Расчет активного реактивного сопротивления. Полное сопротивление цепи переменного тока

В электротехнике активным и реактивным сопротивлением принято называть величину, характеризующую силу противодействия участка электрической цепи направленному (упорядоченному) движению частиц или квазичастиц - носителям электрического заряда. Это противодействие формируется методом преобразования электроэнергии в иные формы энергии. В случае необратимого изменения электрической энергии звена цепи в иные виды энергии, противодействие будет активным.

Особенность активного и реактивного сопротивления

Сеть с переменным током обладает необратимой трансформацией и передачей энергии элементам электрической цепи. Осуществляя обменный процесс электроэнергии с компонентами цепи и источником питания, сопротивление будет реактивным.

Если в качестве примера рассматривать микроволновую печь, электрическая энергия в ней необратимо конвертируется в тепловую, в результате чего микроволновая печь получает активное противодействие, равно как элементы, трансформирующие электрическую энергию в световую, механическую и т. д.

Переменный ток, проходя через сосредоточенные электрические элементы, формирует реактивное сопротивление, которое вызвано главным образом индуктивностью и ёмкостью.

Активное сопротивление находится в прямой зависимости от количества полных циклов изменения электродвижущей силы (ЭДС), произошедших за одну секунду. Чем больше это количество, тем выше активное сопротивление.

Однако немало потребителей имеют индуктивные и емкостные свойства в момент прохождения сквозь них переменного тока. К ним можно отнести:

• конденсаторы;
• дроссели;
• электромагниты;
• трансформаторы.

Следует учитывать как активное, так и реактивное сопротивление, которое обусловлено присутствием в электропотребителе емкостного и индуктивного признака. Прерывая и замыкая цепь постоянного тока, проходящего по любой из обмоток, параллельно с преобразованием тока произойдет и изменение магнитного потока внутри самой обмотки, в итоге в ней появляется электродвижущая сила самоиндукции.

Аналогичная ситуация будет проявляться и в обмотке , подключенной к цепи с переменным током, с тем лишь отличием, что в этом случае ток беспрерывно меняется как по параметру, так и в направлении. Отсюда следует, что беспрерывно будет меняться параметр магнитного потока, проникающего в обмотку, в которой индуктируется электродвижущая сила самоиндукции.

Вместе с тем вектор электродвижущей силы неизменно таков, что он препятствует преобразованию тока. Следовательно, при нарастании внутри обмотки электродвижущая сила самоиндукции будет ставить своей целью приостановить возрастание тока, а при уменьшении - напротив, будет стараться сохранить убывающий ток.

Получается, что ЭДС, появляющаяся внутри проводника (обмотки), задействованного в цепи переменного тока, постоянно будет противодействовать току, препятствуя его изменению. Другими словами, ЭДС можно расценивать как вспомогательное сопротивление, которое совместно с активным сопротивлением катушки создает синергический эффект противодействия идущему через катушку переменному току.

Электротехнический закон реактанса

Формирование реактивного сопротивления происходит с помощью спада реактивной мощности, израсходованной на создание электромагнитного поля в электрической цепи. Спад реактивной мощности образуется способом подсоединения к преобразователю аппарата с активным сопротивлением.

Двухполюснику, подключенному к цепи, получается аккумулировать только лимитированную долю заряда до изменения полярности напряжения на диаметрально противоположную. Благодаря этому электроток не опускается до нулевой отметки, как в цепях постоянного тока. Накопление заряда конденсатором напрямую зависит от частоты электротока.

Формулой реактивного сопротивления определяется мнимая часть импеданса:

Z = R+jX, где Z - комплексное электросопротивление, R - активное электросопротивление, X - реактивное электросопротивление, j - мнимая единица.

Величину реактивного электросопротивления можно выразить через значения ёмкостного и индуктивного противодействия.

Электрический импеданс

Полное сопротивление цепи переменного тока или импеданс есть отражение трансформирующейся во времени величины тока. В электротехнической литературе обозначается латинской буквой Z. Импеданс является двумерной (векторной) величиной, включающей в себя две независимые скалярные одномерные характеристики: активное и реактивное противодействие переменному электротоку. Проще говоря, полное сопротивление - это активное и реактивное в сумме.

Активный компонент импеданса, обозначаемый буквой R, является критерием уровня, с которым материал противодействует потоку отрицательно заряженных частиц среди своих атомов. Низкоомными материалами принято считать:

• золото;
• серебро;
• медь.

Высокоомные материалы называют диэлектриками или изоляторами. К перечню таких материалов можно отнести:

• полиэтилен;
• слюду;
• оргстекло.

Вещества с промежуточной степенью противодействия относят к группе полупроводников. В эту группу входят:

Полное сопротивление вычисляется по формуле: Z = √ R 2 +(XL - XC) 2 , где: R - активное электросопротивление; XL - индуктивное сопротивление, единица измерения Ом; XC - емкостное противодействие, единица измерения Ом. Полное противодействие рассчитывается пошагово. Вначале рисуют схему, потом вычисляют равнозначные противодействия индивидуально для активного, индуктивного и емкостного компонентов нагрузки и вычисляется полное противодействие электрической цепи.

Объясняет, что если по концам какого-то участка цепи приложить разность потенциалов, то под ее действием потечет электрический ток, сила которого зависит от сопротивления среды.

Источники переменного напряжения создают ток в подключенной к ним схеме, который может повторять форму синусоиды источника или быть сдвинутым по углу от него вперед либо назад.

Если электрическая цепь не изменяет направления прохождения тока и его вектор по фазе полностью совпадает с приложенным напряжением, то такой участок обладает чистым активным сопротивлением. Когда же наблюдается отличие во вращении векторов, то говорят о реактивном характере сопротивления.

Различные электротехнические элементы обладают неодинаковой способностью отклонять направление тока, протекающего через них и изменять его величину.

Реактивное сопротивление катушки

Возьмем источник стабилизированного переменного напряжения и отрезок длинной изолированной проволоки. Вначале подключим генератор на всю расправленную проволоку, а затем на ее же, но смотанную кольцами вокруг , который используется для улучшения прохождения магнитных потоков.

Точно замеряя в обоих случаях ток, можно заметить, что при втором эксперименте будет замечено значительное снижение его величины и отставание по фазе на определенный угол.

Это происходит за счет возникновения противодействующих сил индукции, проявляющихся под действием закона Ленца.

На рисунке прохождение первичного тока показано красными стрелками, а создаваемое им магнитное поле - синими. Направление его движения определяется по правилу правой руки. Оно же пересекает все соседние витки внутри обмотки и индуцирует в них ток, показанный зелеными стрелками, который ослабляет величину приложенного первичного тока, одновременно сдвигая его направление по отношению к приложенной ЭДС.

Чем большее число витков намотано на катушке, тем сильнее создается индуктивное сопротивление X L , уменьшающее первичный ток.

Его величина зависит от частоты f, индуктивности L, рассчитывается по формуле:

X L = 2πfL = ωL

За счет преодоления сил индуктивности ток на катушке отстает от напряжения на 90 градусов.

Реактивное сопротивление трансформатора

У этого устройства на общем магнитопроводе расположены две или большее количество обмоток. Одна из них получает электроэнергию от внешнего источника, а другим она передается по принципу трансформации.

Первичный ток, проходящий по силовой катушке, наводит в магнитопроводе и вокруг него магнитный поток, который пересекает витки вторичной обмотки и формирует в ней вторичный ток.

Поскольку идеально создать невозможно, то часть магнитного потока будет рассеиваться в окружающую среду и создаст потери. Они называются потоком рассеивания и влияют на величину реактивного сопротивления рассеяния.

К ним добавляется активная составляющая сопротивления каждой обмотки. Полученная суммарная величина называется электрическим импедансом трансформатора или его Z, создающим перепады напряжения на всех обмотках.

Для математического выражения взаимосвязей внутри трансформатора активное сопротивление обмоток (обычно изготавливаемых из меди) обозначают индексами «R1» и «R2», а индуктивное - «Х1» и «Х2».

Импеданс в каждой обмотке имеет вид:

Z1=R1+jX1;

Z2=R1+jX2.

В этом выражении индексом «j» обозначена мнимая единица, расположенная на вертикальной оси комплексной плоскости.

Наиболее критичный режим в отношении индуктивного сопротивления и возникновении реактивной составляющей мощности создается при параллельном подключении трансформаторов в работу.

Реактивное сопротивление конденсатора

Конструктивно в его состав входят две или несколько токопроводящих пластин, отделенных слоем материала, обладающего диэлектрическими свойствами. За счет этого разделения постоянный ток не может пройти через конденсатор, а переменный - способен, но с отклонением от первоначальной величины.

Ее изменение объясняется принципом работы реактивного - емкостного сопротивления.

Под действием приложенного переменного напряжения, изменяющегося по синусоидальной форме, на обкладках происходит всплеск, накопление зарядов электрической энергии противоположных знаков. Общее их количество ограничено габаритами устройства и характеризуется емкостью. Чем она больше, тем дольше времени идет заряд.

В течение следующего полупериода колебания полярность напряжения на обкладках конденсатора меняется на противоположное. Под его воздействием происходит смена потенциалов, перезарядка сформированных зарядов пластин. Таким способом создается протекание первичного тока и противодействие его прохождению, когда он уменьшается по величине и сдвигается по углу.

По этому вопросу у электриков есть шутка. Постоянный ток на графике представлен прямой линией и когда он идет по проводу, то электрический заряд, дойдя до обкладки конденсатора упирается в диэлектрик, попадая в тупик. Эта преграда не дает ему пройти.

Синусоидальная же гармоника идет переваливаясь через препятствия и заряд, свободно перекатившись через нарисованные обкладки, теряет небольшую часть энергии, которая зацепилась за пластины.

У этой шутки есть скрытый смысл: при подаче на обкладки постоянного или выпрямленного пульсирующего напряжения между пластинами за счет накопления ими электрических зарядов создается строго постоянная разность потенциалов, которая сглаживает все скачки питающей цепи. Это свойство конденсатора увеличенной емкости используется в стабилизаторах постоянного напряжения.

В общем, емкостное сопротивление Xc или противодействие прохождению через него переменному току зависит от конструкции конденсатора, определяющей емкость «С», и выражается формулой:

Хс = 1/2πfC = 1/ω C

За счет перезарядки обкладок ток через конденсатор опережает напряжение на 90 градусов.

Реактивное сопротивление линии электропередачи

Любая ЛЭП создается для передачи электрической энергии. Ее принято представлять участками со схемами замещения, обладающими распределенными параметрами активного r, реактивного (индуктивного) x сопротивления и проводимости g, отнесенными к единице длины, как правило, одному километру.

Если пренебречь влиянием емкости и проводимости, то можно пользоваться упрощенной схемой замещения линии, обладающей сосредоточенными параметрами.

Воздушная ЛЭП

Передача электроэнергии по неизолированным проводам, расположенным на открытом воздухе, требует значительного удаления их между собой и от земли.

При этом индуктивное сопротивление одного километра провода трехфазной линии можно представить выражением Х0. Оно зависит от:

среднего удаления осей проводов между собой аср;

наружного диаметра фазных жил d;

относительной магнитной проницаемости материала µ;

внешнего индуктивного сопротивления линии Х0’;

внутреннего индуктивного сопротивления линии Х0’’.

Для справки: индуктивное сопротивление 1 км ВЛ, выполненной из цветного металла составляет порядка 0,33÷0,42 Ом/км.

Кабельная ЛЭП

Линия электропередачи, использующая высоковольтный кабель, конструктивно отличается от ВЛ. У нее расстояние между фазами проводов значительно уменьшено и определяется толщиной слоя внутренней изоляции.

Такой трехжильный кабель можно представить в виде конденсатора с тремя обкладками из жил, протянутых на большое расстояние. С увеличением его протяженности возрастает емкость, снижается емкостное сопротивление и увеличивается емкостной ток, замыкающийся по кабелю.

В кабельных линиях под воздействием емкостных токов наиболее часто происходят однофазные замыкания на землю. Для их компенсации в сетях 6÷35 кВ используют дугогасящие реакторы (ДГР), которые подключают через заземленную нейтраль сети. Их параметры подбираются сложными методами теоретических расчетов.

Старые ДГР не всегда эффективно работали из-за низкого качества настройки и несовершенства конструкции. Они создавались под усредненные расчетные токи замыканий, которые часто отличались от реальных значений.

Сейчас внедряются новые разработки ДГР, способные в автоматическом режиме отслеживать аварийные ситуации, быстро замерять их основные параметры и подстраиваться для надежного гашения токов замыкания на землю с точностью до 2%. Благодаря этому эффективность работы ДГР сразу возросла на 50%.

Принцип компенсации реактивной составляющей мощности конденсаторными установками

Электрические сети передают высоковольтную электроэнергию на огромные расстояния. Большинством ее потребителей являются электродвигатели, обладающие индуктивным сопротивлением, и резистивные элементы. Полная мощность, направляемая потребителям, состоит из активной составляющей Р, расходуемой на совершение полезной работы, и реактивной Q - вызывающей нагрев обмоток трансформаторов и электродвигателей.

Реактивная составляющая Q, возникая на индуктивных сопротивлениях, снижает качество электроэнергии. Для уничтожения ее вредного воздействия в восьмидесятых годах прошлого века в энергосистеме СССР использовалась схема компенсации за счет подключения конденсаторных батарей, обладающих емкостным сопротивлением, которое снижало φ.

Они устанавливались на подстанциях, непосредственно питающих проблемных потребителей. Этим обеспечивалось местное регулирование качества электроэнергии.

Таким способом можно значительно уменьшить нагрузку на оборудование за счет снижения реактивной составляющей при передаче одной и той же активной мощности. Этот способ считается наиболее эффективным приемом энергосбережения не только на промышленных предприятиях, но и на объектах ЖКХ. Его грамотное использование позволяет значительно повысить надежность эксплуатации энергосистем.

В цепях переменного тока выделяют следующие виды сопротивлений.

Активное . Активным называют сопротивление резистора. Условное обозначение

Единицей измерения сопротивления является Ом. Сопротивление резистора не зависит от частоты.

Реактивное . В разделе реактивные выделяют три вида сопротивлений: индуктивное xL и емкостное хс и собственно реактивное. Для индуктивного сопротивления выше была получена формула X L = ωL. Единицей измерения индуктивного сопротивления также является Ом. Величина xL линейно зависит от частоты.

Для емкостного сопротивления выше была получена формула X C = 1 / ωC. Единицей измерения емкостного сопротивления является Ом. Величина хс зависит от частоты по обратно-пропорциональному закону. Просто реактивным сопротивлением цепи называют величину X = X L - X C .

Полное сопротивление . Полным сопротивлением цепи называют величину

.

Из этого соотношения следует, что сопротивления Z, R и X образуют треугольник: Z – гипотенуза, R и X – катеты. Для удобства в этом треугольнике рассматривают угол φ, который определяют уравнением

φ = arctg((X L - X C) / R),

и называют углом сдвига фаз. С учетом него можно дать дополнительные связи

Введение комплексного представления токов и напряжений требует определить и сопротивление элементов электрических цепей в комплексной форме - Z.

Хороши известно, что сопротивление резистора определяется как отношение напряжения на резисторе к току, протекающему через него. Если напряжение и ток представлены в комплексной форме, то

Но на предыдущей лекции было установлено, что . Поэтому

Таким образом видим, что комплексное сопротивление резистора выражается только действительным числом . Оно не вносит фазовых искажений между токами и напряжением. Чтобы подчеркнуть этот факт такое сопротивление часто называют активным.

Комплексное сопротивление емкости определяется отношением

. (3.2)

Видим, что комплексное сопротивление емкости переменному току выражается мнимым числом. Мнимая единица -j физически определяет сдвиг фаз между током и напряжением на 90о. Это хорошо согласуется с ее максимальным значением

Поэтому на емкости напряжение отстает от тока на 90о. Это означает, что сначала растет ток, протекающий через конденсатор, затем, с некоторым отставанием увеличивается заряд и напряжение.

Комплексное сопротивление индуктивности определяется отношением

. (3.4)

Коэффициент w L определяет величину сопротивления в Омах. Он пропорционален частоте, называется индуктивным сопротивлением и обозначается ХL, т.е.

Чтобы подчеркнуть тот факт, что сопротивления емкости и индуктивности выражаются мнимыми числами, их называют реактивными сопротивлениями, а конденсатор и индуктивность - реактивными элементами цепи.

Определим теперь комплексное сопротивление электрической цепи, содержащей активные и реактивне элементы, например последовательно включенные R, L и С элементы (рис.3.1). Такая цепь представляет замкнутый контур, поэтому для нее справедлив второй закон Кирхгофа

В последнем выражении проведем замену символов мгновенных напряжений и ЭДС на их комплексные изображения по правилам, определенным в лекции 1.2. Такой прием получил название символического метода. Так как ток протекающий через все элементы последовательной цепи одинаков, то (3.6) приходит к виду

Преобразуем это выражение к виду

.

По определению выражение в правой части последнего равенства есть ни что иное, как комплексное сопротивление цепи рис.3.1, т.е.

(3.7)

где R - действительная часть или активное сопротивление цепи.

- мнимая часть или реактивное сопротивление цепи.

Выражение (3.7) представляет комплексное сопротивление в алгебраической форме. Соотношения между составляющими комплексного сопротивления находятся в полном соответствии с соотношениями для комплексного представления тока. Но для большей наглядности вводится понятие треугольника сопротивления (рис.3.2).

В треугольнике - гипотенуза определяется модулем комплексного сопротивления Z, причем

(3.8)

Противолежащий катет - реактивным сопротивлением X, причем

Угол определяет сдвиг фаз между током и напряжением, который вносится комплексным сопротивлением цепи, причем

Учитывая выражения (3.8) ¸ (3.11) легко перейти от алгебраической к тригонометрической форме комплексного сопротивления

a применив формулу Эйлера получить показательную форму

Теперь можно записать закон Ома для участка цепи без источника ЭДС в комплексном изображении

(3.14)

Выражение (3.14) показывает, что в цепях переменного тока модуль тока определяется отношением модуля напряжения (его амплитудного значения) к модулю комплексного сопротивления, а фаза тока определяется разностью фаз напряжения и комплексного сопротивления. Отсюда вытекает еще одно полезное для практики выражение

. (3.15)

Комплексна проводимость

В цепях постоянного тока проводимость резистора определяется отношением тока к напряжению:

Эта величина обратно пропорциональна сопротивлению.

В цепях переменного тока следует пользоваться понятием комплексной проводимости, которая обозначается Y и, в общем случае, содержит действительную G и мнимую В части:

Комплексная проводимость резистора

(3.17)

Комплексная проводимость конденсатора

. (3.18)

Комплексная проводимость индуктивности

. (3.19)

В заключение отмети, что комплексное сопротивление удобно применять для анализа участков электрической цепи с последовательным включением элементов, а комплексную проводимость - для участков с параллельным включением элементов.

Катушки индуктивности в схемах постоянного тока

Первичным назначением катушки индуктивности в схеме постоянного тока является оказание противодействия в форме сопротивления. Катушки индуктивности обычно представляют собой проволочные спирали, которые создают сопротивление. Хотя резистивное сопротивление катушки индуктивности обычно низко, катушка создает противодействие. В дополнение мощность рассеивается сопротивлением катушки индуктивности.

Эффекты индуктивности проявляются, когда изменяется ток в цепи постоянного тока. Хотя ток обычно имеет фиксированную величину в работающей схеме постоянного тока, не забывайте также, что необходимо еще включать и выключать схему. Когда ток первоначально подается в схему или удаляется их схемы, имеет место его значительное изменение. Такое изменение тока заставляет катушку индуктивности противодействовать этому изменению. В результате появляется наведенное (индуктированное) напряжение, которое, как и в схеме переменного тока, противодействует изменению тока.

Наиболее значительный эффект достигается в том случае, когда ток через катушку индуктивности внезапно подавляется. Магнитное поле вокруг катушки индуктивности исчезает, индуцируя очень высокое напряжение в катушке. Это напряжение может даже приводить к повреждениям компонентов в некоторых случаях. В других применениях, наоборот, используется преимущество этого эффекта с целью формирования очень высокого напряжения для питания тех или иных специальных компонентов или цепей. Примерами могут служить трансформаторы строчной развертки в телевизионных приемниках и катушки зажигания в системах зажигания автомобилей.

Катушка индуктивности обладает способностью создавать магнитное поле. Это свойство характеризуется параметром катушки - индуктивностью (L), которая зависит от числа витков, сердечника, геометрических размеров катушки.

L = ψ/I ; где ψ = W·Ф - потокосцепление катушки;

W - число витков катушки; Ф - магнитный поток; I - ток, протекающий по катушке.

Кроме индуктивности, реальная катушка обладает активным сопротивлением:

ρ - удельное сопротивление проводника катушки; l - длина проводника;

S - площадь поперечного сечения проводника катушки.

Рис. 4-1

Для удобства анализа работы катушки в цепи переменного тока условно будем считать R к = 0 . Переменный ток i = I m sin (ωt ), протекая по катушке, создает переменный магнитный поток Ф , который, пересекая витки катушки, наводит в них ЭДС самоиндукции. Согласно правила Ленца, ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции препятствуют протеканию тока в цепи, рис. 4-1.

Модуль полного сопротивления.

Рис. 4-4

Умножив каждую сторону треугольника напряжений на ток, получим подобный треугольник мощностей (рис. 4-4в).

Q L - реактивная мощность катушки идет на создание магнитного поля. Единица измерения реактивной мощности: вар – вольт - ампер реактивный;

Р - активная мощность цепи превращается в тепло. Единица измерения Вт;

S - полная мощность цепи, единица измерения ВА - вольт-ампер.

S = P + jQ - комплексное значение полной мощности.

Модуль полной мощности.

Коэффициент мощности, показывающий какая часть подведенной к цепи электрической мощности S , превращается в полезную мощность Р .

Одной из основных проблем в сети переменного напряжения является наличие реактивной мощности. Она расходуется только на потери тепловые. Источником реактивной энергии есть накопители электрической энергии L и С. Я не буду очень глубоко рассматривать этот вопрос. Предлагаю рассмотреть этот вопрос на примере простых элементов цепи — индуктивности и емкости.

Индуктивный элемент L

Индуктивный элемент (рассмотрим на примере катушки индуктивности) представляют собой витки изолированного между собой провода. При протекании тока катушка намагничивается. Если изменить полярность источника, катушка начнет отдавать запасенную энергию обратно, стараясь поддержать величину тока в контуре. Поэтому при протекании через нее переменной составляющей, энергия запасенная при прохождении положительного полупериода, не успеет рассеяться и будет препятствовать прохождению отрицательного полупериода. В результате отрицательному полупериоду придется погасить энергию запасенную катушкой. В итоге напряжение(U), будет опережать ток (І) на какой-то угол φ. Ниже приведен результат моделирования работы на L-R нагрузку L=1*10 -3 Гн, R=0.5 Ом. U ист = 250 В, частота f=50 Гц.

φ – это разница фаз между U и I.

Реактивное сопротивление обозначается буквой X, полное Z, активное R.

Для индуктивности:

Где ω – циклическая частота

L – индуктивность катушки;

Вывод: чем выше индуктивность L или частота, тем больше будет сопротивление катушки переменному току.

Емкостной элемент

Емкостной элемент (рассмотрим на примере конденсатора) представляет собой двухполюсник с переменным или постоянным значением емкости. Конденсатор — накопитель электрических зарядов. Если подключить его к источнику питания, он зарядится. Если к нему приложить источник с переменной составляющей, он будет заряжаться при прохождении через него положительного полупериода. Когда направление полупериода изменится на отрицательное значение, конденсатор начнет перезаряжаться, то есть энергия, которая накопилась в нем, начнет противодействовать перезарядке. В итоге мы получим напряжение на конденсаторе противоположное источнику. В результате І, будет опережать U на какой- то угол φ. Ниже приведен результат моделирования работы на С-R нагрузку С=900*10 — 6 Фа, R=0.5 Ом, U ист = 250 В, частота f=50 Гц.

Рисунок 2. Работа источника на R-C нагрузку

Для емкости:

Где ω – циклическая частота

— частота питающего напряжения, Гц;

С — емкость конденсатора;

Вывод: чем выше емкость С или частота, тем меньше будет сопротивление переменному току.

Сравнение влияния реактивного сопротивления на активную мощность сети

Из рисунков 1 и 2 видно, что сдвиг фаз на рисунках не одинаков. Вывод — чем больше в полном сопротивлении Z будет влияние X L или X C тем больше будет разница фаз U и I.

Угол сдвига между током и напряжением называется φ .

Реактивная мощность однофазная:

Трехфазная:

U ф, I ф — фазные ток и напряжение

Вывод: реактивная мощность – не выполняет полезного действия.

Она «перегоняется» по сети нагревая кабели и увеличивая потери. На крупных промышленных предприятиях это особо ощутимо в силу наличия электроприводов и других крупных потребителей. Этот вопрос очень актуален для энергосбережения и модернизации производства. Поэтому на пром. предприятиях устанавливаются компенсаторы реактивной мощности. Они могут быть разного типа и кроме компенсации выполнять еще и роль фильтров. С помощью компенсаторов стараются сохранить баланс реактивной мощности для минимизации ее влияния на сеть и подогнать угол φ к нулю.

Для необходимо максимально сбалансировать в сети количество (L, C) элементов.

В цепь переменного электрического тока входят активные (содержащие внутренние источники энергии) и пассивные элементы (потребители энергии). К пассивным элементам относят резисторы и реактивные устройства.

Виды пассивных элементов

В электротехнике рассматривают два типа резисторов: активное и реактивное сопротивление. Активным – обладают приборы, в которых энергия электрического тока преобразуется в тепловую. В физике оно обозначается символом R. Единица измерения – Ом.

Этой формулой можно пользоваться для расчёта по мгновенным значениям тока и напряжения, максимальным или действующим.

Реактивные устройства энергию не рассеивают, а накапливают. К ним относятся:

• катушка индуктивности;
• конденсатор.

Реактивное сопротивление обозначается символом Х. Единица измерения – Ом.

Катушка индуктивности

Представляет собой проводник, выполненный в форме спирали, винта или винтоспирали. Благодаря высокой инерционности, прибор используют в схемах, которые применяются для уменьшения пульсаций в цепях переменного тока и колебательных контурах, для создания магнитного поля и т.д. Если она имеет большую длину при небольшом диаметре, то катушку называют соленоидом.

Для вычисления падения напряжения (U ) на концах катушки используют формулу:

U = –L·DI/Dt, где:

• L – индуктивность прибора, измеряется в Гн (генри),
• DI – изменение силы тока (измеряется в амперах) за промежуток времени Dt (измеряется в секундах).

Внимание! При любом изменении тока в проводнике возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует этому изменению.

Вследствие этого в катушке возникает сопротивление, которое называется индуктивным.

В электротехнике обозначается Х L и рассчитывается по формуле:

где w – угловая частота, измеряется в рад/с.

Угловая частота является характеристикой гармоничного колебания. Связана с частотой f (количество полных колебаний в секунду). Частота измеряется в колебаниях в секунду (1/с):

w = 2 · p · f.

Если в схеме используется несколько катушек, то при их последовательном соединении общее Х L для всей системы будет равно:

XL = XL1 + XL2 + …

В случае параллельного соединения:

1/XL = 1/XL1 + 1/XL2 + …

Закон Ома для такого соединения имеет вид:

где UL – падение напряжения.

Помимо индуктивного, устройство обладает и активным R.

Электрический импеданс в этом случае равен:

Емкостной элемент

В проводниках и обмотке катушки, кроме индуктивного и активного сопротивлений, присутствует и емкостное, которое обусловлено наличием ёмкости в этих приборах. Кроме резистора и катушки, в схему может быть включен конденсатор, который состоит из двух металлических пластин, между которыми размещён слой диэлектрика.

К сведению. Электрический ток протекает за счёт того, что в устройстве проходят процессы заряда и разряда пластин.

При максимальном заряде на пластинах прибора:

За счёт того, что резистивное устройство может накапливать энергию, его используют в приборах, которые стабилизируют напряжение в цепи.

Возможность накапливать заряд характеризуется ёмкостью.

Реактивное сопротивление конденсатора (ХС) можно рассчитать по формуле:

XC = 1/(w·C), где:

1. w – угловая частота,
2. С – ёмкость конденсатора.

Единица измерения ёмкости – Ф (фарада).

Учитывая, что угловая частота связана с циклической частотой, расчет значения реактивного сопротивления конденсатора можно выполнить по формуле:

XC=1/(2·p·f·C).

Если в цепи последовательно соединены несколько устройств, то общее X С системы будет равно:

XС = XС1 + XС2 + …

Если соединение объектов параллельное, то:

1/XC = 1/XC1 + 1/XC2+…

Закон Ома для этого случая записывается следующим образом:

где UС – падение напряжения на конденсаторе.

Расчёт цепи

При последовательном соединении I = const в любой точке и, согласно закону Ома, его можно рассчитать по формуле:

где Z – электрический импеданс.

Напряжение на устройствах рассчитывается следующим образом:

UR = I · R, UL = I · XL, UC = I · XC.

Вектор индуктивной составляющей напряжения направлен в противоположную сторону от вектора емкостной составляющей, поэтому:

следовательно, согласно расчётам:

Внимание! Для вычисления значения импеданса можно воспользоваться «треугольником сопротивлений», в котором гипотенузой является значение Z, а катетами – значения X и R.

Если в цепь подключены и конденсатор, и катушка индуктивности, то, согласно теореме Пифагора, гипотенуза (Z ) будет равна:

Так как X = XL – XC , то:

При решении электротехнических задач часто импеданс записывают в виде комплексного числа, в котором действительная часть соответствует значению активной составляющей, а мнимая – реактивной. Таким образом, выражение для импеданса в общем виде имеет вид:

где i – мнимая единица.

Для онлайн расчёта реактивного сопротивления можно использовать программу – калькулятор, которую можно найти в сети Интернет. Подобных сервисов достаточно много, поэтому вам не составит труда подобрать удобный для вас калькулятор.

Благодаря таким Интернет сервисам, можно быстро выполнить нужный расчёт.

Видео