Что такое активная и реактивная электроэнергия?

Расчет электрической энергии, используемой бытовым или промышленным электротехническим прибором, производится обычно с учетом полной мощности электрического тока, проходящего через измеряемую электрическую цепь.
При этом выделяются два показателя, отражающие затраты полной мощности при обслуживании потребителя. Эти показатели называются активная и реактивная энергия. Полная мощность представляет собой сумму этих двух показателей. 

Полная мощность.

По сложившейся практике потребители оплачивают не полезную мощность, которая непосредственно используется в хозяйстве, а полную, которую отпускает предприятие-поставщик. Различают эти показатели по единицам измерения – полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), а полезная – в киловаттах. Активная и реактивная электроэнергия используется всеми запитанными от сети электроприборами.

Активная электроэнергия.

  Активная составляющая полной мощности совершает полезную работу и преобразовывается в те виды энергии, которые нужны потребителю. У части бытовых и промышленных электроприборов в расчетах активная и полная мощность совпадают. Среди таких устройств – электроплиты, лампы накаливания, электропечи, обогреватели, утюги и гладильные прессы и прочее. Если в паспорте указана активная мощность 1 кВт, то полная мощность такого прибора будет составлять 1 кВА.

Понятие реактивной электроэнергии. 

Этот вид электроэнергии присущ цепям, в составе которых имеются реактивные элементы. Реактивная электроэнергия — это часть полной поступаемой мощности, которая не расходуется на полезную работу. В электроцепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока реактивная составляющая возникает только в том случае, когда присутствует индуктивная или емкостная нагрузка. В таком случае наблюдается несоответствие фазы тока с фазой напряжения. Данный сдвиг фаз между напряжением и током обозначается символом «φ».

При индуктивной нагрузке в цепи наблюдается отставание фазы, при емкостной – ее опережение. Поэтому потребителю приходит только часть полной мощности, а основные потери происходят из-за бесполезного нагревания устройств и приборов в процессе эксплуатации. Потери мощности происходят из-за наличия в электрических устройствах индуктивных катушек и конденсаторов. Из-за них в цепи в течение некоторого времени происходит накопление электроэнергии. После этого запасенная энергия поступает обратно в цепь. К приборам, в составе потребляемой мощности которых имеется реактивная составляющая электроэнергии, относятся переносные электроинструменты, электродвигатели и различная бытовая техника. Эта величина рассчитывается с учетом особого коэффициента мощности, который обозначается как cos φ.

Расчет реактивной электроэнергии. 

Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент. Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7. Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом.

Значение коэффициента при учете потерь. 

Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше будут потери активной электроэнергии – а значит конечному потребителю потребляемая электрическая энергия обойдется немного дешевле. Для того чтобы повысить значение этого коэффициента, в электротехнике используются различные приемы компенсации нецелевых потерь электроэнергии. Компенсирующие устройства представляют собой генераторы опережающего тока, сглаживающие угол сдвига фаз между током и напряжением. Для этой же цели иногда используются батареи конденсаторов. Они подключаются параллельно к рабочей цепи и используются как синхронные компенсаторы.

Расчет стоимости электроэнергии для частных клиентов. 

Для индивидуального пользования активная и реактивная электроэнергия в счетах не разделяется – в масштабах потребления доля реактивной энергии невелика. Поэтому частные клиенты при потреблении мощности до 63 А оплачивают один счет, в котором вся потребляемая электроэнергия считается активной. Дополнительные потери в цепи на реактивную электроэнергию отдельно не выделяются и не оплачиваются. Учет реактивной электроэнергии для предприятий Другое дело – предприятия и организации. В производственных помещениях и промышленных цехах установлено огромное число электрооборудования, и в общей поступаемой электроэнергии имеется значительная часть энергии реактивной, которая необходима для работы блоков питания и электродвигателей. Активная и реактивная электроэнергия, поставляемая предприятиям и организациям, нуждается в четком разделении и ином способе оплаты за нее.

Основанием для регуляции отношений предприятия-поставщика электроэнергии и конечных потребителей в этом случае выступает типовой договор. Согласно правилам, установленным в этом документе, организации, потребляющие электроэнергию свыше 63 А, нуждаются в особом устройстве, предоставляющем показания реактивной энергии для учета и оплаты. Сетевое предприятие устанавливает счетчик реактивной электроэнергии и начисляет оплату согласно его показаниям.

Коэффициент реактивной энергии. 

Как говорилось ранее, активная и реактивная электроэнергия в счетах на оплату выделяются отдельными строками. Если соотношение объемов реактивной и потребленной электроэнергии не превышает установленной нормы, то плата за реактивную энергию не начисляется. Коэффициент соотношения бывает прописан по-разному, его среднее значение составляет 0,15. При превышении данного порогового значения предприятию-потребителю рекомендуют установить компенсаторные устройства.

Реактивная энергия в многоквартирных домах.

  Типичным потребителем электроэнергии является многоквартирный дом с главным предохранителем, потребляющий электроэнергию свыше 63 А. Если в таком доме имеются исключительно жилые помещения, плата за реактивную электроэнергию не взимается. Таким образом, жильцы многоквартирного дома видят в начислениях оплату только за полную электроэнергию, поставленную в дом предприятием-поставщиком. Та же норма касается жилищных кооперативов.

Частные случаи учета реактивной мощности. 

Бывают случаи, когда в многоэтажном здании имеются и коммерческие организации, и квартиры. Поставка электроэнергии в такие дома регулируется отдельными Актами. Например, разделением могут служить размеры полезной площади. Если в многоквартирном доме коммерческие организации занимают менее половины полезной площади, то оплата за реактивную энергию не начисляется. Если пороговый процент был превышен, то возникают обязательства оплаты за реактивную электроэнергию. В ряде случаев жилые дома не освобождаются от оплаты за реактивную энергию. Например, если в доме установлены пункты подключения лифтов для квартир, начисление за использование реактивной электроэнергии происходит отдельно, лишь для этого оборудования. Владельцы квартир по-прежнему оплачивают лишь активную электроэнергию.

Назад к списку

Описание параметра «Полная мощность» — Профсектор

Полная выходная мощность стабилизатора (VA) определяет максимальную величину мощности подключаемой к нему нагрузки.

Выбор стабилизатора напряжения по мощности.

При выборе стабилизатора необходимо учитывать:

1. суммарную мощность подключенной нагрузки — выходная мощность стабилизатора должна быть больше мощности, потребляемой нагрузкой.

Немного теории.

Полная мощность (S) состоит из активной мощности (P) и реактивной мощности (Q).

Связь между мощностями следующая:

• S — измеряется в вольт-амперах (ВА, VA)
• P — измеряется в ваттах (Вт, W)
• Q — измеряется в варах (Вар, var)

Существуют электроприборы, которые потребляют только активную мощность. Это любые нагревательные приборы (тэны, утюги, чайники и т.д.), лампы накаливания и т.д. Они не потребляют реактивную мощность, поэтому при выборе стабилизаторов для таких приборов можно учитывать в расчетах, что полная мощность равна активной мощности, S(VA)=P(W).

Также существуют электроприборы, которые потребляют не только активную мощность, но и реактивную мощность. Это электродвигатели, дроссели, трансформаторы и т.д.
Для расчета полной мощности для таких устройств используют специальный коэффициент мощности, cos (φ).
Формула расчет будет выглядеть следующим образом:

Cos (φ) определен для большинства типов оборудования и обычно он пишется на шильдике соответствующего прибора.   В тех случаях, когда нет возможности узнать значение cos (φ), примерный расчет производится с коэффициентом 0,75.

Примерные мощности электроприборов и их коэффициенты cos (φ) приведены в таблице.

Электроприборы	Мощность, Вт	cos (φ)		Электроприборы	Мощность, Вт	cos (φ)
Электроплита	1200 — 6000	1		Бойлер	1500 — 2000	1
Обогреватель	500 — 2000	1		Компьютер	350 — 700	0.95
Пылесос	500 — 2000	0.9		Кофеварка	650 — 1500	1
Утюг	1000 — 2000	1		Стиральная машина	1500 — 2500	0. 9
Фен	600 — 2000	1		Электродрель	400 — 1000	0.85
Телевизор	100 — 400	1		Болгарка	600 — 3000	0.8
Холодильник	150 — 600	0.95		Перфоратор	500 — 1200	0.85
СВЧ-печь	700 — 2000	1		Компрессор	700 — 2500	0.7
Электрочайник	1500 — 2000	1		Электромоторы	250 — 3000	0.7 — 0.8
Лампы накаливания	60 — 250	1		Вакуумный насос	1000 — 2500	0.85
Люминисцентные лампы	20 — 400	0.95		Электросварка (дуговая)	1800 — 2500	0. 3 — 0.6

2. пусковые токи — все электроприборы, в состав которых входит двигатели или дроссели в момент запуска потребляют в несколько раз больше мощности чем в рабочем режиме. В таких случаях полную мощность данного оборудования рассчитывают путем умножения потребляемой мощности (указана в паспорте прибора) на кратность пусковых токов (обычно 3-7).

3. запас мощности — чтобы увеличить срок службы стабилизатора, рекомендуется предусмотреть 20%-ный запас мощности. Таким образом, режим работы стабилизатора будет более «щадящим», а при необходимости можно будет подключить дополнительные электроприборы.

4. влияние входного напряжения на мощность — при уменьшении входного напряжения, уменьшается мощность стабилизатора. Данная зависимость приведена на графике.

Примечание. В соответствии с международными, а также отечественными отраслевыми стандартами производителей автотрансформаторных стабилизаторов максимальная мощность устройства нормируется для входного напряжения 190В или для разности входного и выходного напряжений 30В.

ВНИМАНИЕ! Большинство аварий стабилизаторов, возникает от перегрузки по мощности при снижении выходного напряжения до величины менее минимально допустимой, обычно это 150…160 В

Электрическая мощность. Треугольник мощностей. — Теоретические основы электротехники — Каталог статей

Электрическая мощность. Треугольник мощностей.  Сегодня мы поговорим об электрической мощности, о том, что это такое, о её видах и о том, чем они отличаются.Начнем с определения. Электрическая мощность – величина, характеризующая скорость передачи (преобразования) электроэнергии. Соответственно, если мощность это скорость преобразования электроэнергии, то по аналогии с расчетом обычной скорости (например автомобиля), для её расчета необходимо в знаменатель поставить время, а в числитель электроэнергию. Пример — электрочайник включили, чтобы вскипятить воду, за 6 минут счетчик «накрутил» 0,2 кВт*ч, найдем мощность чайника: Р = W / t (Р – активная мощность, W – электроэнергия, t – время), Р = 0,2 / (6/60) = 2 кВт. Если то же количество электроэнергии фен «потребил» за время 9 мин, то по той же формуле Р2 = W 2 / t = 0,2 / (9/60) = 1,33 кВт. Обратите внимание, чайник потребил одинаковое количество электроэнергии, но за меньшее время, именно поэтому он мощнее, то есть он обладает большей мощностью. То? о чем мы говорили в предыдущем абзаце, отражает физический смысл понятия «электрическая мощность». Теперь поговорим о мощности в энергетическом ракурсе. В зависимости от вида мощности измеряться она может в ВА (Вольт-Амперах) – полная мощность, Вт (ваттах) – активная мощность  или вар (Вольт-Ампер реактивный) – реактивная мощность. Кстати, несмотря на присутствие имен собственных в единице вар, в международной системе единиц (СИ) принято решение обозначать единицы реактивной мощности с маленькой буквы– вар. Итак, полная мощность, судя по названию, выражает всю мощность переданную или преобразованную электроустановкой. Она обозначается буквой S и измеряется в Вольт-Амперах (ВА). Полная мощность однофазной цепи S = U*I, ВА, 3-хфазной цепи S = √3*U*I, где U – линейное напряжение, I – фазный ток (данная формула применима для симметричной нагрузки, при нессиметричной нагрузке необходимо суммировать мощность каждой фазы). Активная мощность является частью полной и характеризует электрическую энергию, преобразуемую в любой другой вид энергии. Например, вентилятор преобразовывает электрическую энергию в механическую, а печка в тепловую и т.п. Активная мощность обозначается Р и измеряется в Вт. Формула активной мощности Р = S*cos φ, для однофазной цепи Р = U*I* cos φ, для 3-хфазной Р = √3*U*I*cos φ, где U – линейное напряжение, I – фазный ток. Угол φ – так называемый угол сдвига фаз (между током и напряжением цепи) или коэффициент мощности, он может изменяться в пределах от 0 до 1. В случае, когда cos φ = 1, активную мощность можно выразить как Р = I2*R (вспоминаем правило Джоуля-Ленца), в этом случае Р = I2*R = S. Есть ещё реактивная мощность, характеризующая циклические режимы в электротехнических устройствах, или можно сказать, что реактивная мощность учитывает нагрузки, создаваемые в электроустановках колебаниями энергии в цепях переменного тока. Довольно непонятно, не правда ли? Попробуйте выучить любое из понравившихся Вам определений, чтобы блеснуть им в каком-нибудь умном разговоре. На этом его польза и закончится. Итак, реактивная мощность – обозначается Q, измеряется в вар. Она численно равна Q = S*sinφ (1-нофазные цепи) и Q = √3*U*I* sin φ. Для понимания связи всех видов электрической мощности удобно воспользоваться графическим их изображением (рис. 1). Это так называемый, треугольник мощностей. Как мы видим S = √(Р2 + Q2). Приведем пример: Полная мощность цепи S = 100 кВА, cos φ = 0,9. Найти активную и реактивную мощность. Решение: если косинус φ равен 0,9 , то синус равен sin φ = 1-0.92 (основное тригонометрическое тождество) = 0,436. Тогда Р = 100*0,9, а Q = 100*0,436. Находим Р = 90 кВт, а Q = 43.6 квар. Пример2: 3-хфазный асинхронный двигатель (номинальное напряжение 380 В) имеет номинальную электрическую мощность 15 кВт, cos φ = 0,85. КПД принять 100 %. Рассчитать номинальный ток двигателя для последующего выбора кабельной линии. Решение I = P/(√3*U* cos φ) = 15/(1,73*0,38*0,85) = 26,8 А. Вадим Д. г.Волгодонск Ростовская обл.

Как измерить электрическую мощность

Основы измерения мощности

Измерение мощности постоянного тока относительно просто, поскольку уравнение просто ватт = вольт x ампер. Для измерения мощности переменного тока коэффициент мощности (PF) представляет сложность, поскольку ватт = вольт x ампер x коэффициент мощности. Это измерение мощности переменного тока называется активной мощностью, истинной мощностью или реальной мощностью. В системах переменного тока умножение вольт на ампер = вольт-ампер, также называемый полной мощностью.

Потребляемая мощность измеряется путем расчета ее во времени с использованием как минимум одного полного цикла.Используя методы оцифровки, мгновенное напряжение умножается на мгновенный ток, затем накапливается и интегрируется за определенный период времени, чтобы обеспечить измерение. Этот метод обеспечивает точное измерение мощности и истинное среднеквадратичное значение для любой формы сигнала, синусоидального или искаженного, включая содержание гармоник вплоть до полосы пропускания прибора.

Измерение однофазной и трехфазной мощности

Преобразование Блонделя утверждает, что общая мощность измеряется на один ваттметр меньше, чем количество проводов в системе.Таким образом, для однофазной двухпроводной системы потребуется один ваттметр, для однофазной трехпроводной системы потребуется два ваттметра (Рисунок 1), для трехфазной трехпроводной системы потребуется два ваттметра и один трехфазная, четырехпроводная система потребует три ваттметра.

Рис. 1. Метод двух ваттметров позволяет измерять мощность при прямом подключении к системе 3P3W. Pt = P1 + P2

В этом контексте ваттметр — это устройство, которое измеряет мощность с использованием одного входа тока и одного входа напряжения.Многие анализаторы мощности и DSO имеют несколько входных пар ток / напряжение, способных измерять ватт, фактически действуя как несколько ваттметров в одном приборе. Таким образом, можно измерить трехфазную 4-проводную мощность с помощью одного правильно подобранного анализатора мощности.

В однофазной двухпроводной системе (рис. 2) напряжение и ток, измеренные ваттметром, равны полной мощности, рассеиваемой нагрузкой. Напряжение измеряется между двумя проводами, а ток измеряется в проводе, подающем питание на нагрузку, часто называемом горячим проводом.Напряжение обычно можно измерить непосредственно анализатором мощности до 1000 В RMS. Более высокие напряжения потребуют использования ТН (трансформатора напряжения) в системе переменного тока для понижения напряжения до уровня, который может быть измерен прибором. Как правило, токи могут быть измерены непосредственно анализатором мощности до 50 А, в зависимости от прибора. Более высокие токи потребуют использования трансформатора тока (трансформатор тока) в системе переменного тока. Существуют разные типы CT. Некоторые размещаются прямо в линию. В других есть окно, через которое проходит токоведущий кабель.Третий вид — зажимной. Для постоянного тока обычно используется шунт. Шунт помещается в линию, и прибор измеряет низкий уровень сигнала в милливольтах.

Рис. 2. Однофазная двухпроводная система использует трансформатор тока и трансформатор напряжения.

В однофазной трехпроводной системе (рис. 3) полная мощность представляет собой алгебраическую сумму двух показаний ваттметра. Каждый ваттметр подключен от одного из проводов под напряжением к нейтрали, и ток измеряется в каждом проводе под напряжением. Общая мощность рассчитывается как Pt = P1 + P2.

Рисунок 3. Два ваттметра подключаются к однофазной трехпроводной системе (1P3W).

В трехфазной четырехпроводной системе (рис. 4) каждый из трех ваттметров измеряет напряжение от горячего провода до нейтрали, а каждый ваттметр измеряет ток в одном из трех горячих проводов. Полная мощность для трех фаз — это алгебраическая сумма трех измерений ваттметра, поскольку каждый измеритель, по сути, измеряет одну фазу трехфазной системы.Pt = P1 + P2 + P3

Рис. 4. В этой трехфазной четырехпроводной системе используются три ваттметра.

В трехфазной трехпроводной системе (рис. 5) два ваттметра измеряют фазный ток в любых двух из трех проводов. Каждый ваттметр измеряет линейное напряжение между двумя из трех линий электропитания. В этой конфигурации общая мощность в ваттах точно измеряется алгебраической суммой двух значений ваттметра. Pt = P1 + P2. Это верно, если система сбалансирована или несбалансирована.

Если нагрузка несимметрична, то есть фазные токи разные, общая мощность будет правильной, но общая ВА и коэффициент мощности могут быть ошибочными. Однако анализаторы мощности могут иметь специальную конфигурацию проводки 3V3A для обеспечения точных измерений в трехфазных, трехпроводных системах со сбалансированной или несимметричной нагрузкой. Этот метод использует три ваттметра для контроля всех трех фаз. Один ваттметр измеряет напряжение между фазами R и T, второй ваттметр измеряет напряжение между фазами S и T, а третий ваттметр измеряет напряжение между фазами R и S.Фазные токи измеряются каждым ваттметром. Метод двух ваттметров все еще используется для расчета полной мощности. Pt = P1 + P2. Однако общая VA рассчитывается как (√3 / 3) (VA1 + VA2 + VA3). Все три напряжения и тока используются для точных измерений и расчетов несимметричной нагрузки.

Рис. 5. Трехфазная трехпроводная система использует метод трех ваттметров для достижения точных измерений при несимметричной нагрузке.

Измерение коэффициента мощности

Часто необходимо измерять коэффициент мощности, и это значение должно поддерживаться как можно ближе к единице (1,0)
В системе электроснабжения нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности для такое же количество передаваемой полезной мощности. Более высокие токи увеличивают потери энергии в системе распределения и требуют более крупных проводов и другого оборудования. Из-за затрат на более крупное оборудование и потери энергии электрические компании обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей, демонстрирующих низкий коэффициент мощности.

На рис. 6 показано напряжение запаздывания по току на 44,77 °, что дает коэффициент мощности 0,70995. Полная мощность S1 составляла 120,223 ВА. Однако реальная мощность, или реальная мощность, P1 составляла всего 85,352 Вт.

Рис. 6. Экран анализатора мощности показывает разность фаз между напряжением и током.

Если энергопотребляющие устройства имеют хорошие коэффициенты мощности, то и вся энергосистема будет такой же, и наоборот. Когда коэффициент мощности падает, часто приходится использовать устройства коррекции коэффициента мощности, что требует значительных затрат.Эти устройства обычно представляют собой конденсаторы, поскольку большая часть потребляющих мощность нагрузок является индуктивной.

Ток отстает от напряжения в катушке индуктивности; это известно как запаздывающий коэффициент мощности. Ток приводит к напряжению в конденсаторе; это известно как ведущий коэффициент мощности. Двигатель переменного тока является примером индуктивной нагрузки, а компактная люминесцентная лампа — примером емкостной нагрузки.

Для определения общего коэффициента мощности в трехфазной 4-проводной системе требуются три ваттметра.Каждый измеритель измеряет ватты, а также измерения в вольтах и ​​амперах. Коэффициент мощности рассчитывается путем деления общей мощности каждого счетчика на общее количество вольт-ампер.

В трехфазной трехпроводной системе коэффициент мощности следует измерять с использованием метода трех ваттметров вместо метода двух ваттметров, если нагрузка несимметрична, то есть если фазные токи разные. Поскольку метод двух ваттметров позволяет выполнять измерения только для двух ампер, любые различия в показаниях усилителя на третьей фазе вызовут неточности.

Измерение мощности бытовой техники

Типичным приложением для измерения мощности является резервное питание для бытовых приборов, основанных на стандартах Energy Star или IEC62301. Оба стандарта определяют требуемую точность мощности, разрешение и другие параметры измерения мощности, такие как гармоники. В стандарте IEC62301 есть еще 25 стандартов, которые определяют конкретные параметры испытаний для различных устройств. Например, IEC60436 определяет методы измерения производительности электрических посудомоечных машин.

Режим ожидания определяется как режим с наименьшим энергопотреблением, который не может быть отключен пользователем и который может сохраняться в течение неопределенного времени, когда приложение подключено к основному источнику электроэнергии и используется в соответствии с инструкциями производителя. Мощность в режиме ожидания — это средняя мощность в режиме ожидания, измеренная в соответствии со стандартом.

Существует три основных метода измерения энергопотребления в режиме ожидания или других подобных приложениях.Если значение мощности стабильно, можно использовать мгновенные показания прибора в любой момент времени. Если значение мощности нестабильно, возьмите среднее значение показаний прибора с течением времени или измерьте общее потребление энергии. Ватт-часы можно измерить за определенный период времени, а затем разделить на это время.

Измерение общего энергопотребления и деление на время дает наиболее точные значения как при постоянной, так и при колеблющейся мощности, и это метод, обычно используемый при использовании анализаторов мощности нашей компании. Но для измерения общего энергопотребления требуется более сложный прибор, потому что мощность должна постоянно измеряться и суммироваться.

Инструменты для измерения мощности

Мощность обычно измеряется с помощью цифрового анализатора мощности или цифрового запоминающего осциллографа с микропрограммным обеспечением для анализа мощности. Большинство современных анализаторов мощности полностью электронные и используют дигитайзеры для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. Анализаторы более высокого уровня используют методы цифровой обработки сигналов для выполнения вычислений, необходимых для определения значений.

DSO с анализом мощности используют специальное микропрограммное обеспечение для выполнения точных измерений мощности. Однако они несколько ограничены, поскольку основаны на выборочных данных из оцифрованных форм волн. Их датчики тока и напряжения делают их хорошо подходящими для работы на уровне плат и компонентов, где абсолютная точность не является обязательной, а частота сети относительно высока.

Анализаторы мощности обычно могут измерять среднеквадратичное значение до 50 А непосредственно при уровнях напряжения до 1000 В среднеквадратичное значение, поэтому большинство тестируемых продуктов можно подключать напрямую.С другой стороны, DSO потребует использования пробников напряжения и тока для измерения мощности.

ТТ

рассчитываются по соотношению входного и выходного тока, например 20: 5. Другими важными параметрами ТТ являются точность, фазовый сдвиг и частотный диапазон для измерения мощности переменного тока. ТН используются для понижения фактического напряжения до уровня, приемлемого для прибора измерения мощности. Например, если тестируемый продукт рассчитан на 480 В переменного тока, а прибор ограничен до 120 В переменного тока, то требуется от 4 до 1 ТН.

DSO обычно не обеспечивает точность анализатора мощности и не может напрямую принимать входные сигналы высокого тока и напряжения, но может измерять мощность на гораздо более высоких частотах до 500 МГц с помощью соответствующих пробников. Он также обеспечивает другие преимущества перед анализаторами мощности в определенных приложениях, включая специальные пробники для простоты подключения, фазовую компенсацию пробника и до восьми многоканальных входов.

Типичным приложением для DSO может быть любой тип измерения на уровне платы, например, при разработке печатных плат для импульсного источника питания.Параметры, которые обычно измеряются и анализируются с помощью DSO или анализатора мощности, включают, помимо прочего, потери мощности переключения, потребляемую мощность устройства, уровень шума переключения, гармоники, выходную мощность и стабильность выхода.

При использовании DSO необходимое оборудование будет включать датчики дифференциального напряжения и датчик тока (рисунок 7). Токовый пробник подключается к одному из основных токоведущих проводов, как показано на рисунке. Часто напряжения компонентов не относятся к уровню земли.Поэтому для изоляции заземления DSO от заземления компонентов требуется датчик дифференциального напряжения. В дополнение к анализатору мощности или DSO, трансформаторам тока и трансформатору тока, если необходимо, другими вспомогательными компонентами для измерения мощности являются зонды, зажимы и провода. Когда все необходимые инструменты и компоненты будут под рукой, следующим шагом будет определение того, какие именно инструменты необходимы и как эти инструменты должны быть подключены к нагрузке.

Рис. 7. Используйте пробники напряжения и токовый пробник с осциллографом для измерения напряжения и тока.

Анализаторы мощности

обычно являются предпочтительным инструментом для измерения мощности бытовых приборов и других измерений мощности с относительно высокими уровнями напряжения, низкими частотами и высокими требованиями к точности. Однако для измерений на уровне платы обычно используется DSO.

Используя информацию, представленную выше, можно выбрать и подключить правильные инструменты и инструменты для различных приложений измерения мощности. Информация, полученная с помощью этих инструментов, затем может быть использована для оптимизации конструкции, соответствия стандартам и предоставления информации на паспортной табличке.

Мощность — действительная и кажущаяся

Основные измерения линии электропередачи

Осциллографы измеряют ток и напряжение и с помощью магии математики вычисляют мощность. К сожалению, мощность бывает разных видов: мгновенная, реальная, полная и реактивная. Такое изобилие силовых терминов часто приводит к путанице. Пакет программного обеспечения Power Analysis упрощает эти измерения и устраняет необходимость в настройке правильных математических операций.

Осциллографы, аналоговые или цифровые, являются приборами, реагирующими на напряжение. Ток измеряется с помощью подходящего преобразователя, обычно токового датчика или резистивного шунта. На экране осциллографа отображается мгновенная функция напряжения или тока в зависимости от времени. Произведение этих величин и есть мгновенная мощность.

Базовое измерение мощности в линии показано на рисунке 1.

Произведение мгновенного напряжения (канал 1) и тока (канал 2) представляет собой мгновенную мощность, показанную на нижнем графике мощности линии.Обратите внимание, что форма сигнала мощности состоит из формы сигнала с удвоенной частотой тока или напряжения со смещением постоянного тока. Это смещение постоянного тока представляет собой среднюю мощность, подаваемую на нагрузку. Средняя или реальная мощность, обозначенная символом P, измеряется в ваттах. На рисунке 1 активная мощность определяется автоматически путем определения среднего или среднего значения мгновенной формы сигнала мощности. Реальная мощность отображается как параметр rpwr и в этом примере имеет значение 25,11 Вт.

Произведение действующего (действующего) тока и действующего (среднеквадратичное) напряжения называется полной мощностью. Полная мощность обозначается символом S и измеряется в вольт-амперах (ВА). В нашем примере выше полная мощность:

$$ S = 120,59 * 0,328 = 39,6 ВА $$

Полная мощность автоматически вычисляется и отображается как параметр apwr. Для резистивных нагрузок полная и средняя мощности равны.

Отношение средней мощности к полной — это коэффициент мощности.В синусоидальном случае коэффициент мощности равен косинусу фазового угла между сигналами тока и напряжения. Обычно он рассчитывается как отношение реальной мощности к полной. В нашем примере коэффициент мощности также вычисляется автоматически и отображается с помощью параметра pf. Значение коэффициента мощности 0,633.

I _пик — пик-фактор формы сигнала тока. Пик-фактор — это отношение размаха тока к действующему значению.{1/2} $$

Единицами измерения реактивной мощности являются вольт-амперы, реактивные или вАР. Большинство пользователей интересуются реальной мощностью и коэффициентом мощности, поэтому реактивная мощность не рассчитывается автоматически.

Программное обеспечение Power Analysis полезно при анализе мощности сети. Он упрощает определение активной мощности, полной мощности и коэффициента мощности, устраняя необходимость в настройке математических трасс и математических вычислений параметров. Его даже удобнее использовать, чем анализаторы мощности специализированных линий. Прицел уже у вас на скамейке, и ответы можно получить всего одним нажатием кнопки.

измерений мощности | Спектр

Введение

Измерения мощности в сети обычно требуются для оценки характеристик устройств или цепей. Модульные дигитайзеры могут выполнять такие измерения мощности. Дигитайзеры — это измерительные приборы, реагирующие на напряжение. Они также могут измерять ток с помощью подходящих токовых пробников или токовых шунтов. Затем измерение тока и напряжения приводит к вычислению мощности на основе произведения полученных форм тока и напряжения.Мощность — это скорость передачи энергии в цепи, которая описывается рядом атрибутов, таких как реальная, полная, реактивная и мгновенная мощность. В этом примечании к применению будет рассмотрено выполнение основных измерений мощности в цепях и устройствах переменного тока с использованием модульного дигитайзера.

Основные измерения мощности

Мгновенная мощность рассчитывается как произведение приложенного напряжения и тока. Реальная мощность (P) — это среднее или среднее значение мгновенной мощности, измеренной в ваттах.Цепи, содержащие реактивные элементы (катушки индуктивности или конденсаторы), могут накапливать энергию и обратный поток мощности, так что мощность течет от нагрузки обратно к источнику. Это реактивная мощность (R), измеряемая в единицах реактивной мощности вольт-амперах или вар. Векторная сумма реальной и реактивной мощности называется полной или полной мощностью, как показано на рисунке 1.

Полная мощность (S) может быть вычислена как произведение действующего или среднеквадратичного напряжения и действующего или среднеквадратичного тока. Единицы полной мощности — вольт-амперы (ВА).Угол (), заключенный между векторами реальной и полной мощности Θ, представляет собой разность фаз между формами сигналов тока и напряжения. Косинус этого угла, отношение реальной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности (pf).

pf = cos (Θ) = PS

Если устройство является чисто резистивным, формы сигналов тока и напряжения совпадают по фазе, полная и активная мощность равны, а коэффициент мощности равен единице. По мере увеличения реактивной составляющей коэффициент мощности уменьшается.

Измерение напряжения линии

Для измерения напряжения требуются пробники. Обычный осциллограф, пробники с высоким сопротивлением можно использовать с дигитайзером. Возможность масштабирования данных вертикального напряжения для учета пробников очень полезна. Поскольку для большинства измерений мощности требуются измерения линейного (сетевого) напряжения, лучше всего проводить эти измерения по-разному, чтобы избежать проблем с заземлением, связанных с несимметричными пробниками. Дигитайзер должен принимать два входных сигнала датчиков и вычислять разницу.В качестве альтернативы, напряжение на горячей и нейтральной линиях может быть получено отдельно и вычтено с помощью вычислений формы сигнала. Если имеется дифференциальный зонд, его также можно использовать.

Измерительная линия тока

Самый удобный метод измерения тока — это использовать соответствующий токовый пробник. Убедитесь, что любой токовый пробник, который вы используете, имеет элементы управления отдельно от измерительного прибора. Выходной сигнал датчика тока можно подавать на канал дигитайзера с соответствующим масштабированием для отображения сигналов от датчика в единицах тока.

Выбор дигитайзера

Большинство измерений линейной частоты выполняется на основных частотах от 50 до 400 Гц, поэтому требования к полосе пропускания дигитайзера не очень высоки. Если есть интерес к проведению испытаний на кондуктивную эмиссию, то будет полезна возможность учесть до 40-й гармоники основной гармоники мощности без значительных потерь. Это поставит требования к полосе пропускания примерно на 20 кГц или больше.

Дигитайзер должен иметь достаточное разрешение по амплитуде для воспроизведения гармоник высших порядков линии электропередачи, будет достаточно от 12 до 16 бит.

Количество каналов зависит от того, предназначены ли односторонние или дифференциальные измерения. Дифференциальные измерения объединяют два канала для каждого измерения. Для однофазного линейного измерения четыре входных канала дают два дифференциальных канала. Для трехфазных измерений на каждой фазе требуется шесть или более каналов. Если предположить, что три канала дифференциального напряжения и три несимметричных канала тока, то потребуется девять каналов. Поскольку большинство дигитайзеров предлагают от одного до шестнадцати каналов в двоичной последовательности (1/2/4/8/16), вам следует выбрать следующее большее количество каналов для выполнения задачи измерения.

Частота дискретизации, как и полоса пропускания, должна в четыре или пять раз превышать требуемую полосу пропускания.

В таблице 1 приведены некоторые рекомендации по выбору дигитайзеров спектра или дигитайзеров моделей NETBOX

Таблица 1: Дигитайзер и дигитайзер спектра Семейства NETBOX, наиболее совместимые с измерениями мощности в линии

Семейство моделей	Интерфейс	каналов	Вход канала	Пропускная способность	Максимальная частота дискретизации
M2i.47xx	PCIe, PCI	8, 16	несимметричный	0,5 МГц	1,33 Мвыб / с
M2i.46xx	PCIe, PCI	2, 4, 8	Односторонний Дифференциальный	0,1, 0,5, 1,5 МГц	0,2, 1, 3 Мвыб / с
M2i.49xx	PCIe, PCI	2, 4, 8	Односторонний Дифференциальный	5, 15, 30 МГц	10, 30, 60 Мвыб / с
DN2.46x	LXI, LAN	4, 8, 16	Односторонний Дифференциальный	0,1, 0,5, 1,5 МГц	0,2, 1, 3 Мвыб / с
DN2,49x	LXI, LAN	4, 8, 16	Односторонний Дифференциальный	5, 30 МГц	10, 60 Мвыб / с

Пример измерения однофазной мощности

В следующем примере измеряется мощность, необходимая небольшому охлаждающему вентилятору с сетевым питанием.Измерения проводились с использованием дигитайзера NETBOX модели DN2.496.04 с 4 аналоговыми каналами, разрешением 16 бит, частотой дискретизации 60 Мвыб / с и полосой пропускания 30 МГц. Для регистрации сигналов тока и напряжения использовались токовый пробник Tektronix модели P6042 и пара пассивных пробников осциллографа. Были измерены линейный ток и линейное напряжение. Линейное напряжение измерялось дифференциально, так что ни горячий, ни нейтральный провод линии электропередачи не был заземлен.

На рис. 2 показаны результаты измерения, полученные с помощью программного обеспечения Spectrum SBench 6, которое используется для управления и обработки полученных данных.

Входное напряжение измеряется по-разному с помощью двух пассивных пробников, подключенных к каналам Ch3 и Ch4. Каналы объединены и отображаются как канал Ch3 в верхней центральной сетке. Показания масштабируются, чтобы отразить затухание зондов. Ток, отражающий выходной сигнал токового пробника, появляется в канале Ch0 в нижней центральной сетке. Эти данные также масштабируются в зависимости от чувствительности токового щупа, поэтому он считывается в вертикальных единицах ампер. Пиковое и эффективное (среднеквадратичное) значения как тока, так и напряжения отображаются в информационной панели слева от рисунка.

Мгновенная мощность вычисляется с использованием аналогового вычисления SBench 6 для умножения сигналов тока и напряжения. Мощность отображается в крайней левой сетке. Пиковое значение и среднее значение мощности также перечислены на панели «Информация». Среднее значение мгновенной мощности представляет реальную мощность и записывается как 6,6 Вт.

Полная мощность вычисляется как произведение действующих значений линейного тока и напряжения. На основании измеренных значений (121.5 В и 63,2 мА) полная мощность составляет 7,68 ВА.
Это позволяет нам вычислить коэффициент мощности как 0,86. Наблюдая за горизонтально увеличенным изображением формы волны тока и напряжения в двух крайних правых сетках, мы можем видеть, что форма волны напряжения (вверху справа) опережает форму волны тока, указывающую на индуктивную характеристику. Курсоры, отмечающие пересечение нуля с положительным наклоном, показывают, что форма сигнала напряжения опережает сигнал тока на 1,44 мс. Это соответствует сдвигу фазы на 31 градус.Это также можно рассчитать как cos-1 (pf) или 30,68 градуса. Расчет, основанный на коэффициенте мощности, более точен, потому что он не страдает от неопределенности размещения курсора.

Линейные гармоники

Получив кривые тока и напряжения, мы можем расширить анализ до частотной области. На рисунке 3 показаны средние спектры сигналов линейного тока (внизу слева) и линейного напряжения (вверху слева):
Спектр линейного напряжения имеет больше, гармоники высшего порядка.Гармоники нечетного порядка являются наиболее заметными. Текущий спектр имеет более низкую общую гармоническую составляющую, но в нем также преобладают нечетные гармоники.

Трехфазное питание

Трехфазная электрическая энергия — это тип многофазной системы распределения электроэнергии переменного тока для производства, передачи и распределения электроэнергии. Он используется для питания больших двигателей и других тяжелых электрических нагрузок. Трехфазная система обычно более экономична, чем эквивалентная однофазная или двухфазная система при аналогичных уровнях напряжения, поскольку в ней используется меньше проводящего материала для передачи электроэнергии.Однофазный источник питания переменного тока требует двух проводов, трехфазный источник может передавать в три раза больше мощности, используя только один дополнительный провод. Это означает, что увеличение стоимости передачи на 50% дает увеличение передаваемой мощности на 200%.

Терминология трехфазного подключения

Трехфазные соединения, такие как трехфазные двигатели, показанные на Рисунке 4, подключаются по схеме WYE (верхняя схема) или ТРЕУГОЛЬНИК (нижняя схема).

Напряжения Van, Vbn и Vcn в соединении WYE называются фазными напряжениями.Напряжения, обозначенные как Vab, Vbc и Vac, являются линейными напряжениями. Токи Ia, Ib и Ic являются фазными токами. Общая мощность, рассеиваемая нагрузкой, является суммой произведений тока и напряжения отдельных фаз в соединении WYE. Обратите внимание, что жирным шрифтом обозначены векторные операции:

Pt = Ia * Van + Ib * Vbn + Ic * Vcn

Обычно мощность рассчитывается с использованием линейных напряжений, а не фазных напряжений.

На рисунке 5 показана векторная диаграмма фазного напряжения, фазного тока и линейных напряжений.Расчет напряжения выполняется векторно.

Величины линейных напряжений в сбалансированной системе равны трехкратному фазному напряжению. Обратите внимание, что фазные напряжения опережают линейные на 30 градусов. Это результат векторного вычитания, используемого для вычисления линейных напряжений из фазных напряжений.
Высоковольтные дифференциальные пробники используются для измерения линейного и фазного напряжений, они применяют к сигналу ослабление 100: 1. Результирующие фазные напряжения на входе дигитайзера равны 1.Пиковое значение 69 В (3,38 Впик-пик). Эти напряжения масштабируются в 100 раз за счет использования датчика ÷ 100. В результате фазные напряжения будут сообщены как 169 Впик (338 Впик-пик). Это 120 В среднеквадратического значения. Линейные напряжения в √3 раз превышают фазное напряжение или 208 В (среднеквадратичное значение). Это номинальное трехфазное напряжение в США.

Мы можем проверить вышесказанное, измеряя фазные напряжения на дигитайзере, а затем вычисляя линейные напряжения. Это показано на Рисунке 6:

.

Каналы Va, Vb и Vc — это измеренные фазные напряжения.Vab, Vbc и Vca — вычисленные линейные напряжения (номинально 586 Vpk-pk). Разность фаз между фазным напряжением и напряжением соседней линии составляет 30 градусов, что подтверждается измерением курсора на графике масштабирования в крайней левой сетке. Линейное напряжение Vab отстает от фазного напряжения Va на 1,38 мс из периода 16,67 мс. Разность фаз между линейными напряжениями составляет 120 градусов.

Векторы тока на Рисунке 5 показаны с общей разностью фаз от фазных напряжений.Этот угол,, представляет реактивные компоненты, которые могут быть включены в обмотки двигателя. В нашем эксперименте используется чисто резистивная нагрузка, равная 0 градусов.

Измерения трехфазной мощности

На рисунке 7 мы показываем фазные напряжения (Va, Vb и Vc), фазные токи (Ia, Ib и Ic) и рассеиваемую фазную мощность (Pa, Pb и Pc) для нагрузки, подключенной по схеме WYE (где у нас есть доступ как к фазному, так и к линейному напряжению). Умножьте фазное напряжение на соответствующий фазный ток, и получите мгновенную мощность в каждой фазе.Среднее значение мгновенной мощности — это активная составляющая мощности. Сумма всех трех показаний фазной мощности — это полная активная мощность нагрузки.

Это измерение называется измерением мощности с помощью трех ваттметров. Чтобы выполнить это измерение с использованием внешних дифференциальных пробников для измерения напряжений, потребуется шесть каналов. Если используются несимметричные пробники, количество каналов увеличивается до девяти. Гибкость, позволяющая указать до 16 каналов в конфигурации дигитайзера, является основным преимуществом этого типа измерений.

Фазные напряжения показаны в верхнем ряду рисунка 7. Фазные токи показаны в центральном ряду. Мощность фазы отображается в нижнем ряду. Сумма всех трех форм сигналов фазной мощности отображается в крайней левой сетке с надписью «Общая мощность». Обратите внимание, что общая мощность относительно постоянна. Параметры, отображаемые на панели «Информация» слева, считывают средние значения отдельных форм сигналов фазовой мощности вместе с общей мощностью. Сумма средних значений трех измерений фазной мощности равна средней полной мощности.Результат измерения для полной мощности — 850,9 Вт

Метод двух ваттметров

Альтернативным методом является метод двух ваттметров, который требует измерения только двух линейных напряжений и двух фазных токов. В математической форме:

PT (t) = Vac (t) ia (t) + Vbc (t) ib (t)

Это можно вывести следующим образом:

Это можно проверить с помощью следующего математического вывода:

PT = Va (t) ia (t) + Vb (t) ib (t) + Vc (t) ic (t)

, но, используя текущий закон Кирхгофа: ia + ib + ic = 0 или + ic = — ia — ib

PT (t) = Va (t) ia (t) — Vc (t) ia (t) — Vc (t) ib (t) + Vb (t) ib (t)

PT (t) = Vac (t) ia (t) + Vbc (t) ib (t)

Где: Va — Vc ≡ ac и Vb — Vc ≡ bc

Вот пример применения метода двух ваттметров, который может быть реализован с использованием четырехканального дигитайзера Spectrum вместе с двумя датчиками дифференциального напряжения и двумя датчиками тока.

Как и в примере вычисления полной мощности на основе отдельных фазных напряжений и токов, в этом методе используются два линейных напряжения (Vac и Vbc) и два фазных тока (Ia и Ib). Напряжения в линии отображаются в верхнем ряду, фазные токи — в среднем ряду, а отдельные кривые мощности — в нижнем ряду. Как и прежде, общая мощность отображается в крайней левой сетке с пометкой «Общая мощность». Средние или средние значения каждой формы сигнала мощности показаны в информационной сетке слева.Опять же, номинальная мощность 851 Вт.

Заключение

Были рассмотрены основные концепции измерения мощности переменного тока, включая определение мгновенной, реальной, полной и реактивной мощности. Дигитайзеры с подходящим количеством каналов могут использоваться для измерения одно- и многофазных систем питания с использованием подходящих датчиков напряжения и тока. Универсальность дигитайзера, простота связи и быстрая передача информации делают его идеальным для измерения мощности переменного тока.Дигитайзеры спектра малы и компактны и доступны в различных форм-факторах, поэтому их можно использовать в самых разнообразных испытательных установках. Например, продукты DigitizerNETBOX спроектированы таким образом, что ими можно управлять через Ethernet, что дает им возможность работать удаленно или, фактически, в любом месте локальной сети (LAN). Платы PXI доступны для приложений, в которых набор модульных приборов будет работать вместе как часть полной тестовой системы. Карты PCI и PCIe могут быть установлены непосредственно в большинство современных ПК, превращая их в мощные автономные испытательные станции.

Ссылки

Что такое полная мощность (кВА), активная мощность (кВт) и реактивная мощность (кВАр)

ВНЕШНЯЯ МОЩНОСТЬ (кВА): Кило-вольт-ампер — это мера полной мощности в цепи переменного тока. Раньше он оценивал, сколько мощности может обеспечить блок питания. KVA обычно используется для оценки источников, таких как трансформаторы, генераторы, ИБП и т. Д. Его также называют мнимой мощностью. Фактическая мощность (кВт), потребляемая нагрузками, подключенными к цепи, может быть получена путем умножения полной мощности
(кВА) на коэффициент мощности.В сложной форме это может быть выражено как

полная мощность (кВА) = активная мощность (кВт) + i реактивная мощность

АКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ (кВт): Единицей измерения активной или реальной мощности в цепи переменного тока является кВт. Активная мощность, полученная путем умножения полной мощности на коэффициент мощности. Это мощность, потребляемая нагрузками, подключенными к сети переменного тока. Если в цепь переменного тока подключены только резистивные нагрузки, коэффициент мощности будет равен единице, а полная мощность станет равной активной мощности.

активная мощность (кВт) = полная мощность (кВА) * коэффициент мощности

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ (кВАр): Реактивная мощность — это мнимая часть полной мощности, выраженная в сложной форме.Если нагрузка в цепи переменного тока является только резистивной, мощность всегда будет течь от источника к нагрузке. Если в цепь переменного тока подключены реактивные нагрузки (катушка индуктивности или конденсатор), в цепи возникает реактивная мощность. Реактивная мощность постоянно колеблется между источником и нагрузкой. Он представляет собой энергию, которая сначала сохраняется, а затем высвобождается в магнитном поле индуктора или в электрическом поле конденсатора, включенного в цепь. Поскольку реактивная мощность колеблется между источником и нагрузкой, она не передает энергию нагрузке и потребляет больше тока из сети, поэтому в линиях цепи происходит больше тепловых потерь.Реактивную мощность можно уменьшить, увеличив коэффициент мощности (уменьшив фазовый угол). Этого можно добиться, предусмотрев в цепи сконструированную емкостную батарею.

Об авторе

Мистер Маной Морской инженер, работающий в компании ESM. Он курирует отдел рекламы и техническую поддержку в Marinesite. Кроме того, он проявляет большой интерес к Электрооборудованию. Вы можете поймать его в Facebook Google+.

Разница между истинной, реактивной и полной мощностью

Истинная, реактивная и полная мощности — это три типа мощности в электрических цепях.В этой статье вы познакомитесь со всеми основными понятиями, относящимися к истинной, реактивной и полной мощности.

Основы реактивной мощности

Мы знаем, что реактивные нагрузки, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, рассеивают нулевую мощность, но тот факт, что они падают напряжение и потребляют ток, создает обманчивое впечатление, что они на самом деле рассеивают мощность. Эта «фантомная мощность» называется реактивной мощностью , и она измеряется в единицах, называемых вольт-ампер-реактивная мощность (ВАР), а не в ваттах.Математическим символом реактивной мощности является (к сожалению) заглавная буква Q. Фактическое количество энергии, используемой или рассеиваемой в цепи, называется , истинная мощность и измеряется в ваттах (обозначается заглавной буквой P, как всегда). Комбинация реактивной мощности и истинной мощности называется полной мощностью и является произведением напряжения и тока в цепи без учета фазового угла. Полная мощность измеряется в единицах вольт-ампер, (ВА) и обозначается заглавной буквой S.

Как правило, истинная мощность зависит от рассеивающих элементов схемы, обычно от сопротивления (R). Реактивная мощность зависит от реактивного сопротивления цепи (X). Полная мощность — это функция полного сопротивления цепи (Z). Поскольку для расчета мощности мы имеем дело со скалярными величинами, любые комплексные начальные величины, такие как напряжение, ток и импеданс, должны быть представлены их полярными величинами , а не действительными или мнимыми прямоугольными составляющими. Например, если я вычисляю истинную мощность по току и сопротивлению, я должен использовать полярную величину для тока, а не просто «реальную» или «мнимую» часть тока.Если я вычисляю полную мощность по напряжению и импедансу, обе эти ранее комплексные величины должны быть уменьшены до их полярных величин для скалярной арифметики.

Единицы и формулы истинной, реактивной и полной мощности

Существует несколько уравнений мощности, связывающих три типа мощности с сопротивлением, реактивным сопротивлением и импедансом (все с использованием скалярных величин):

Обратите внимание, что существует два уравнения для расчета истинной и реактивной мощности.Для расчета полной мощности доступны три уравнения, P = IE используется только для этой цели. Изучите следующие схемы и посмотрите, как эти три типа энергии взаимосвязаны.

Мощность в резистивной нагрузке

Чисто резистивная нагрузка на рисунке ниже, чисто реактивная нагрузка на рисунке ниже и резистивная / реактивная нагрузка на рисунке ниже.

Только резистивная нагрузка:

Мощность в реактивной нагрузке

Мощность в резистивной / реактивной нагрузке

Треугольник власти

Эти три типа мощности — истинная, реактивная и полная — связаны друг с другом в тригонометрической форме.Мы называем это треугольником власти:

Используя законы тригонометрии, мы можем найти длину любой стороны (количество любого типа мощности), учитывая длины двух других сторон или длину одной стороны и угол.

Сводка

1. Мощность, рассеиваемая нагрузкой, называется истинной мощностью. Истинная мощность обозначается буквой P и измеряется в ваттах (Вт)
2. Мощность, просто потребляемая и возвращаемая нагрузкой из-за ее реактивных свойств, называется реактивной мощностью.Реактивная мощность обозначается буквой Q и измеряется в вольт-амперных реактивных единицах (ВАР).
3. Полная мощность в цепи переменного тока, как рассеиваемая, так и поглощенная / возвращаемая, называется полной мощностью. Полная мощность обозначается буквой S и измеряется в вольт-амперах (ВА).
4. Эти три типа мощности тригонометрически связаны друг с другом. В прямоугольном треугольнике P = смежная длина, Q = противоположная длина и S = ​​длина гипотенузы. Противоположный угол равен фазовому углу импеданса цепи (Z).

---

Статья из: Урок по электрическим схемам Объем переменного тока Тони Р. Купхальдт в соответствии с условиями лицензии на научный дизайн

Вольт-ампер, реактивная (ВАР) · База знаний по энергетике

VAR — это единица измерения реактивной мощности. VAR возникают, когда электрические токи переменного тока и напряжение не совпадают по фазе. Ток и напряжение не совпадают по фазе из-за определенных нагрузок, которым требуется реактивная мощность или ВАР. VAR производится определенными типами генераторов, а также может производиться другим оборудованием, таким как батареи конденсаторов, статические компенсаторы VAR (SVC) и интеллектуальные инверторы, расположенные в системе распределения или на объектах клиентов.

Основное использование электроэнергии — привод электродвигателей. Электродвигатели создают механическую энергию вращающегося вала, используя электроны для создания магнитного поля, которое заставляет вал вращаться. Электричество, которое намагничивает катушки, не работает и является реактивной мощностью. Действующая часть электрического тока называется реальной мощностью, которая измеряется в ваттах, киловаттах и ​​т. Д.

Полная мощность, которую должна обеспечивать электрическая система, называется полной мощностью, которая включает в себя как реактивную, так и активную мощность.Коэффициент мощности измеряет отношение реальной мощности к полной:

Коэффициент мощности

= фактическая мощность / полная мощность

Исторические электромеханические счетчики измеряют только реальную мощность, хотя электронные счетчики теперь могут измерять и то, и другое. Следовательно, коммунальные предприятия почти всегда выставляют счета только за реальную мощность, а не за кажущуюся мощность. Но коммунальное предприятие должно установить средства доставки, рассчитанные на передачу как реальной, так и реактивной мощности. Поскольку потребители, потребляющие большое количество реактивной мощности, вынуждают коммунальное предприятие строить более крупные объекты, не получая за это денег, коммунальные предприятия предпочитают, чтобы у потребителей коэффициент мощности был как можно более близок к 1.0 насколько возможно.

Для промышленных потребителей коммунальные предприятия часто измеряют коэффициент мощности на счетчике и выставляют счет промышленным потребителям за отклонения коэффициента мощности за пределы допустимых диапазонов. Если эти расходы становятся слишком высокими, клиенты могут установить оборудование на своей стороне счетчика, чтобы лучше управлять своим коэффициентом мощности.

Коэффициент мощности

и ставки энергопотребления

{Щелкните здесь, чтобы получить версию в формате PDF}

В общих чертах, коэффициент мощности — это мера того, насколько эффективно электроэнергия используется в месте нахождения потребителя.Предположение коммунального предприятия о том, что коэффициент мощности потребителя близок к 1,0 («единичный коэффициент мощности»), представляет незначительный риск операций и изменения тарифа для большинства классов мощности. Однако из-за характера нагрузок на промышленных объектах коммунальное предприятие не может сделать такое же предположение для больших классов мощности. Поскольку большие силовые нагрузки с низким коэффициентом мощности потребляют больший ток и приводят к большему потреблению энергии в источнике питания, а также в системе передачи и распределения, многие коммунальные предприятия взимают плату или «штраф за коэффициент мощности» в счетах промышленных потребителей. когда их коэффициент мощности падает ниже заданного порога.

Не существует общепринятой методики определения соответствующего коэффициента мощности для промышленных объектов; в США не существует единого национального стандарта, основанного на технических принципах или стандартах эксплуатации электроэнергетических систем. Многие коммунальные предприятия установили минимальный коэффициент мощности для своих промышленных потребителей; они устанавливаются по усмотрению коммунальных предприятий и обычно документируются в их тарифах, правилах или положениях.

Энергетические компании США применяют несколько различных форм штрафов за коэффициент мощности.Целью этих структур регулирования мощности является компенсация коммунальному предприятию дополнительных затрат, связанных с обеспечением повышенного тока, подачей дополнительных потерь и другим покрытием затрат, связанных с влиянием низкого коэффициента мощности на электрическую систему. Наиболее подходящий тариф для платы за коэффициент мощности следует определять на основе индивидуальных соображений в рассматриваемом случае, включая состав промышленных нагрузок на территории обслуживания, исторические характеристики коэффициента мощности этих нагрузок, общие затраты на коммунальные услуги, нормативный прецедент, и другие факторы.

Фон

Коэффициент мощности в работе электрической системы

Электроэнергия в цепи переменного тока состоит из трех компонентов. Реальная мощность — это мощность, производящая работу, измеряемая в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт). Например, реальная мощность дает механическую мощность двигателя. Реактивная мощность не производит работы, но необходима для работы оборудования и измеряется в реактивных вольт-амперах (ВАР) или киловарах (кВАр). Полная мощность — это векторная сумма реальной мощности и реактивной мощности, измеренная в единицах вольт-ампер (ВА) или киловольт-ампер (кВА).

Коэффициент мощности — это отношение реальной мощности к полной мощности, которое показывает, сколько реальной мощности потребляет электрическое оборудование. Это показатель того, насколько эффективно используется электроэнергия. Коэффициент мощности также равен косинусу фазового угла между сигналами напряжения и тока. Коэффициент мощности по определению попадает в числовой диапазон от 0 до 1 и часто описывается в процентах.

Цепи переменного тока, содержащие только резистивные нагревательные элементы (лампы накаливания, кухонные плиты и т. Д.), Имеют коэффициент мощности 1,0 (или 100%). Формы сигналов напряжения и тока являются синусоидальными и остаются ступенчатыми (или синфазными), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле. Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется; в нагрузке не накапливается энергия.

Цепи переменного тока, содержащие индуктивных элементов (электродвигатели, электромагнитные клапаны, балласты для ламп и др.), Часто имеют коэффициент мощности ниже 1.0. Для этих цепей, где присутствуют индуктивные нагрузки, накопление энергии в нагрузках приводит к разнице во времени между формами сигналов тока и напряжения. Во время каждого цикла переменного напряжения дополнительная энергия в дополнение к любой энергии, потребляемой в нагрузке, временно сохраняется в нагрузке в электрических или магнитных полях, а затем возвращается в электрическую сеть через долю секунды позже в цикле. Приливы и отливы этой реактивной мощности увеличивают ток в линии. Таким образом, схема с низким коэффициентом мощности будет использовать более высокие токи для передачи заданного количества активной мощности, чем схема с высоким коэффициентом мощности.

Возьмем, к примеру, промышленного потребителя, который использует асинхронный двигатель на определенном предприятии. Асинхронные двигатели преобразуют максимум 80-90% переданной мощности в полезную работу или электрические потери. Оставшаяся мощность используется для создания электромагнитного поля в двигателе. Поле попеременно расширяется и сжимается (один раз в каждом цикле), поэтому мощность, потребляемая в поле в один момент, возвращается в систему электроснабжения в следующий момент. Следовательно, средняя мощность, потребляемая полем, равна нулю.Реактивная мощность не регистрируется на киловатт-час или киловатт-метр. Ток намагничивания создает реактивную мощность. Хотя он не выполняет полезной работы, он циркулирует между генератором и нагрузкой и приводит к более сильному истощению источника энергии, а также системы передачи и распределения.

Другими словами, когда коммунальное предприятие обслуживает объект с низким коэффициентом мощности, оно должно быть способно обеспечивать более высокие уровни тока для обслуживания данной нагрузки. Многие промышленные нагрузки являются индуктивными, например, двигатели, трансформаторы, балласты люминесцентных осветительных приборов, силовая электроника и индукционные печи.Эти виды нагрузок потребляют более высокие токи и могут влиять на работу электросети следующим образом:

• Повышенные потери линии
• Избыточная генерирующая мощность
• Избыточная распределительная / трансформаторная мощность
• Пониженная общая эффективность системы
• Повышенный максимальный спрос
• Расширенное обслуживание оборудования и машин

Повышение коэффициента мощности может привести к следующему:

• Снижение затрат на электроэнергию
• Снижение потерь при передаче и распределении
• Регулировка напряжения более высокого качества
• Увеличенная мощность для удовлетворения фактических требований к рабочей мощности
• Уменьшена непроизводительная нагрузка на систему

Коэффициент мощности при нормировании

Большинство коммунальных предприятий основывают свои платежи на реальной мощности — i.е. плата за потребление за кВт (или за фактическую мощность в пик) и за энергию за израсходованные кВтч (или за фактическую мощность за каждый час). Также обратите внимание, что реактивная составляющая тока не регистрируется в киловатт-часах или киловаттметрах. По этим причинам многие коммунальные предприятия вводят элемент выставления счетов за коэффициент мощности для возмещения затрат, связанных с общей мощностью, которую они должны доставить данному потребителю.

По мере падения коэффициента мощности система становится менее эффективной. Например, если реальная потребляемая мощность на двух станциях одинакова, но коэффициент мощности одной из них равен 0.85, а другой имеет коэффициент мощности 0,70, коммунальное предприятие должно обеспечить на 21% больше тока для второй электростанции, чтобы удовлетворить спрос. Без элемента выставления счетов за коэффициент мощности коммунальное предприятие не получало бы больше доходов от второй станции, чем от первой, даже если обслуживание второй станции ложится на коммунальное предприятие более значительным бременем затрат, чем обслуживание первой станции. С точки зрения потребителя, трансформаторам и кабелям на втором заводе потребуется на 21% больше допустимой нагрузки по току, а коммунальному предприятию необходимо будет подавать больший ток на второй завод в режиме реального времени для оказания услуг.

Таким образом, в качестве средства компенсации нагрузки по подаче дополнительного тока многие коммунальные предприятия устанавливают штраф по коэффициенту мощности в своих тарифных планах, особенно для крупных промышленных потребителей.

Стандарты

В США нет единого стандарта для коэффициента мощности коммерческих или промышленных объектов, подключенных к электросети. Не существует общепринятой методики определения минимального или целевого коэффициента мощности объекта, основанной на технических принципах или стандартах эксплуатации электроэнергетической системы.

Некоторые коммунальные предприятия устанавливают минимальный коэффициент мощности в качестве эксплуатационного требования в соответствии со своими правилами и положениями, утвержденными регулирующими органами (для коммунальных предприятий, принадлежащих инвесторам и других регулируемых коммунальных предприятий), городскими советами (для муниципальных коммунальных предприятий) или советами директоров (для электрических кооперативов. ). Теория, лежащая в основе этого подхода, заключается в том, что минимальный коэффициент мощности необходим для защиты всей системы передачи и / или распределения от помех, гармоник или других событий, возникающих на объекте потребителя, которые могут вызвать срабатывание схем защитной релейной защиты и инициирование отключений на объекте. сетка.Однако эти минимумы не основаны на опубликованном стандарте или другом техническом кодексе, принятом на национальном уровне. По большей части эти минимумы устанавливаются по усмотрению коммунального предприятия (при условии утверждения соответствующим органом).

Альтернативы

Несмотря на то, что для крупных энергетических объектов не существует стандартных требований к коэффициенту мощности, существует небольшое количество различных структур выставления счетов, которые обычно устанавливаются электрическими коммунальными предприятиями для компенсации коэффициента мощности.

Один из методов заключается в том, что коммунальное предприятие устанавливает минимальный коэффициент мощности и взимает с потребителя дополнительную сумму, если коэффициент мощности потребителя падает ниже минимального. Обычно устанавливается минимальный коэффициент мощности от 0,80 до 0,95. Когда коэффициент мощности потребителя (определяемый при месячном пике соответствующими измерениями) падает ниже минимального значения, коммунальное предприятие корректирует общую выставленную потребность в соответствии с отношением минимального коэффициента мощности к фактическому коэффициенту мощности. Альтернативой для коммунального предприятия является использование скользящей (нелинейной) шкалы, чтобы счета корректировались с помощью определенного скаляра в зависимости от фактического коэффициента мощности; как правило, чем ниже коэффициент мощности, тем выше эскалатор и, следовательно, штраф.

Еще один способ, которым некоторые коммунальные предприятия взимают надбавку за низкий коэффициент мощности, — это взимать плату за кВА (полная мощность), а не за кВт (реальная мощность). Для этого требуется другая технология измерения и может потребоваться модификация готовых систем выставления счетов для учета единиц выставления счетов, отличных от кВт. Это позволяет избежать любой оценки суммы штрафа путем выставления счета потребителю за полную мощность, которая в любом случае включает влияние коэффициента мощности. Однако измерение для этого подхода может быть более дорогостоящим.

Другие коммунальные предприятия применяют сбалансированную методологию с использованием выставления счетов за кВт, при которой клиентам предоставляется кредит за высокий коэффициент мощности или штраф за низкий коэффициент мощности. Утилита устанавливает целевой коэффициент мощности; если фактический коэффициент мощности превышает это целевое значение, предоставляется кредит на оплату, а если фактический коэффициент мощности падает ниже целевого, начисляется штраф. Этот подход иногда используется с полосой пропускания, близкой к целевому коэффициенту мощности. Хотя этот подход является разумным и сбалансированным, он менее распространен; чаще всего коммунальные предприятия оценивают штраф за низкий коэффициент мощности и отказываются от кредита для коэффициентов мощности выше целевого или минимального, установленного коммунальным предприятием.

Как правило, коммунальные предприятия налагают штрафы на коэффициент мощности или применяют кредиты только для своих более крупных коммерческих и промышленных потребителей. Теоретически для всех классов потребителей коэффициент мощности меньше единицы; однако коммунальные службы обычно не учитывают штрафы за коэффициент мощности для непромышленных классов потребителей (особенно для жилых и небольших коммерческих предприятий) по нескольким причинам:

• Затраты на учёт непомерно высоки
• Относительный размер клиентской нагрузки невелик (т.е. изменения коэффициента мощности несущественны)
• Разнообразие коэффициентов мощности внутри класса велико (т. Е. Вариации коэффициентов мощности множества отдельных потребителей компенсируют друг друга)

Оценка

Чтобы правильно определить, какой метод компенсации коэффициента мощности наиболее подходит для конкретной электросети, она должна оценить несколько факторов. К ним относятся, помимо прочего, следующее:

1. Действует ли в настоящее время коммунальное предприятие начисление / кредит за коэффициент мощности?
2. Составляют ли крупные потребители электроэнергии значительную часть клиентской базы коммунального предприятия?
3. Были ли у крупных потребителей электроэнергии исторически хорошие или плохие показатели в отношении коэффициента мощности?
4. Указывают ли исторические данные о коэффициенте мощности на необходимость изменения?
5. Может ли коммунальное предприятие оценить влияние потребителей с низким коэффициентом мощности на его планирование и работу? Более конкретно, происходят ли отказы оборудования или техническое обслуживание объектов в непосредственной близости от крупных потребителей электроэнергии с большей частотой по сравнению со всей системой? Есть ли у инженеров коммунального обслуживания какой-либо анализ или другая информация, указывающая на то, что низкий коэффициент мощности отрицательно влияет на коммунальную инфраструктуру?
6. Является ли надежная альтернатива измерению кВА или кВАр? Каковы дополнительные затраты на необходимые измерения? Может ли система выставления счетов за коммунальные услуги поддерживать этот метод?
7. Если коммунальное предприятие регулируется, каков нормативный прецедент в отношении штрафов за коэффициент мощности? Установил ли регулирующий орган конкретный метод? Предлагали ли другие коммунальные предприятия методы, которые были приняты или отклонены? Какая поддержка принятых методов потребовалась регулятором?
8. Как внедрение той или иной методологии повлияет на удовлетворенность клиентов? Окажет ли это значительное влияние на затраты крупных клиентов? Будут ли возникать официальные жалобы? Каковы последствия для связей с общественностью?

Многие из этих соображений носят скорее качественный, чем количественный характер.Все это следует рассматривать всесторонне при формулировании рекомендуемого подхода к начислению или оценке коэффициента мощности на арене расчетов.

Рекомендация

Как правило, коммунальное предприятие должно внедрить структуру расчета тарифов, которая позволяет ему возмещать затраты, связанные с изменениями коэффициента мощности. Наиболее выгодный метод — полагаться на выставление счетов за кВА, так что изменения коэффициента мощности «встроены» в значение полной мощности, используемое для выставления счетов.Однако этот метод может быть дорогостоящим в зависимости от требуемых измерений, любых необходимых изменений в биллинговых системах и количества затронутых клиентов. Если необходимо полагаться на выставление счетов за кВт, обычно поощряются методы, которые устанавливают базовый или целевой коэффициент мощности, а затем увеличивают выставляемую мощность для низкого коэффициента мощности или понижают для благоприятного коэффициента мощности.

В частности, любая коммунальная компания, пересматривающая свои варианты начислений или кредитов за коэффициент мощности, должна оценить все проблемы, отмеченные в предыдущем разделе, и рассмотреть их все на комплексной основе при определении наилучшего подхода для этой конкретной коммунальной службы для оплаты коэффициента мощности или кредита за ратеминговые цели.