В быту, как правило, применяются такие словосочетания, как потребляемая мощность или просто электрическая мощность. Всегда актуален вопрос о том, как много электроэнергии потребляет тот или другой прибор. Но в физике понятие мощности переменного тока трактуется несколько шире.
Особенности переменного тока
Формула мощности для тока, который меняется во времени по силе, напряжению и направлению, не совпадает с простой формулой для постоянного электротока. Она может примяться исключительно для вычисления мгновенного значения этой физической величины, но на практике для нахождения мощности меняющегося тока бесполезна. Рассчитывая её усреднённую величину напрямую, применяют интегрирование по такому параметру, как время. То есть интегрируется мгновенное значение на протяжении определённого периода.
Такой подход применяется для тех электрических цепей, в которых напряжение и сила электротока меняются циклически. В основном рассчитывается мощность в цепях с изменениями электрического напряжения и силы электротока по синусоиде.
В электродинамике различают связанные друг с другом понятия реактивной, активной и полной мощности.
Активная величина Real Power
Активная мощность Р измеряется в ваттах. Сокращённые варианты единицы измерения: Вт (русское обозначение) или W (международное). Само понятие этой мощностной величины означает среднее значение мгновенных показателей этой характеристики за промежуток времени Т (период). Общая формула в этом случае выглядит следующим образом:
Для электрических цепей с одной фазой изменяющегося по синусоиде тока формула выглядит так:
.
В этом выражении Ι и U являются значениями силы электротока и напряжения в среднеквадратичном представлении. А угол φ показывает, на сколько сдвинуты фазы между этими физическими величинами.
Активная мощность указывает, как быстро превращается электрическая энергия в другие типы: тепловую или электромагнитную.
Она может выражаться как через силу тока и активное сопротивление цепи r, так и через напряжение и проводимость g по формуле:
.
В любых электрических цепях этот вид мощности равняется сумме значений на отдельных элементах. В трёхфазном варианте суммируются показатели для каждой отдельной фазы.
Реактивная характеристика
Реактивная мощность Q охарактеризовывает нагрузки, создаваемые в электроустройствах периодическими изменениями энергии электромагнитного поля в цепи с переменным током, который меняется во времени по синусоидальному принципу.
Численно она равняется умножению среднеквадратичных U (напряжения), I (силы) и синуса φ (угла сдвига фаз):
.
Измеряется в вольт-амперах реактивных (русское сокращение: вар, а международное — var).
Реактивная Q даёт характеристику энергии, передающейся от источника питания к реактивным элементам и возвращающуюся обратно за временной промежуток, численно равный одному периоду колебаний. К элементам реактивного типа относят катушки индуктивности, конденсаторы, обмотки. Этот вид мощностной характеристики тока принимает:
- отрицательное значение, если нагрузка активно-ёмкостная;
- положительное — в случае активно-индуктивного характера нагрузочных элементов.
Принято считать, что устройства с положительной Q потребляют энергию, а с отрицательной, наоборот, производят. Но это условные обозначения. Реактивная мощность по факту не принимает участия в работе электротока. Синхронные генераторы, которые функционируют на электростанциях, в зависимости от численного значения тока возбуждения в обмотке могут и вырабатывать, и потреблять эту реактивную характеристику тока.
Такую особенность синхронных электрических машин используют для регулирования определённого значения напряжения сети. Чтобы устранять перегрузки либо увеличение мощностного коэффициента, осуществляют компенсацию реактивной составляющей.
Полная мощность
Полная мощность S представляется в единицах измерения с названием вольт-амперы и вычисляется через умножение действующих значений I в цепи и напряжения U на её окончаниях:
.
Этот вид электрической характеристики на практике описывает нагрузки, которые по факту налагаются потребителем на части электросети, обеспечивающей подвод электроэнергии (кабели разных видов, трансформирующие устройства и линии для передачи электрической энергии на большие расстояния).
Данные нагрузки находятся в зависимости исключительно от потребляемого тока, а не от энергии, которую по факту использует потребитель. Этот момент является причиной того, что полная мощность устройств, обеспечивающих трансформацию электрической энергии, а также распределительных щитов, измеряют в вольт-амперах, а не в ваттах.
Все виды мощностных характеристик переменного тока связываются между собой следующими математическими выражениями:
Эти формулы позволяют производить расчёты для цепей переменного тока любой конфигурации:
- Полная, выраженная через активную и реактивную.
- Активная — через полную и угол сдвига фаз.
- Реактивная — через полную и активную.
Знания этих нюансов важны при подборе оборудования и построения систем энергообеспечения различных объектов. Учёт электрических параметров устройств даёт возможность сделать правильный выбор электрических устройств и построить экономически оптимальную схему энергетического обеспечения.
