Как сделать катушку с батарейкой на физику. Катушка Тесла: что это, для чего она нужна и как создать ее своими руками в домашних условиях. Главные элементы катушки Тесла
В отличии от сетей постоянного тока, где мощность имеет выражение и не изменяется во времени, в сетях переменного тока это не так.
Мощность в цепи переменного тока также есть переменной величиной. На любом участке цепи в любой момент времени t она определяется как произведение мгновенных значений напряжения и тока.
Рассмотрим, что представляет активная мощность
В цепи с чисто активным сопротивлением она равна:
Если принять и тогда выйдет:
Исходя из выражений выше — активная энергия состоит из двух частей — постоянной и переменной , которая меняется с двойной частотой. Среднее ее значение
График Р(ωt)
Отличие реактивной мощности от активной
В цепи, где есть реактивное сопротивление (возьмем для примера индуктивное) значение мгновенной мощности равно:
Соответственно и 
в итоге получим:
Данное выражение показывает, что реактивная энергия содержит только переменную часть, которая изменяется с двойной частотой, а ее среднее значение равно нулю
График q(ωt)
Если ток и напряжение имеют синусоидальную форму и сеть содержит элементы типа R-L или R-C, то в таких сетях кроме преобразования энергии в активном элементе R вдобавок еще и изменяется энергия электрического и магнитного полей в реактивных элементах L и C.
В таком случае полная мощность сети будет равна сумме:
Что такое полная мощность на примере простой R-L цепи
Графики изменения мгновенных значений u,i:
Графики изменения мгновенных значений u,i:
φ — фазовый сдвиг между током и напряжением
Уравнение для S примет следующий вид
Подставим вместо и заменим амплитудные значения на действующие:
Значение S рассматривается как сумма двух величин , где
И — мгновенные активные и реактивные мощности на участках R-L.
Графики p,q,s:
Как видим из графика, наличие индуктивной составляющей повлекло за собой появление отрицательной части в полной мощности (заштрихованная часть графика), что снижает ее среднее значение. Это происходит из-за фазового сдвига, в какой-то момент времени ток и напряжение находятся в противофазе, поэтому появляется отрицательное значение S.
Итоговые выражения для действующих значений:
Активная составляющая сети выражается в ваттах (Вт), а реактивная в вольт-амперах реактивных (вар).
Полная мощность сети S, обусловлена номинальными данными генератора. Для генератора она обусловлена выражением:
Для нормальной работы генератора ток в обмотках и напряжение на зажимах не должны превышать номинальные значения I н, U н . Для генератора значения P и S одинаковы, однако все-таки на практике условились S выражать в вольт-амперах (ВА).
Также энергию сети можно выразить через каждую составляющую отдельно:
Где S, P, Q – соответственно активное, реактивное и полное сопротивление сети. Они образуют треугольник мощностей:
Треугольник мощностей с преобладающей индуктивной нагрузкой
Если вспомнить теорему Пифагора, то из прямоугольного треугольника можно получить такое выражение:
Реактивная составляющая в треугольнике является положительной (Q L), когда ток отстает от напряжения, и отрицательной (Q C), когда опережает:
Треугольник мощностей с преобладающей емкостной нагрузкой
Для реактивной составляющей сети справедливо алгебраическое выражение:
Из чего следует что индуктивная и емкостная энергия взаимозаменяемы. То есть если вы хотите уменьшить влияние индуктивной части цепи, вам необходимо добавить емкость, и наоборот. Ниже пример данной схемы:
Схема компенсации реактивной составляющей
Векторная диаграмма показывает влияние конденсатора на cosφ. Как видно, что при включении конденсатора cosφ 2 > cosφ 1 и I л Связь между полной и реактивной энергии выражается: сosφ – это коэффициент мощности. он показывает какую долю от полной энергии составляет активная энергия. Чем ближе он к 1, тем больше полезной энергии потребляется из сети. В отличии от цепей постоянного тока, цепи переменного напряжения имеют три вида мощности – активная, реактивная, полная. Активная энергия, как и в цепях постоянного тока, выполняет полезную работу. Реактивная – не выполняет ничего полезного, а только снижает КПД сети, греет провода, грузит генератор. Полная – сумма активной и реактивной, она равна мощности сети. Индуктивная составляющая реактивной энергии может быть скомпенсирована емкостной. На практике в промышленности это реализовано в виде . В электротехнике среди множества определений довольно часто используются такие понятия, как активная, реактивная и полная мощность. Эти параметры напрямую связаны с током и напряжением , когда включены какие-либо потребители. Для проведения вычислений применяются различные формулы, среди которых основной является произведение напряжения и силы тока. Прежде всего это касается постоянного напряжения. Однако в цепях переменного разделяется на несколько составляющих, отмеченных выше. Вычисление каждой из них также осуществляется с помощью формул, благодаря которым можно получить точные результаты. Основной составляющей считается активная мощность. Она представляет собой величину, характеризующую процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии. То есть по-другому является скоростью, с какой . Именно это значение отображается на электросчетчике и оплачивается потребителями. Вычисление активной мощности выполняется по формуле
: P = U x I x cosф. В отличие от активной, которая относится к той энергии, которая непосредственно потребляется электроприборами и преобразуется в другие виды энергии - тепловую, световую, механическую и т.д., реактивная мощность является своеобразным невидимым помощником. С ее участием создаются электромагнитные поля, потребляемые электродвигателями. Прежде всего она определяет характер нагрузки, и может не только генерироваться, но и потребляться. Расчеты реактивной мощности производятся по формуле
: Q = U x I x sinф. Полной мощностью является величина, состоящая из активной и реактивной составляющих. Именно она обеспечивает потребителям необходимое количество электроэнергии и поддерживает их в рабочем состоянии. Для ее расчетов применяется формула: S =
. Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии. В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии. При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи. Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в , реактивная мощность измеряется в вар - вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик. Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).
Мощностные характеристики установки или сети являются основными для большинства известных электрических приборов. Активная мощность (проходящая, потребляема) характеризует часть полной мощности, которая передается за определенный период частоты переменного тока. Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах. Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами. Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:
Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества. Обозначение реактивной составляющей:
Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую. Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула: S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети. Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид: Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда: S = U * I * cos φ. Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования). Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается. Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q. Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид: Q L = U L I = I 2 x L Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула. Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид: S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I . Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам: Сопротивление индуктивности: x L = ωL = 2πfL, Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC). Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства. При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений: К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид: cos φ = r/z = P/S Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные. Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0: Q = QL – QC = ULI – UCI Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым. При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит
: В некоторых случаях специалисты используют не полноценные ИБП, а специальные компенсирующие конденсаторы. Они подходят для бытового использования, доступны и продаются в каждом электротехническом магазине. Для расчета планируемой и полученной экономии можно использовать все вышеперечисленные формулы. Физический аспект процесса и практическое значение использования установок компенсации реактивной мощности
Чтобы понять, что заключает в себе термин «реактивная мощность», вспомним определение понятия электрической мощности. Это
физическая величина, которая выражает скорость передачи, потребления или генерации электроэнергии в определённое время. Чем больше уровень мощности, тем большую производительность может иметь электрическая установка в определённую единицу времени. Под термином «мгновенная мощность» понимают произведение силы тока и напряжения за один из моментов на каком-либо участке электроцепи. Рассмотрим же физический аспект процесса.
Если брать цепи в которых происходит постоянный ток, то там величина средней и мгновенной мощности за определённый отрезок времени являются равными, а реактивной мощности нет. А в цепях где происходит явление переменного тока вышеописанная ситуация имеет место только в том случае, если нагрузка там является чисто активной. Это бывает, например, в таком электроприборе, как электронагреватель. При чисто активной нагрузке в цепи в условиях переменного тока фазы тока и напряжения совпадают и вся мощность отдаётся в нагрузку. В случае индуктивной нагрузки, как например, в электродвигателях, то у тока происходит отставание по фазе от напряжения, а если она ёмкостная, что имеет случай в разнообразных электроустройствах, тогда ток наоборот, по фазе опережает напряжение. Так как у напряжения и тока нет совпадения по фазе (при реактивной нагрузке), то в нагрузку полная мощность отходит только частично, полностью она могла бы перейти, если сдвиг фаз был бы нулевым, то есть активная нагрузка. Чем отличаются реактивная и активная мощность
Та часть полной мощности, что передалась в нагрузку в условиях периода переменного тока, носит название активной мощности
. Её величина высчитывается в результате произведения значений напряжения и тока на косинус угла сдвига фаз, которые лежат между ними А та мощность, которая не передалась в нагрузку, и из-за которой произошли потери излучения и нагрева, именуется реактивной мощностью
. Её же величина – это произведение значений напряжения и тока на синус угла сдвига фаз, которые лежат между ними. Следовательно, реактивная мощность – это термин, характеризующий нагрузку
. Единица её измерения называется – реактивные вольт амперы, сокращённо вар или var. Но в жизни чаще встречается другая величина измерения – косинус фи, как величины, измеряющей качество электрической установки с аспекта экономии электроэнергии. На самом деле, от величины cos φ , зависит та величина энергии, которая когда подаётся от источника, идёт в нагрузку. Следовательно, вполне возможно пользоваться не очень мощным источником, тогда, соответственно меньшее количество энергии уйдёт в никуда. Как можно компенсировать реактивную мощность
Как следует из вышесказанного, в случае, когда нагрузка является индуктивной, тогда нужно выполнить её компенсацию, используя конденсаторы, конденсаторов, а емкостную нагрузку следует компенсировать с применением реакторов и дросселей. Таким способом можно поднять косинус фи до достаточных величин в размере 0.7-0.9. Так и выполняется компенсация реактивной мощности
. Чем выгодна компенсация реактивной мощности?
Установки компенсации реактивной мощности могут принести огромную экономическую выгоду. Как гласит статистика, они могут экономить до 50% от счетов за электроэнергию в разных частях РФ. Там где они устанавливаются, деньги потраченные на них, окупаются меньше чем за год. На стадии проектирования объектов внедрение конденсаторных установок помогает удешевить приобретение кабелей путём уменьшения их сечения. Как пример, автоматическая конденсаторная установка может дать эффект увеличения косинуса фи с 0.6 до 0.97. Подведём черту:
Как мы поняли, установки по компенсации реактивной мощности помогают существенно экономить финансы, а также увеличивать срок работы оборудования, из-за нижеследующих причин: 1) уменьшается нагрузка на силовые трансформаторы, что повышает их долговечность. 2) Уменьшается уровень нагрузки на кабели и провода, а также можно экономить покупая кабели меньшего сечения. 3) Повышение уровня качества электрической энергии электроприемников. 4) Нет опасности выплаты штрафовых отчислений за снижение cos φ. 5) уменьшается величина высших гармоник в сети. 6) понижается количество расхода электроэнергии. Напомним ещё раз, что реактивная энергия и мощность понижают итоги работы энергосистемы, из-за того, что загрузка реактивными токами генераторов электростанций ведёт к повышению объёма употребляемого топлива, а также возрастает размер потерь в подводящих сетях и приемниках, и наконец возрастает уровень падения напряжения в сетях. Для энергетиков предприятий и крупных торговых центров сомнений в существовании реактивной энергии нет. Ежемесячные счета и вполне реальные деньги, которые уходят на оплату реактивной электроэнергии
, убеждают в реальности ее существования. Но некоторые электротехники всерьез, с математическими выкладками, доказывают, что данный тип электроэнергии фикция, что разделение электрической энергии на активную и реактивную составляющие искусственно. Давайте попробуем и мы разобраться в этом вопросе, тем более, что на незнании отличий разных видов электроэнергии спекулируют создатели . Обещая огромные проценты , они сознательно или по незнанию подменяют один вид электрической энергии другим. Начнем с понятий активной и реактивной электроэнергии.
Не вдаваясь в дебри формул электротехники, можно определить активную энергию как ту, которая совершает работу:
нагревает пищу на электроплитах, освещает ваше помещение, охлаждает воздух с помощью кондиционера.
А реактивная электроэнергия создает необходимые условия для совершения подобной работы.
Не будет реактивной энергии, и двигатели не смогут вращаться, холодильник не будет работать. В ваше помещение не поступит напряжение величиной 220 Вольт, так как ни один силовой трансформатор не работает без потребления реактивной электроэнергии. Если на осциллографе одновременно наблюдать сигналы тока и напряжения, то две эти синусоиды всегда имеют сдвиг относительно друг друга на величину, называемую фазовым углом
. Вот этот сдвиг и характеризует вклад реактивной энергии в полную энергию, потребляемую нагрузкой. Измеряя только ток в нагрузке, выделить реактивную часть энергии невозможно. Учитывая, что реактивная энергия не совершает работы, ее можно вырабатывать на месте потребления. Для этого служат конденсаторы. Дело в том, что катушки и конденсаторы потребляют различные виды реактивной энергии: индуктивную и емкостную соответственно.
Они сдвигают кривую тока по отношению к напряжению в противоположные стороны. В силу этих обстоятельств конденсатор можно считать потребителем емкостной энергии или генератором индуктивной.
Для двигателя, потребляющего индуктивную энергию, конденсатор, расположенный рядом, может стать ее источником. Такая обратимость возможна только для реактивных элементов схемы, не совершающих работу. Для активной энергии подобная обратимость не существует: ее генерация связана с затратами топлива. Ведь прежде чем совершить работу, нужно затратить энергию. В бытовых условиях за реактивную энергию электропередающие организации плату не изымают, и бытовой счетчик считает только активную составляющую электрической энергии. Совершенно другая ситуация на крупных предприятиях: большое количество электродвигателей, сварочных аппаратов и трансформаторов, для работы которых требуется реактивная энергия, создают дополнительную нагрузку на линии электропередач. При этом растет ток и тепловые потери уже активной энергии. В этих случаях потребление реактивной энергии учитывается счетчиком и отдельно оплачивается. Стоимость реактивной электроэнергии меньше стоимости активной, но при больших объемах ее потребления платежи могут быть очень значительными. Кроме этого, за потребление реактивной энергии сверх оговоренных значений, накладываются штрафы. Поэтому экономически выгодно для подобных предприятий становится выработка подобной энергии на месте ее потребления. Для этого применяются или отдельные конденсаторы, или автоматические установки компенсации, которые отслеживают объемы потребления и подключают или отключают конденсаторные батареи. Современные системы компенсации
позволяют значительно уменьшить потребление реактивной энергии из внешней сети. Возвращаясь к вопросу в заголовке статьи, можно ответить на него утвердительно. Реактивная энергия существует. Без нее невозможна работа электроустановок, в которых создается магнитное поле.
Не совершая видимой работы, она, тем не менее, является необходимым условием для выполнения работ, совершаемой активной электрической энергией.
Векторная диаграмма
Выводы о трех составляющих цепи переменного тока
Формулы активной, реактивной и полной мощности
Как найти активную, реактивную и полную мощность
Определение
Расчет
Компенсация
