насыщения (В _m ) - максимальная индукция, кото-рую может обеспечить ферромагнетик.

Остаточная индукция (В_r) которая устанавливается в ферромагнетике при отключении поля;

Коэрцитивной силой (Н_c),т. е. значением напряженности поля, необходимого для размагничивания ферромагнетика (для установления индукции В = 0). Коэрцитивная сила характеризует способность материала сохранять остаточную намагниченность.

 

Принцип непрерывности магнитного потока – линии магнитной индукции непрерывны и замкнуты.
Поэтому магнитный поток через замкнутую поверхность Ф = 0.  

Отсюда следует, что в неразветвленных цепях магнитный поток на всех участках одинаков, а в разветвленных цепях алгебраическая сумма магнитных потоковв точке разветвления равна нулю.

Закон полного тока – линейный интеграл напряженности магнитного поля вдоль замкнутого контура равен алгебраической сумме токов, пронизывающих этот контур.  

Положительными считают токи, направление магнитного поля которых совпадает с направлением обхода контура. Положительное направление интегрирования связано с положительным направлением тока правилом правого винта.

Способность тока возбуждать магнитное поле характеризуется магнитодвижущей силой (МДС). Эта сила называется еще намагничивающей, или полным током. Магнитодвижущая сила численно равна силе тока.