Що таке електроенергія - Хоббітроніка

Я сказав в одній з попередніх статей, що електричний генератор приймає лише певний вид енергії (механічну, хімічну, теплову тощо) і перетворює її в електрику. У той же час я говорив, що електричний споживач бере електроенергію і перетворює її в інші форми енергії (тепло, світло, механічна робота тощо). З них ми можемо зробити висновок, що під час своєї роботи абсолютно всі електричні компоненти перетворюють енергію, яку вони отримують, в одну або кілька інших форм енергії. Для того, щоб мати можливість якомога більше зрозуміти і отримати вигоду від цих явищ, ми повинні знати, як швидко енергія перетворюється з одного стану в інший. У випадку з електрикою швидкість, з якою електрика перетворюється в енергію або з іншої форми енергії, називається електричною потужністю. Тому сьогодні ми поговоримо про:

електрична потужність

  • Що таке електрична потужність ?
  • Активна електроенергія
  • Реактивна електрична потужність
  • Явна електрична потужність
  • Коефіцієнт потужності

Що таке електрична потужність ?

Як я вже говорив у вступі, потужність - це величина, яка показує, наскільки швидко енергія «перетікає» з одного місця в інше або як швидко вона перетворюється в іншу форму енергії. У випадку з електрикою швидкість, з якою вона «тече», пропорційна як напрузі, так і інтенсивності електричного струму, який її несе. Отже, математичне відношення електричної потужності є:

  • P - електрична потужність. Це виражається у W (ти);
  • U - електрична напруга. Виражається у V (вольт);
  • I - інтенсивність електричного струму. Виражено в А (ампер).

Я не знаю про вас, але я вже звик до того, що всі прості формули можуть застосовуватися безпосередньо на практиці лише у досить багатьох випадках. Те саме стосується формули електроенергії: вищезазначене співвідношення справедливе лише у випадку схем, утворених суто резистивними схемами (тобто утворених лише електричними опорами). Чому? Іншими словами, електричні резистори передають енергію в одному напрямку (від електрики до тепла), тоді як котушки та конденсатори поводяться як резервуари електрики: вони можуть отримувати, але можуть і передавати електроенергію. Ми хочемо знати лише потужність, споживану ланцюгом, але вищезгадане співвідношення ставить в один і той же горщик і споживану потужність, і потужність, яку дає схема, і, отже, може дати нам абсолютно неправильні результати.

Якщо ми також беремо до уваги той факт, що будь-який електронний компонент завжди матиме і ємність, і паразитну індуктивність, виходить, що наведена формула на 100% правильна лише у випадку електричних ланцюгів, що живляться з постійною постійною напругою (тобто коли впливають ємності та індуктивності не може відбутися). Однак останнє твердження не повинно вас лякати - коли справа стосується малих електронних компонентів, що використовуються в низькочастотних електричних ланцюгах (скажімо, десятків тисяч герц), вплив паразитних ємностей та індуктивностей часто є зовсім мізерно.

Активна електроенергія

Це реальна потужність, споживана ланцюгом. У ланцюзі, де ми маємо резистори, котушки та конденсатори, активну електроенергію споживають лише електричні резистори, оскільки вони не можуть накопичувати електроенергію (всю отриману електроенергію потрібно якось споживати, тобто перетворювати в іншу форма енергії - в даному випадку в теплі).

Формула розрахунку активної потужності така, як вище. Я переписую його разом з іншими цілком еквівалентними варіантами:

  • Р - актична електрична потужність. Це виражається у W (ти);
  • U - електрична напруга. Виражається у V (вольт);
  • I - інтенсивність електричного струму. Це виражається в А (амперах);
  • R - електричний опір ланцюга. Виражене в Ом (омах).

Реактивна електрична потужність

Коротше кажучи, це електрична потужність, яка передається котушками та конденсаторами в ланцюг. У більш широкому сенсі ми можемо розглядати котушки та конденсатори як дзеркала: вони отримують електрику, але рано чи пізно вона відображає її назад у ланцюзі. З цієї причини конденсатори та котушки ще називають реактивними компонентами - оскільки вони реагують на проходження електрики, використовуючи раніше накопичену електроенергію.

У ланцюзі, в якому ми маємо резистори, котушки та конденсатори, реактивна електрична потужність з’являється лише завдяки наявності в ланцюзі котушок та конденсаторів, оскільки це єдині компоненти, які зберігають отриману електричну енергію, будучи в змозі згодом знову її ввести в ланцюг. Точніше, ось як це відбувається:

  • електрика, отримана котушкою, перетворюється в магнітну енергію. Коли напруга на клемах котушки має тенденцію ставати постійною або навіть зменшуватися, магнітна енергія, що зберігається в котушці, перетворюється назад в електричну енергію, виробляючи електричний струм, протилежний тому, який спочатку існує через котушку;
  • електрична енергія, отримана конденсатором, використовується для переміщення електричних зарядів від одного терміналу конденсатора до іншого. Коли напруга на клемах конденсатора має тенденцію до зменшення, енергія (яка називається електростатичною) в конденсаторі перетворюється назад в електрику у вигляді струму, який має той самий напрямок, що і вихідний. Іншими словами, коли напруга на клемі падає, конденсатор розряджається і повертає в ланцюг електрику, яку він отримав раніше.

Формула для розрахунку реактивної електричної потужності:

  • Q - реактивна електрична потужність. Це виражається у VAR (реактивні вольт-ампери);
  • I - інтенсивність електричного струму. Це виражається в А (амперах);
  • U - електрична напруга. Виражається у V (вольт);
  • Х - електричний реактивний опір. Виражене в Ом (омах).

Я вже говорив з вами про електричний баласт, але замість того, щоб відправляти вас там, де я вперше про це говорив, це ефективніше.

Опір для конденсатора або котушки - це електричний опір для а, мм, електричний опір: D. Іншими словами, опір показує, наскільки конденсатор або котушка протистоїть проходженню електричного струму. Опір може бути індуктивним (котушок) або ємнісним (конденсаторів) і вимірюється так само, як електричний опір, в Омах [Ом]. Реактивність - це явище, яке виникає лише тоді, коли електрична напруга в ланцюзі є змінною (наприклад, при змінному струмі).

Рівняння для розрахунку індуктивного реактивного опору:

Рівняння для розрахунку ємнісного реактивного опору має вигляд:

  • XL - індуктивний опір. Він виражається в Ом (омах);
  • XC - ємнісний реактивний опір. Він виражається в Ом (омах);
  • f - частота змінного струму, що протікає через відповідний компонент. Виражається в Гц (герц);
  • L - індуктивність котушки або еквівалентна індуктивність (якщо схема містить кілька котушок). Виражається в H (Генрі);
  • С - ємність конденсатора або еквівалентна ємність (якщо схема містить кілька котушок). Виражене F (фаразі).

Сказано, X з рівняння реактивної потужності:

  • він замінюється на XL, якщо в ланцюзі у нас є лише котушки;
  • він замінюється на XC, якщо в ланцюзі у нас є лише конденсатори.

Знання та розуміння реактивної потужності важливо, оскільки для його присутності в ланцюзі додатково потрібні як генератор, так і силові кабелі схеми. Наявність реактивного компонента в електричному ланцюзі є джерелом удару: замість електрики, яка плавно протікає по ланцюгу, вона або жадібно ковтає, або сердито плює на реакційноздатні компоненти. Тому елементи схеми повинні бути побудовані більш міцно, що передбачає більш високі собівартості компонентів схеми.

Явна електрична потужність

Це потужність, яка включає як активну, так і реактивну електричну потужність. Зв'язок розрахунку такий:

  • S - видима електрична потужність. Виражається у ВА (вольт-ампер);
  • U - електрична напруга. Виражається у V (вольт);
  • I - інтенсивність електричного струму. Це виражається в А (амперах);
  • Z - електричний опір ланцюга. Коротше кажучи, електричний опір - це сума еквівалентного електричного опору ланцюга, ємнісного реактивного опору та індуктивного реактивного опору. Як і його компоненти, електричний опір виражається в Ом (омах).

Чому це називається "видимою силою"? Ну, якщо ви пам’ятаєте, на початку статті я сказав, що електрична потужність обчислюється шляхом множення напруги на клемах ланцюга на інтенсивність струму, що протікає через нього. Якщо ми зробимо цей розрахунок для кола змінного струму, що містить реактивні компоненти (котушки та конденсатори), ми отримаємо лише видиму потужність, оскільки її значення може бути дуже далеким від значення активної (реальної) потужності, споживаної цією ланцюгом.

Коефіцієнт потужності

Математично кажучи, коефіцієнт потужності - це співвідношення між активною та видимою електричною потужністю. Будучи співвідношенням між двома величинами однієї природи, в результаті коефіцієнт потужності є безрозмірною величиною. Він може приймати значення від 0 до 1:

  • значення 0 означає, що в ланцюзі ми маємо лише реакційноздатні компоненти, які не споживають енергію, а лише прогулянку звідси туди по тій, що існує в ланцюзі, як ми пояснили вище;
  • значення 1 означає, що в ланцюзі тече лише активна потужність.

Для чого призначений коефіцієнт потужності? ?

Ви вже знаєте, що коли у нас є схеми з котушками та конденсаторами, можуть бути різниці фаз між напругою та інтенсивністю електричного струму. Ви також знаєте, що котушки індукують фазовий зсув фазовому зсуву, введеному конденсаторами, що означає, що якщо реактиви, що виробляються двома типами компонентів, рівні, вони будуть анулювати один одного (це має місце, якщо ми маємо коефіцієнт якості, рівний 1). На практиці очевидно, що ця рівність зустрічається вкрай рідко, саме тому, якщо ми не втручаємось яким-небудь чином, у відповідному контурі інтенсивність струму буде більш-менш не в фазі з напругою, що призведе до дисбалансу в ланцюзі. (струми набагато більшої інтенсивності, ніж потрібно, зменшення доступної активної потужності тощо).

На закінчення, коефіцієнт потужності менше 1 призводить до втрат. Як ви вже здогадались із вищесказаного, коефіцієнт потужності можна скорегувати таким чином, щоб його значення було наближено до 1. Але про це ми поговоримо в наступних статтях.