Какие типы электрических потребителей бывают?
Активная и реактивная нагрузка, активно-индуктивная и активно-емкостная, в чем различия?
В повседневной жизни и общениях с клиентами интернет-магазина PowerSol мы выясняем множество технических вопросов и максимально точно подбираем оборудование под инженерные задачи. Имея большой опыт работ и выбора технических решений специалистами компании НТС-ГРУПП (ТМ PowerSol) была собрана масса полезной информации, которую мы попытались структурировать и в сжатом виде донести нашим клиентам путем публикации на сайте. Ниже приведена своеобразная классификация типа нагрузок с небольшими комментариями, а в следующей статье будут описаны особенности выбора мощности, запаса мощности и варианты использования источников бесперебойного питания, стабилизаторов напряжения и электрогенераторов в сетях с несбалансированным распределением потребителей, с различными видами активной и реактивной нагрузок и др.
Применительно к выбору оборудования классифицируем типы нагрузок следующим образом
1. По типу электрического потребления нагрузки делятся на:
АКТИВНУЮ: – Активная (или еще известную, как резистивная) нагрузка. В этом случае закон Ома выполняется в каждый момент времени и аналогичен закону Ома для схем постоянного тока. В качестве примеров : электрическая лампочка накаливания, нагревательный элемент (ТЭН), электрическая плита, бойлер и т.п.
РЕАКТИВНУЮ, которая также разделяется на такие:
- Индуктивная нагрузка – нагрузка, через которую ток отстает от напряжения и нагрузка потребляет реактивную мощность. Примеры: асинхронные двигатели, электромагниты, катушки дросселей, трансформаторы, выпрямители, преобразователи построенные на тиристорах. Индуктивная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в магнитное поле, а течении следующей половины преобразует энергию магнитного поля в электрический ток. При этом в индуктивной нагрузке кривая тока отстаёт от кривой напряжения на ту же половину полупериода. Примером для данного вида нагрузок может быть дроссель или катушка индуктивности.
- Ёмкостная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в электрическое поле, а течении следующей половины преобразует энергию электрического поля в электрический ток. При этом в ёмкостной нагрузке кривая тока опережает кривую напряжения на ту же половину полупериода. Примером данного вида нагрузок может быть конденсатор.
На практике чистые реактивные нагрузки в электротехнике не встречаются. Вся электротехника работает с коэффициентом полезного действия ниже 100% вследствие рассеяния части энергии в виде тепловых потерь, потерь при излучении и др. побочных явлений. Таким образом в практической электротехнике применяется понятие активно-реактивной нагрузки. Активно-реактивная нагрузка также подразделяется на две: активно-индуктивная и активно-емкостная.
Активно-индуктивная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной индуктивности. Примером таких нагрузок может быть обмоточный электромагнитный трансформатор, электродвигатель, электромагнитное пускорегулирующее устройство для люминесцентных ламп, катушка зажигания в автомобиле. Для этого вида нагрузок характерен бросок напряжения в момент размыкания электрической цепи.
Активно-ёмкостная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной ёмкости. Примером таких нагрузок может быть конденсатор, электронные блоки питания галогенных или люминесцентных ламп. Для этих нагрузок характерен бросок тока в момент замыкания электрической цепи, особенно если он произошёл в тот момент, когда напряжение в сети максимально, или близко к максимальному.
При протекании тока через активно-реактивную нагрузку часть тока будет протекать через прибор, не производя никакой полезной работы. При этом максимумы и минимумы тока и напряжения будут достигаться в разное время, а кривые изменения по времени тока и напряжения будут не совпадать – оставаясь, при этом, периодическими функциями. Происходит сдвиг тока и напряжения по фазе. Для обозначения зависимости такого сдвига применяется понятие Косинус угла между током и напряжением, и обозначается как cos(ϕ). Этот параметр является очень важным в электротехнике, которым не стоит пренебрегать при расчетах и выборе стабилизаторов напряжения, источников бесперебойного питания и электрогенераторов.
2. Фазность электропотребителей:
- однофазные – потребители рассчитанные на электропитание от 220/230В по схеме фаза-ноль-земля.
- трехфазные – потребители для которых необходимо подать напряжение 380В/400В в схеме с нейтралью и землей.
3. По способу распределения нагрузки (для трехфазных схем)
- Сбалансированные – сбалансированными считают такое распределение потребителей, когда на каждой фазе в трехфазной схеме мощности нагрузок распределены равномерно (с перекосом не более +/-20%). В качестве примера можно привести коттедж с трехфазным вводом электроснабжения, в котором при проектировании и монтаже электрических потребителей 15 кВт мощности равномерно распределили по 5 кВт на каждую фазу. Еще одним примером можно выделить промышленный цех, в котором преобладают трехфазные потребители и таким образом все три фазы будут нагружены равномерно.
- Несбалансированные – характеризуются как хаотично-нагруженные фазы, где нагруженность фаз может отличаться на 100% между собой. Примером может служить частный трехэтажный дом в котором на каждый этаж отводится одна фаза. Как показывает практика первый этаж дома (т.е. одна из фаз) обычно перегружена в силу того, что на первом этаже размещаются: кухня, бойлерная и комната отдыха, а на остальных этажах спальни с бытовой техникой. В итоге одна фаза может быть нагружена на 100%, а другие используются редко или не сильно нагружены.
Что такое индуктивная и емкостная нагрузка
Термины «емкостная нагрузка» и «индуктивная нагрузка», применительно к цепям переменного тока, подразумевают определенный характер взаимодействия потребителя с источником переменного напряжения.
Грубо это можно проиллюстрировать следующим примером: подключив к розетке полностью разряженный конденсатор, в первый момент времени мы будем наблюдать практически короткое замыкание, тогда как подключив к той же самой розетке катушку индуктивности, в первый момент времени ток через такую нагрузку окажется почти нулевым.
Так происходит потому, что катушка и конденсатор взаимодействуют с переменным током принципиально по-разному, в чем и заключается ключевое различие между индуктивной и емкостной нагрузками.
Емкостная нагрузка
Говоря о емкостной нагрузке, имеют ввиду, что она ведет себя в цепи переменного тока подобно конденсатору.
Это значит, что синусоидальный переменный ток будет периодически (с удвоенной частотой источника) перезаряжать емкость нагрузки, при этом в первую четверть периода энергия источника будет расходоваться на создание электрического поля между пластинами конденсатора. Во вторую четверть периода энергия электрического поля между пластинами конденсатора будет возвращаться к источнику.
В третью четверть периода емкость будет заряжаться от источника противоположной полярностью (по сравнению с тем что было в первую четверть периода). В четвертую четверть периода емкость снова вернет энергию электрического поля обратно в сеть. В течение следующего периода данный цикл повторится. Так ведет себя чисто емкостная нагрузка в цепи синусоидального переменного тока.
Практически получается, что при емкостной нагрузке ток опережает по фазе на четверть периода переменное напряжение, приложенное к данной нагрузке, потому что когда емкость заряжается, ток оказывается максимальным уже в первый момент, когда приложенное напряжение источника только начинает нарастать, энергия тока преобразуется в энергию увеличивающегося электрического поля накапливаемого в нагрузке заряда, как в конденсаторе.
Но с ростом приложенного напряжения, емкость уже имеет достаточно много накопленного заряда, поэтому с приближением напряжения источника к своему максимуму, скорость накопления заряда в емкостной нагрузке становится меньше, и потребляемый ток при этом уменьшается вплоть до нуля.
Примеры емкостных нагрузок: конденсаторные батареи, корректоры коэффициента мощности, синхронные двигатели, ЛЭП сверхвысокого напряжения.
Индуктивная нагрузка
Если теперь обратить внимание на индуктивную нагрузку, то она ведет себя в цепи переменного тока подобно катушке индуктивности.
Это значит, что синусоидальное переменное напряжение будет периодически (с удвоенной частотой источника) порождать ток через индуктивность нагрузки, при этом в первую четверть периода энергия источника будет расходоваться на создание магнитного поля тока через катушку.
Во вторую четверть периода энергия магнитного поля катушки будет возвращаться к источнику. В третью четверть периода катушка будет намагничиваться противоположной полярностью (по сравнению с тем что было в первую четверть периода), и в четвертую четверть периода индуктивность снова вернет энергию магнитного поля обратно в сеть.
В течение следующего периода данный цикл повторится. Так ведет себя чисто индуктивная нагрузка в цепи синусоидального переменного тока.
На деле получается, что при индуктивной нагрузке ток отстает по фазе на четверть периода от переменного напряжения, приложенного к данной нагрузке, потому что когда индуктивность начинает намагничивается, в первый момент времени ток через нее оказывается минимальным, хотя приложенное напряжение источника и находится уже в максимальной точке.
Энергия источника преобразуется здесь в энергию увеличивающегося магнитного поля тока, протекающего через индуктивность нагрузки. При уменьшении напряжения, ток через индуктивность уже имеет достаточно большую величину, поэтому с приближением напряжения источника к своему минимуму, скорость роста тока в индуктивной нагрузке замедляется, но сам ток в индуктивности при этом максимален.
Примеры индуктивных нагрузок: асинхронные двигатели, электромагниты, дроссели, реакторы, трансформаторы, выпрямители, тиристорные преобразователи.
Что такое индуктивная и емкостная нагрузка
Грубо это можно проиллюстрировать следующим примером: подключив к розетке полностью разряженный конденсатор, в первый момент времени мы будем наблюдать практически короткое замыкание, тогда как подключив к той же самой розетке катушку индуктивности, в первый момент времени ток через такую нагрузку окажется почти нулевым.
Так происходит потому, что катушка и конденсатор взаимодействуют с переменным током принципиально по разному, в чем и заключается ключевое различие между индуктивной и емкостной нагрузками.
Типы электрических нагрузок по характеру потребления энергии (общая классификация)
По характеру потребления энергии электрические нагрузки можно классифицировать на следующие типы:
- Сопротивления (резистивные нагрузки): Это нагрузки, которые создают сопротивление электрическому току и преобразуют электрическую энергию в тепловую энергию. Примеры включают электрические нагреватели, тостеры, фены и электрические печи.
- Емкости (емкостные нагрузки): Это нагрузки, которые хранят энергию в электрическом поле. Они состоят из конденсаторов или систем с конденсаторами. Когда электрическое напряжение применяется к емкостной нагрузке, она заполняется электрическим зарядом. При разряде конденсатора энергия возвращается в схему. Емкостные нагрузки используются в различных устройствах, таких как фильтры, резонансные цепи и устройства хранения энергии.
- Индуктивности (индуктивные нагрузки): Это нагрузки, которые создают магнитное поле при прохождении тока через них. Они обладают индуктивностью и проявляют явления, связанные с индукцией. Они обычно содержат катушку или катушку с сердечником. Переменный ток, проходящий через индуктивную нагрузку, вызывает появление электромагнитного поля, что может использоваться для создания механического движения. Примеры включают электромагниты, электродвигатели и катушки индуктивности.
- Смешанные нагрузки: Многие электрические устройства имеют смешанный характер потребления энергии, то есть комбинацию резистивных, индуктивных и емкостных элементов. Например, большинство бытовых приборов, таких как телевизоры, компьютеры и холодильники, содержат элементы каждого из этих типов нагрузок.
Знание типа электрической нагрузки важно для понимания ее поведения в электрической схеме, расчета параметров и обеспечения правильной, эффективной и безопасной работы схемы. Кроме того, тип нагрузки также может влиять на выбор и подбор подходящих электрических аппаратов защиты и управления.
Емкостная нагрузка
Говоря о емкостной нагрузке, имеют ввиду, что она ведет себя в цепи переменного тока подобно конденсатору.
Это значит, что синусоидальный переменный ток будет периодически (с удвоенной частотой источника) перезаряжать емкость нагрузки, при этом в первую четверть периода энергия источника будет расходоваться на создание электрического поля между пластинами конденсатора. Во вторую четверть периода энергия электрического поля между пластинами конденсатора будет возвращаться к источнику.
В третью четверть периода емкость будет заряжаться от источника противоположной полярностью (по сравнению с тем что было в первую четверть периода). В четвертую четверть периода емкость снова вернет энергию электрического поля обратно в сеть. В течение следующего периода данный цикл повторится. Так ведет себя чисто емкостная нагрузка в цепи синусоидального переменного тока.
Практически получается, что при емкостной нагрузке ток опережает по фазе на четверть периода переменное напряжение, приложенное к данной нагрузке, потому что когда емкость заряжается, ток оказывается максимальным уже в первый момент, когда приложенное напряжение источника только начинает нарастать, энергия тока преобразуется в энергию увеличивающегося электрического поля накапливаемого в нагрузке заряда, как в конденсаторе.
Но с ростом приложенного напряжения, емкость уже имеет достаточно много накопленного заряда, поэтому с приближением напряжения источника к своему максимуму, скорость накопления заряда в емкостной нагрузке становится меньше, и потребляемый ток при этом уменьшается вплоть до нуля.
Примеры емкостных нагрузок: конденсаторные батареи, корректоры коэффициента мощности, синхронные двигатели, ЛЭП сверхвысокого напряжения.
Индуктивная нагрузка
Если теперь обратить внимание на индуктивную нагрузку, то она ведет себя в цепи переменного тока подобно катушке индуктивности.
Это значит, что синусоидальное переменное напряжение будет периодически (с удвоенной частотой источника) порождать ток через индуктивность нагрузки, при этом в первую четверть периода энергия источника будет расходоваться на создание магнитного поля тока через катушку.
Во вторую четверть периода энергия магнитного поля катушки будет возвращаться к источнику. В третью четверть периода катушка будет намагничиваться противоположной полярностью (по сравнению с тем что было в первую четверть периода), и в четвертую четверть периода индуктивность снова вернет энергию магнитного поля обратно в сеть.
В течение следующего периода данный цикл повторится. Так ведет себя чисто индуктивная нагрузка в цепи синусоидального переменного тока.
На деле получается, что при индуктивной нагрузке ток отстает по фазе на четверть периода от переменного напряжения, приложенного к данной нагрузке, потому что когда индуктивность начинает намагничивается, в первый момент времени ток через нее оказывается минимальным, хотя приложенное напряжение источника и находится уже в максимальной точке.
Энергия источника преобразуется здесь в энергию увеличивающегося магнитного поля тока, протекающего через индуктивность нагрузки. При уменьшении напряжения, ток через индуктивность уже имеет достаточно большую величину, поэтому с приближением напряжения источника к своему минимуму, скорость роста тока в индуктивной нагрузке замедляется, но сам ток в индуктивности при этом максимален.
Примеры индуктивных нагрузок: асинхронные двигатели, электромагниты, дроссели, реакторы, трансформаторы, выпрямители, тиристорные преобразователи.
- Трёхфазная система электроснабжения
- Как напряжение преобразуется в ток
- Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:
Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо — Electrik.info, Андрей Повный
Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
Перепечатка материалов сайта запрещена.
Резистивная, реактивная и резистивно-реактивная нагрузка
Мы знаем, что реактивные нагрузки (индуктивности и конденсаторы) не рассеивают мощность, но то, что на них падает напряжение и через них протекает ток, даёт обманчивое впечатление, что они всё-таки рассеивают мощность. Эта «фантомная мощность» называется реактивной мощностью, а её единицей измерения является вольт-ампер реактивный (вар), а не ватт.
Реактивная мощность в математических выражениях обозначается прописной буквой Q. Фактическое количество используемой или рассеиваемой в цепи мощности называется активной мощностью и измеряется в ваттах (обозначается, как обычно, прописной буквой P). Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью и является произведением напряжения и тока цепи без учёта угла сдвига фаз. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА) и обозначается прописной буквой S.
Как правило, величина активной мощности определяется сопротивлением рассеивающих ее элементов цепи, обычно резисторов (R). Реактивная мощность определяется величиной реактивного сопротивления (X). Полная мощность определяется полным сопротивлением цепи (Z). Поскольку при определении мощности мы имеем дело со скалярными величинами, любые исходные комплексные величины (напряжение, ток и полное сопротивление) должны быть представлены в показательной форме, а не в виде действительных или мнимых составляющих. К примеру, при определении активной мощности по величинам тока и сопротивления необходимо использовать величину тока в полярной системе координат, а не действительную или мнимую часть. При определении полной мощности по напряжению и полному сопротивлению обе эти комплексные величины должны быть представлены в полярной системе координат для применения скалярной арифметики.
Имеется несколько выражений, связывающих три типа мощности со значениями активного, реактивного и полного сопротивления (во всех случаях используются скалярные величины).
P – активная мощность P = I 2 R P = E 2 /R
Единицей измерения является ватт
Q – реактивная мощность Q = I 2 X Q = E 2 /X
Единицей измерения является вольт-ампер реактивный (вар)
S – полная мощность S = I 2 Z S = E 2 /Z S = IE
Единицей измерения является вольт-ампер (ВА)
Обратите внимание, что для определения активной и реактивной мощности имеются два выражения. Для определения полной мощности есть три выражения, P = IE используется только для этой цели. Изучите схемы, приведённые ниже, и посмотрите, как определяются эти три типа мощности при резистивной нагрузке, при реактивной нагрузке и при резистивно-реактивной нагрузке (см. рисунки ниже).
Резистивная нагрузка
Активная мощность P = I 2 R = 240 Вт
Реактивная мощность Q = I 2 X = 0 вар
Полная мощность S = I 2 Z = 240 ВА
Активная мощность, реактивная мощность и полная мощность для чисто резистивной нагрузки
Реактивная нагрузка
Активная мощность P = I 2 R = 0 Вт
Реактивная мощность Q = I 2 X = 238,73 вар
Полная мощность S = I 2 Z = 238,73 ВА
Активная мощность, реактивная мощность и полная мощность для чисто реактивной нагрузки
Резистивно-реактивная нагрузка
Активная мощность P = I 2 R = 119,365 Вт
Реактивная мощность Q = I 2 X = 119,998 вар
Полная мощность S = I 2 Z = 169,256 ВА
Активная мощность, реактивная мощность и полная мощность для резистивно-реактивной нагрузки
Треугольник мощностей, связывающий полную мощность с активной и реактивной мощностями
Эти три типа мощностей можно связать друг с другом в тригонометрической форме. Мы называем это треугольником мощностей (см. рисунок ниже).
Используя законы тригонометрии, мы можем определить длину каждой стороны (величину мощности каждого типа), если даны длины двух других сторон или длина одной стороны и угол.
Основные выводы:
- мощность, рассеиваемая нагрузкой, называется активной мощностью. Она обозначается прописной буквой P и измеряется в ваттах (Вт);
- мощность, которая поглощается и возвращается нагрузкой из-за её реактивных свойств, называется реактивной мощностью. Она обозначается прописной буквой Q и измеряется в вольт-амперах реактивных (вар);
- общая мощность в цепи переменного тока, рассеиваемая и поглощаемая и возвращаемая, называется полной мощностью. Она обозначается прописной буквой S и измеряется в вольт-амперах (ВА);
- эти три типа мощностей тригонометрически связаны друг с другом. В правильно построенном треугольнике P – длина ближней стороны, Q – длина противоположной стороны, а S – длина гипотенузы. Противоположный угол соответствует фазовому углу полного сопротивления (Z) цепи.