Здравствуйте, уважаемые читатели. Для человека не связанного эксплуатацией или обслуживанием электроустановок понятие электрической мощности обычно связано только с киловаттами. Однако мощность силовых трансформаторов измеряется в вольт-амперах или киловольт-амперах.
Возникает резонный вопрос — зачем использовать разные обозначения для одной величины? В этой статье будет подробно объяснено, чем это обусловлено.
Основные понятия
Для начала разберёмся с понятием напряжения. Допустим, что имеется электрический заряд. Для того чтобы его переместить из точки А в точку В, которая расположена на участке цепи, электрическому полю надо произвести некоторую работу, которая будет численно равняться напряжению.
Определить работу А, которую будет производить электрическое поле, перемещая заряды, можно, умножив напряжение на общее число зарядов. Соответственно, работа, произведённая за определённое время, называется мощностью Р.
Допустим, что на участке электрической цепи А-В, имеется некоторое напряжение U, которое является постоянным за время Δt. Количество зарядов, которое будет перемещено по этому участку за время обозначим Q.
Получаем:
РА-В=А/Δt=(U/Δt)*Q=U*(Q/Δt)
Направленное движение электрических зарядов Q по проводнику за определённое время Δt называется электрическим током I.
Таким образом:
I=Q/Δt
Значит, подставив это выражение в формулу мощности, получим:
РА-В=U*I
Такое соотношение справедливо для постоянного тока, так как при нём, эти значения не изменяются и равны мгновенным значениям за любой промежуток времени.
Мощность в цепи переменного тока
Для переменного тока понятие мощности будет отличаться, так как помимо активной нагрузки, к ней добавляется ёмкостная и индуктивная нагрузка.
Такая мощность не только будет расходоваться на совершение определённой работы, например, образованию тепла в нагревательном элементе, также она будет периодически или накапливаться, или возвращаться к источнику переменного тока. Поэтому она называется реактивной.
Другими словами, имеющиеся в цепи переменного тока ёмкостные или индуктивные элементы будут ему препятствовать.
При переменном токе напряжение и сила тока изменяются по синусоидальному закону.
Если нагрузка имеет сильно выраженную ёмкостную или индуктивную составляющую, то в цепи переменного тока будут происходить следующие процессы.
Ёмкость за первую половину периода будет заряжаться, а затем, во второй половине периода будет разряжаться. Таким образом, электрическая энергия будет возвращаться в сеть, к источнику тока.
При ёмкостной нагрузке ток будет опережать напряжение на 90°, если представить это отношение в тригонометрической форме или на 1/4 периода синусоиды. При индуктивной нагрузке электрический ток будет отставать от напряжения на 90°,или на 1/4 периода синусоиды.
Если разобраться, то реактивная мощность представляет собой энергию, которая поступает от источника тока на реактивные элементы приёмника тока, а затем возвращается к источнику тока.
Поэтому в цепи переменного тока, максимальное значение напряжения и тока не будут совпадать из-за наличия различных элементов, которые обладают индуктивностью или ёмкостью. Например, трансформаторные обмотки, конденсаторы или провода линий электропередач.
Как видно из рисунка 2, максимальные значения тока и напряжения будут по времени различаться на определённый угол. Этот угол обозначается греческой буквой ϕ (фи). Соответственно отношение активной Р и полной S мощности — это косинус ϕ или коэффициент мощности.
Активная мощность измеряется в ваттах (Вт)и вычисляется по формуле:
Р=U*I*cos ϕ
Из рисунка 3 можно увидеть, что не вся мощность будет расходоваться на выполнение полезной работы.
Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр) и вычисляется по формуле :
Q=U*I*sin ϕ
При этом принято, что если ток отстаёт от напряжения, значит, сдвиг фаз положительный,а если наоборот, то он отрицательный.
Полная мощность вычисляется по формуле:
На отдельные элементы электросети оказывает влияние потребляемый электрический ток, а не электроэнергия, которая была израсходована потребителем. Поэтому полную мощность трансформаторов измеряют в вольт-амперах (ВА).
Заключение
Понятие электрической мощности для переменного тока включает не только активную, но и реактивную составляющую. В свою очередь, реактивная составляющая состоит из ёмкостной и индуктивной части.
При наличии в составе нагрузки какой-либо из этих двух частей, максимальные значения тока и напряжения будут отличаться на некоторый угол ϕ, который называют коэффициентом мощности.
