Какво е електрическа енергия - Hobbytronics

В една от предишните статии казах, че електрическият генератор приема само определена форма на енергия (механична, химическа, термична и т.н.) и я превръща в електричество. В същото време казвах, че електрическият консуматор взема електричество и го трансформира в други форми на енергия (топлина, светлина, механична работа и т.н.). От тях можем да заключим, че по време на тяхното функциониране абсолютно всички електрически компоненти трансформират получената енергия в една или повече други форми на енергия. За да можем да разберем и да се възползваме максимално от тези явления, трябва да знаем колко бързо енергията се трансформира от едно състояние в друго. В случай на електричество, скоростта, с която електричеството се трансформира в или от друга форма на енергия, се нарича електрическа мощност. Затова днес ще говорим за:

Какво е електрическа мощност ?
Активна електрическа мощност
Реактивна електрическа мощност
Привидна електрическа мощност
Коефициент на мощност

Какво е електрическа мощност ?

Както казах във въведението, мощността е величината, която показва колко бързо енергията „тече“ от едно място на друго или колко бързо се трансформира в друга форма на енергия. При електричеството скоростта, с която то „тече“, е пропорционална както на напрежението, така и на интензивността на електрическия ток, който го носи. Следователно математическата връзка на електрическата мощност е:

P - електрическа мощност. Изразява се в W (вие);
U - електрическо напрежение. Изразява се във V (волта);
I - интензивността на електрическия ток. Изразено в A (ампери).

Не знам за вас, но вече свикнах с факта, че всички прости формули могат да се използват директно на практика само в немалко случаи. Същото важи и за формулата за електрическа мощност: горната връзка е валидна само в случай на вериги, образувани от чисто резистивни вериги (т.е. образувани само от електрически съпротивления). Защо ? С други думи, електрическите резистори прехвърлят енергия в една посока (от електричество към топлина), докато намотките и кондензаторите се държат като резервоари за електричество: те могат да получават, но могат и да прехвърлят електричество. Искаме само да знаем мощността, консумирана от веригата, но горната връзка поставя в един и същ съд както консумираната мощност, така и мощността, дадена от веригата и по този начин може да ни даде напълно грешни резултати.

Ако вземем предвид и факта, че всеки електронен компонент винаги ще има както капацитет, така и паразитна индуктивност, това води до това, че горната формула е 100% вярна само в случай на електрически вериги, захранвани с постоянно постоянно напрежение (т.е. когато ефектите на капацитета и индуктивността не може да възникне). Последното твърдение обаче не трябва да ви плаши - когато става въпрос за малки електронни компоненти, използвани в нискочестотни електрически вериги (да речем под десетки хиляди херца), ефектът от паразитни капацитети и индуктивности често е напълно незначителен.

Активна електрическа мощност

Това е реалната мощност, консумирана от верига. В схема, в която имаме резистори, намотки и кондензатори, активната електрическа мощност се консумира само от електрическите резистори, тъй като те не могат да съхраняват електричество (цялата получена електроенергия трябва да бъде консумирана по някакъв начин, т.е. да бъде трансформирана в друга форма на енергия - в този случай в топлина).

Формулата за изчисляване на активната мощност е както по-горе. Преписвам го по-нататък заедно с останалите напълно еквивалентни варианти:

P - електрическа мощност. Изразява се в W (вие);
U - електрическо напрежение. Изразява се във V (волта);
I - интензивността на електрическия ток. Изразява се в А (ампери);
R е електрическото съпротивление на веригата. Изразено в Ω (ома).

Реактивна електрическа мощност

Накратко, това е електрическата мощност, предавана напред и назад от бобините и кондензаторите във верига. В по-широк план можем да гледаме на бобини и кондензатори като на огледала: те получават електричество, но рано или късно то го отразява обратно във веригата. Поради тази причина кондензаторите и намотките също се наричат реактивни компоненти - защото те реагират на преминаването на електричество, използвайки натрупаното преди това електричество.

В схема, в която имаме резистори, намотки и кондензатори, реактивната електрическа мощност се появява само поради наличието във веригата на намотките и кондензаторите, защото това са единствените компоненти, които съхраняват получената електрическа енергия, като по-късно могат да я въведат отново във веригата. За да бъдем по-конкретни, ето как се случва:

електричеството, получено от намотка, се преобразува в магнитна енергия. Когато напрежението на клемите на бобината има тенденция да стане постоянно или дори да намалее, магнитната енергия, запазена в бобината, се преобразува обратно в електрическа енергия, произвеждайки електрически ток в посока, обратна на тази, която първоначално съществува през бобината;
електрическата енергия, получена от кондензатор, се използва за преместване на електрически заряди от един терминал на кондензатора в друг. Когато напрежението на клемите на кондензатора има тенденция да намалява, енергията (наречена електростатична) в кондензатора се преобразува обратно в електричество под формата на ток, който има същата посока като оригинала. С други думи, когато напрежението на терминала падне, кондензаторът се разрежда и връща във веригата електричеството, получено по-рано.

Формулата за изчисляване на реактивната електрическа мощност е:

Q - реактивна електрическа мощност. Изразява се във VAR (реактивни волтови усилватели);
I - интензивността на електрическия ток. Изразява се в А (ампери);
U - електрическо напрежение. Изразява се във V (волта);
X - електрическо съпротивление. Изразено в Ω (ома).

Говорил съм с вас за електрически баласт и преди, но вместо да ви изпратя там, където за първи път говорих за него, той е по-ефективен.

Съпротивлението е за кондензатор или намотка какво е електрическото съпротивление за a, hmm, електрическо съпротивление: D. С други думи, реактивното съпротивление показва колко кондензатор или намотка се противопоставя на преминаването на електрически ток. Съпротивлението може да бъде индуктивно (на намотки) или капацитивно (на кондензатори) и се измерва по същия начин като електрическото съпротивление, в ома [Ω]. Реактивността е явление, което се появява само когато електрическото напрежение във веригата е променливо (например при променлив ток).

Уравнението за изчисляване на индуктивното съпротивление е:

Уравнението за изчисляване на капацитивното съпротивление е:

XL - индуктивно съпротивление. Изразява се в Ω (ома);
XC - капацитивна реактивност. Изразява се в Ω (ома);
f - честотата на променливия ток, протичащ през съответния компонент. Изразено в Hz (херца);
L - индуктивност на бобината или еквивалентна индуктивност (ако веригата съдържа няколко бобини). Изразено в H (henry);
C - капацитет на кондензатор или еквивалентен капацитет (ако веригата съдържа няколко намотки). Изразено във F (фарази).

Като се има предвид, X от уравнението на реактивната мощност:

замества се с XL, ако имаме само намотки във веригата;
той се заменя с XC, ако имаме само кондензатори във веригата.

Познаването и разбирането на реактивната мощност е важно, тъй като присъствието му във веригата допълнително изисква както генератора, така и захранващите кабели на веригата. Наличието на реактивен компонент в електрическа верига е източник на шокове: вместо електричеството да тече плавно през веригата, то или лакомо се поглъща, или ядосано плюе върху реактивните компоненти. Следователно елементите на веригата трябва да бъдат изградени по-стабилно, което предполага по-високи цени на разходите за компонентите на веригата.

Привидна електрическа мощност

Това е мощността, която включва както активна, така и реактивна електрическа мощност. Връзката за изчисление е както следва:

S - привидна електрическа мощност. Изразява се във VA (волт-ампери);
U - електрическо напрежение. Изразява се във V (волта);
I - интензивността на електрическия ток. Изразява се в А (ампери);
Z - електрически импеданс на веригата. Накратко, електрическият импеданс е сумата от еквивалентното електрическо съпротивление на веригата, капацитивното съпротивление и индуктивното съпротивление. Подобно на неговите компоненти, електрическият импеданс се изразява в Ω (ома).

Защо се нарича "привидна сила"? Е, ако си спомняте, в началото на статията казах, че електрическата мощност се изчислява чрез умножаване на напрежението на клемите на дадена верига по интензивността на протичащия през нея ток. Ако направим това изчисление за верига с променлив ток, която съдържа реактивни компоненти (намотки и кондензатори), ще получим само привидна мощност, тъй като нейната стойност може да бъде много далеч от стойността на активната (реалната) мощност, консумирана от тази верига.

Коефициентът на мощност

Математически казано, коефициентът на мощност е съотношението между активна и привидна електрическа мощност. Като съотношение между две количества от едно и също естество, се получава, че коефициентът на мощност е безразмерна величина. Може да приема стойности между 0 и 1:

стойността 0 означава, че във веригата имаме само реактивни компоненти, които не консумират енергия, а само разходка от тук до там по съществуващата във веригата, както обяснихме по-горе;
стойност 1 означава, че във веригата тече само активна мощност.

За какво служи коефициентът на мощност? ?

Вече знаете, че когато имаме вериги с намотки и кондензатори, може да има фазови разлики между напрежението и интензивността на електрическия ток. Също така знаете, че намотките предизвикват противоположно фазово изместване на фазовото изместване, въведено от кондензаторите, което означава, че ако реактивните сили, произведени от двата типа компоненти, са равни, те ще се анулират взаимно (това е случаят, ако имаме качествен фактор, равен 1). На практика е очевидно, че това равенство рядко се появява само по себе си, за което, ако не се намесим по никакъв начин, в съответната верига интензитетът на тока ще бъде повече или по-малко извън фазата с напрежението, което ще доведе до дисбаланси във веригата. (токове с много по-висок интензитет от необходимия, намаляване на наличната активна мощност и др.).

В заключение, коефициентът на мощност по-малък от 1 води до загуби. Както може би вече се досещате от горното, коефициентът на мощност може да бъде коригиран, така че стойността му да се приближи много до 1. Но за това ще говорим в следващите статии.