Расчет активной мощности трансформатора

Почему мощность трансформатора измеряют в ква, а не в квт ?

Многим из нас известна основная единица мощности – Ватт (Вт) или чаще используется его производная киловатт (кВт) и вы привыкли, что эта характеристика у электрооборудования указывается именно в них.

Но если взять трансформатор или приборы, в которых он является основным компонентом, например, стабилизаторы напряжения, вы увидите, что мощность там указана в кВА – киловольт-амперах.

Давайте разберемся, что такое кВА, почему именно в этих единицах измерения указывается мощность трансформатора и как она связана с обычными киловаттами.

Я не буду выкладывать здесь определения из учебников и сыпать физическими терминами, объясню коротко, простыми словами, чтобы было понятно любому.

В первую очередь, вы должны знать, что у некоторых электроприборов, работающих от переменного тока, не вся потребляемая мощность тратится на совершение полезной работы – нагрева, освещения, звучания, вращения и т.д.

Всего существует четыре основных типа нагрузок, которые могут подключаться в частности к трансформатору:

Резистивная

Ярким примером резистивной нагрузки является ТЭН, который нагревается при протекании через него электрического тока.

ТЭН – это обычное сопротивление, ему не важно в какую сторону протекает по нему ток, правило одно, чем сила тока больше, тем больше тепла вырабатывается – соответственно вся мощность тратится на это.

Мощность, которая тратится на резистивной нагрузке называется – активной , как раз она то и измеряется в кВт – киловаттах.

Индуктивная

Знакомым всем примером индуктивной нагрузки является электродвигатель, в нём не весь проходящий электрический ток тратится на вращения. Часть расходуется на создание электромагнитного поля в обмотке или теряется в медном проводнике, эта составляющая мощности называется реактивной .

Реактивная мощность не тратится на совершение работы напрямую, но она необходима для функционирования оборудования.

Кстати, индуктивные электрические плиты, которые так хотят заполучить многие домохозяйки, также используют реактивную мощность, в отличии от обычных электроплит, в которых нагреваются ТЭНы, те чисто резистивные.

Ёмкостная

Еще один пример реактивной составляющей мощности содержит ёмкостная нагрузка, это, например, конденсатор. Принцип работы конденсатора – накапливание и передача энергии, соответственно часть мощности тратится именно на это и напрямую не расходуется на работу оборудования.

Практическаи вся окружающая вас электроника и бытовая техника содержит конденсаторы.

Смешанная

Здесь всё просто, смешенная нагрузка сочетает в себе все представленные выше, активную и реактивные составляющие, большинство бытовых приборов именно такие.

Полная мощность электрооборудования, состоит как из активной мощности, так и из реактивной, и измеряется в кВА – киловольт-амперах . Именно она чаще всего указана в характеристиках трансформатора.

Производители трансформаторов не могут знать, какого типа нагрузка к ним будет подключена и где они будут задействованы, поэтому и указывают полную мощность, для смешенной нагрузки.

Так, если нагрузка трансформатора — это ТЭН, то полная мощность будет равна активной, соответственно значение в кВт = кВА, если же нагрузка будет смешенная, включающая реактивную составляющую, то мощность нагрузки должна учитываться полная.

Будьте внимательны, нередко, на электрооборудовании, например, на электроинструменте, мощность прописана в киловаттах, но кроме того указан коэффициент мощности k. В этом случае, вы должны знать простую формулу:

S (полная мощность)= P (активная мощность)/ k (коэффициент мощности)

Так, например, если мощность перфоратора P = 2,5кВт, а его коэффициент мощности k = 0,9, то полная мощность перфоратора будет равна S=2,5кВт/0,9=2,8 кВА, именно на столько он будет нагружать сеть.

Теперь, я думаю, вам понятно, почему мощность трансформатора измеряют в кВА, а не в кВт – это позволяет учитывать все виды нагрузок, которые могут подключаться к его вторичной обмотке.

Поэтому, обязательно учитывайте полную мощность указываемую в кВА или коэффициент мощности обордования, перед подключением к трансформатору.

Если же у вас еще остались какие-то вопросы – обязательно оставляйте их в комментариях к статье, кроме того, если есть что добавить, нашли неточности или есть, что возразить – также пишите!

Составляющие полной мощности трансформатора и методика расчета

Понятие полной мощности используется в электротехники для определения фактической нагрузки на элементы сети. Величина полной мощности силового трансформатора является основой для проектирования его конструкции.

Полная мощность превосходит по абсолютной величине активную и зависит от характеристик нагрузки.

Понятие мощности трансформатора

Трансформатор переменного тока не производит электрическую энергию, а лишь преобразовывает ее по величине. Поэтому его мощность полностью зависит от ее величины нагрузки (тока потребления) вторичной цепи. При наличии нескольких потребителей должна учитываться суммарная нагрузка, которая может быть подключена одновременно. Для цепей переменного тока учитывается активный и реактивный характер потребления.

Активная

Данная составляющая часть характеристики определяется как среднее значение мгновенной за определенный период времени. Для цепей синусоидального переменного тока в качестве отрезка времени используется значение периода колебания:

Активная часть зависит от характера нагрузки, то есть от сдвига фаз между током и напряжением и определяется по формуле:

где ϕ – угол сдвига фаз.

Активная составляющая устройств переменного тока выражается в Ваттах, как и для цепей постоянного тока.

Реактивная

Реактивная нагрузка отличается от активной тем, что в течение одного периода колебаний напряжения электрическая энергия реально не потребляется, но возвращается назад. В результате того, что к питающему устройству подключены устройства с большой емкостью или индуктивностью (электродвигатели), между током и напряжением возникает сдвиг фаз.

Реактивная составляющая потребления определяется выражением:

Единица измерения – вар (вольт-ампер реактивный).

Полная

Полная мощность трансформатора учитывает всю потребленную и возвращенную энергию и находится из выражения:

Все составляющие связаны соотношением:

Единица измерения – ВА (вольт-ампер).

Полная мощность равняется активной только в случае полностью активной нагрузки.

Номинальная

Номинальная мощность трансформатора учитывает возможность работы конструкции с учетом подключения потребителей разного характера, то есть аналогична полной. При этом гарантируется исправная работа устройства весь заявленный срок службы при оговоренных условиях эксплуатации.

Номинальная мощность, как и полная, учитывает активный и реактивный характер потребления, которое может изменяться во время эксплуатации.

Выражается в вольт-амперах.

Методика расчета мощностей трансформатора

При расчете силового трансформатора питающей подстанции учитывается среднесуточная нагрузка и длительность периода максимальной потребления. При этом должно учитываться соотношение:

Режим пикового потребления также должен учитывать время воздействия, поскольку при кратковременных всплесках (до 1 часа), устройство будет работать в недогруженном режиме, что экономически не выгодно.

В таких случаях нужно брать в расчет перегрузочную способность конструкции, которая зависит от конструктивных особенностей, температуры окружающего воздуха и условий охлаждения. Это диктуется условиями допустимого нагрева составляющих элементов (обмоток, коммутирующих цепей).

Понятие коэффициента загрузки определяет отношение среднесуточного и максимального потребления электрической энергии. Коэффициент загрузки всегда меньше единицы. Его величина связана с требованиями к надежности электроснабжения. Чем меньше требуемая надежность, тем больше коэффициент может приближаться к единице.

Примеры реальных расчетов

В качестве примера можно выбрать питающую подстанцию жилого района. Нагрузка подстанции является III категории, поэтому коэффициент загрузки допустимо выбирать из большего значения – 0.9-0.95.

Характер потребления тока бытового сектора зависит от времени суток и сезона, но с учетом высокого коэффициента загрузки допустимо учитывать среднее значение потребляемой мощности. Для повышения надежности работы в период максимального потребления рекомендуется использование маслонаполненных трансформаторов, которые отличаются большой перегрузочной способностью в течение длительного периода времени (30% перегрузки в течение 2-х часов).

Эскиз конструкции трансформатора

Конструкция мощного силового трансформатора состоит из нескольких частей:

В состав выемной части входит, собственно сердечник и обмотки с активной частью, которая включает переключатели с приводами, вводы высокого и низкого напряжений, предохранительные устройства.

Остов – основная составляющая конструкции активной части. В состав остова входит магнитная система (сердечник) со всеми обмотками, а также конструктивные элементы для крепления и соединения обмоток и частей магнитной системы.

Активная мощность цепи переменного тока

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.

Определение

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.

Соотношение энергий

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.

Генерация активной составляющей

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.

Расчет

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:

Схема симметричной нагрузки

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

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.

Расчет трехфазной сети

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:

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:

Диаграмма треугольников напряжений

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Компенсация

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:

1. Значительно уменьшается нагрузка силовых трансформаторов;
2. Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;
3. У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;
4. На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.

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.

Реактивная мощность на ощупь, простым языком, без графиков

Сегодня я постараюсь объяснить простым языком, что же такое реактивная мощность электрической энергии.

Активная мощность

Для начала, расскажу про наиболее привычную нам активную мощность, за которую мы, собственно, и платим по счётчику. Эта мощность, потребляемая нагрузкой типа обычного сопротивления. Как правило, это все нагревательные приборы (бойлеры, обычные электроплитки, электро калориферы и т.п.). Потребляемая мощность этих приборов полностью активная. В этих приборах электрическая энергия безвозвратно и полностью преобразуется в другой вид энергии (тепловую и другие).

Активная мощность обозначается буквой P и измеряется в ваттах (Вт).

Величина активной мощности, потребляемой такими приборами считается просто — умножением напряжения в розетке на ток, протекающей в цепи включенного нагревательного прибора:

Тут всё просто. Нагрузка пассивна, постоянна, никаких неожиданностей.

Замечу, что в цепях постоянного тока существует только активная мощность, поскольку значение мгновенной и средней мощности там совпадают.

Реактивная мощность

Если включить в сеть переменного тока не нагревательный прибор, а, например, электромагнит, то помимо активной, в цепи возникает реактивная энергия, которая с частотой переменного тока то потребляется прибором, то возвращается обратно в сеть. Эта энергия переносится от источника к электромагниту и обратно дважды за период, каждую четверть периода меняя направление.

Это происходит из-за того, что при потреблении электроэнергии, например, обмоткой магнита, каждый полупериод в нём происходит временное запасание энергии в магнитном поле катушки, и последующая отдача её назад, из-за чего происходит рассинхронизация синусоид величин напряжения и тока в сети.

Изменения тока в цепи отстаёт от соответствующих синусоидальных изменений напряжения. Такое поведение присуще любой т.н. индуктивной нагрузке (трансформаторы, электродвигатели, дроссели, электромагниты).

Помимо индуктивной нагрузки существует емкостная (различные электронные устройства с конденсаторами, как накопителями энергии, например, в импульсном блоке питания), в которой ток, наоборот, опережает напряжение за счёт временного накопления энергии конденсаторами и последующей отдачи её назад. И в том и в другом случае в цепи помимо активной возникает реактивная энергия.

Вред реактивной энергии в электроэнергетике очевиден — она никак не используется, но шляется туда-сюда по проводам, дополнительно нагружая их. Кроме того, при таком «шлянии» эта энергия ещё и частично теряется, преобразуясь в активную энергию при нагреве проводов. Однако в радиотехнике реактивная мощность может быть и полезной (например, в колебательных контурах).

Реактивная мощность обозначается буквой Q и измеряется в вольт-амперах реактивных (вар).

Для вычисления доли реактивной мощности применяется формула:

Q = U * I * sin φ , где:
sin φ — коэффициент мощности, показывающий, какую долю полной мощности составляет реактивная мощность.

Для вычисления активной мощности в сетях с реактивной составляющей применяется формула:

P = U * I * cos φ , где:
cos φ — коэффициент мощности, показывающий, какую долю полной мощности составляет активная мощность.

Коэффициенты мощностей разных приборов обычно указываются в паспортах на них.

Неактивная мощность

Неактивная мощность (пассивная мощность) — это вся мощность кроме активной, т.е. как реактивная мощность, так и мощность любых нелинейных искажений синусоиды, в том числе и мощность колебаний в колебаниях (высших гармоник).

Неактивная мощность обозначается буквой N и измеряется в вольт-амперах реактивных (вар).

Нелинейные искажения могут быть вызваны такой нелинейной нагрузкой, как, например, импульсные блоки питания без корректора коэффициента мощности.

Полная мощность

Полная мощность — эта вся мощность, и активная и неактивная.

Полная мощность обозначается буквой S и измеряется в вольт-амперах (ВА).

Полная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов активной и неактивной мощности:

В случае линейной (равномерной на протяжении периода) нагрузки полная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов активной и реактивной мощности. В этом случае неактивная мощность полностью состоит из реактивной составляющей.

То есть, полная мощность получается не лобовым сложением активной и неактивной частей, а по закону прямоугольного треугольника:

Надеюсь, я немного прояснил данный вопрос.

Если тема всё ещё непонятна, почитайте мою новую статью , где я более тщательно расписал физику процесса.

Ставьте лайки , если статья понравилось. Пишите комментарии. Делитесь также этой статьёй в социальных сетях (соответствующие кнопочки рядом со статьёй в наличии) и, конечно, подписывайтесь на мой канал! Жду ваших отзывов! Удачи!