Полная мощность цепи с конденсатором. Реактивная мощность цепи переменного тока

Для фильтров, применяемых на предприятиях, используются конденсаторы с большой единичной мощностью (75 - 100 квар и более) с напряжением, соответствующим номинальному напряжению сети. При напряжении выше 15 кВ применяется последовательное включение конденсаторов с меньшим номинальным напряжением.  

Особенностью данной схемы является некоторое увеличение длины из-за последовательного включения конденсатора перестройки.  

Рассмотрение кривых показывает, что обратные напряжения на вентилях при работе схем с одноступенчатой искусственной коммутацией в режиме преобразователя-компенсатора могут достигать значительной величины. Следует, однако, отметить особенность мостоиой схемы с последовательным включением конденсаторов, в которой напряжения на вентилях при значениях генерируемой реактивной мощности, близких к минимальным, оказываются небольшими и даже существенно ниже, чем в схеме без искусственной коммутации.  

Цепь переменного тока, содержащая самоиндукцию и емкость. Цепь переменного тока, в отличие от цепи постоянного тока, допускает последовательное включение конденсатора.  

При прямоточной системе иногда некоторое количество воды используется повторно для уменьшения производительности береговой насосной станции и расхода энергии на собственные нужды. В некоторых случаях при недостаточности воды в реке и при низких ее температурах может быть применена схема последовательного включения конденсаторов, с использованием отработавшей воды от одного агрегата для охлаждения второго.  

Если же сопротивления между обкладками (сопротивления утечки) конечны по величине, то напряжения на конденсаторах будут пропорциональны их сопротивлениям утечки. Поэтому при последовательном включении конденсаторов их шунтируют внешними сопротивлениями, чтобы напряжения на них определялись величинами этих сопротивлений, а не случайными значениями сопротивлений утечки.  

На рис. 1 - 14 6 изображено параллельное включение упругих элементов. Здесь все элементы одинаково деформируются, а силы, приложенные к элементам, складываются. По I системе аналогий требуется последовательное включение конденсаторов, а по второй - параллельное соединение индуктивностей.  

Такой способ уменьшения реактивного сопротивления в электрических сетях получил название продольной компенсации, а установки конденсаторов, включенных последовательно в рассечку каждого из проводов линии, названы установками ПЕК или УПК. При равенстве индуктивного сопротивления линии емкостному сопротивлению конденсаторов величина потери напряжения в сети определяется только ее активным сопротивлением. Последовательное включение конденсаторов в сеть для получения надбавки напряжения является целесообразным при относительно невысоких коэффициентах мощности и в сетях со сравнительно крупными сечениями проводов, так как при малых сечениях проводов потеря напряжения в линии определяется в основном ее активным сопротивлением и включение конденсаторов мало повлияет на величину отклонений напряжения у потребителя.  

Предназначены для измерения разности потенциалов главным образом на высоком напряжении. Состоят из системы неподвижных и подвижных пластин, связанных со стрелкой. Основаны на притяжении или отталкивании между заряженными подвижными и неподвижными пластинами. Расширение пределов измерений достигается последовательным включением конденсатора или ответвления с большим безиндукци-онным сопротивлением. Собственное потребление равно нулю на постоянном токе и фактически равно нулю на переменном токе.  

Весьма обстоятельные исследования по схемам с конденсаторами в силовых цепях преобразователей выполнены чл. Работы этих авторов относятся главным образом компенсации реактивной мощности на преобразовательных подстанциях линий электропередач постоянного тока. Этими авторами подробно исследованы схемы с однократной и тройной частотой напряжения конденсаторов применительно к мостовым преобразователям. В работах Л. Р. Неймана и С. Р. Глинтерника исследован вопрос повышения устойчивости инвертора при последовательном включении конденсаторов в его силовую цепь.  

В отличие от остальных цепей с большой постоянной времени ячейка фильтра в цепи коллектора вызывает подъем плоской вершины импульса. Существуют и другие возможности получить подъем вершины импульса для коррекции спада. В частности, при использовании схемы с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению эффект подъема плоской вершины импульса достигается последовательным включением конденсатора в цепь обратной связи.  

Реактивная мощность – это величина, характеризующая нагрузки создаваемые различными колебаниями электромагнитных полей, которые встречаются цепях с конденсаторами и индуктивностями. А по своей сути это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю (нагрузке), а затем возвращается обратно этими реактивными компонентами в течении одного полупериода.

Существуют потребители электрической энергии, которые создают чисто активную нагрузку. К ним можно отнести различные нагревательные элементы, тэны, лампы накаливания и т.п. Эти потребители не способны генерировать значительных электромагнитных полей. А вот другие потребители способны генерировать реактивную нагрузку. Т.е создавать сильные электромагнитные поля. Основными представителями этой группы можно считать устройства имеющие в своих питающих цепях конденсаторы и катушки индуктивность. Как мы уже знаем, и по разному оказывают влияние на величину реактивной мощности появляющейся в электрической цепи.

Так если приложить к катушки индуктивности ток и напряжение с нулевым сдвигом по фазе, то на выходе схемы увидим отставание тока от напряжения. А вот если подать тоже самое на конденсатор, то на выходе получим опережение током напряжения. Для понимания процесса смотри рисунок, где схематически показано опережение током напряжения при емкостном характере нагрузки.

Такие свойства реактивных нагрузок используют для регулировки уровня напряжения в сети методом компенсации большой индуктивности емкостными нагрузками, и наоборот больших емкостей - индуктивностью.

реактивная мощность вычисляется по следующим формулам:

Где, x - , I и U - ток и напряжение протекающие в цепи, sinφ - коэффициент реактивной мощности

Единицей измерения реактивной мощности по СИ, является вольт ампер реактивный – ВАр

Природу потерь в электрических цепях с реактивными компонентами можно увидеть по графикам на рисунках ниже:

При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между током и напряжением будет 90°. В начальный момент времени, когда уровень напряжение максимален – ток будет стремиться нулю, поэтому, мгновенное значение мощности UI в это время будет нулевым. В течении первой ¼ периода, мощность можно визуализировать на графике, как произведение UI (тока и напряжения), которое станет нулевым при максимуме тока и нулевом значении напряжения.

В следующую ¼ периода, UI будет лежать в отрицательной области координат, поэтому, мощность будет уходить обратно в источник питания. То же самое случится и в отрицательном токовом полупериоде. В результате средняя (активная) потребляемая мощность P avg за период будет нулевой.

В этом случае реактивная мощность, в соответствии с формулой выше стремится к нулю. Потребляемая мощность равна произведению тока и напряжения, Полная мощность будет равна только активной мощности. Коэффициент мощности будет равен единице (P/S = 1 ).

Рассмотрим случай равенства реактивного и активного сопротивлений в нагрузке , т.е сдвиг фаз между током и напряжением на 45°.

В этом случае: Q = U×I×sin45° = 0.71×U×I . Коэффициент мощности = 0.71

Как вы наверное заметили, реактивная мощность оказывает обычно отрицательное воздействие, в связи с чем, необходима ее компенсация.

Цель опыта: продемонстрировать зависимость сопротивления конденсатора в цепи переменного тока от его емкости и частоты изменения напряжения.
Оборудование :

Рис 1

Учащимся хорошо известно, что постоянный ток не может протекать через конденсатор. (При подключении конденсатора к источнику постоянного тока в цепи только в течение ограниченного времени протекает ток его зарядки.) Поэтому эксперимент следует начать с демонстрации возможности протекания переменного тока в цепи, содержащей конденсатор. Для этого соберите электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 1. Конденсатор емкостью 18.8 мкФ и лампа соединяются последовательно, при этом свечение лампы означает наличие тока в цепи. Питание осуществляется от генератора синусоидального сигнала, который, как и источник постоянного тока в предыдущих опытах, подсоединяется через модуль для подключения источника питания.

Установите частоту генератора примерно равной 5 кГц , замкните ключ и плавно увеличивайте амплитуду выходного сигнала генератора до тех пор, пока лампа не начнет гореть достаточно ярко. Продемонстрировав протекание переменного тока в цепи, содержащей конденсатор, Вы можете перейти к более обстоятельному изучению данного явления.

Измените собранную электрическую цепь в соответствии с рис. 2. Теперь конденсатор подключен непосредственно к источнику переменного напряжения, протекающий через него ток регистрируется цифровым миллиамперметром, а приложенное к конденсатору напряжение измеряется цифровым вольтметром.

Громкоговоритель служит для определения на слух изменения частоты напряжения питания.

Рис 2
Переменный резистор, включенный последовательно с громкоговорителем, используется для регулирования громкости звука.

Установите на генераторе частоту 20 Гц и близкий к максимальному уровень выходного сигнала. Замкните ключ и обратите внимание учащихся на показания измерительных приборов. Попросите учеников на основе экспериментальных данных рассчитать сопротивление конденсатора. Плавно увеличивайте частоту генератора, демонстрируя при этом рост тока, протекающего через конденсатор при практически неизменном напряжении на его выводах, и изменение частоты звучания динамика. Следите за показаниями цифрового миллиамперметра и, как только ток в цепи превысит 900 мА , прекратите увеличение частоты выходного сигнала генератора. Сообщите учащимся примерное значение частоты генератора и попросите их еще раз определить сопротивление конденсатора. Сопоставьте величины сопротивлений, полученные учащимися и, принимая во внимание характер изменения тока при проведении опыта, сделайте вывод об обратной зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного напряжения.

Для того чтобы показать зависимость емкостного сопротивления от величины емкости конденсатора замкните ключ и еще раз продемонстрируйте режим работы электрической цепи, полученный в конце предыдущего опыта. После этого замените конденсатор 18.8 мкФ конденсатором емкостью 4.7 мкФ . Ток в цепи при этом упадет в 4 раза, что при неизменности приложенного напряжения означает, что сопротивление конденсатора в 4 раза возросло. Обратите внимание учащихся на то, что емкости конденсаторов 18.8 мкФ и 4.7 мкФ также отличаются в 4 раза и сделайте вывод об обратно пропорциональной зависимости емкостного сопротивления от частоты.

Рис 3
В завершение данного эксперимента полезно изучить с учащимися, что происходит в электрической цепи, содержащей последовательно соединенные лампу и конденсатор (рис. 1) при изменении частоты подводимого к ней напряжения. Для этого включите в эту цепь цифровой миллиамперметр (рис. 3) и приготовьте цифровой вольтметр для измерения напряжения на различных элементах. В цепь должен быть включен конденсатор емкостью 18.8 мкФ .

Сопротивление нити накала лампы существенно зависит от силы протекающего через нее тока. Если лампа горит в полный накал, то ее сопротивление равно 14 Ом , но эта величина может стать в 10 раз меньше при уменьшении протекающего через нее тока. В данном эксперименте в области низких частот сопротивление конденсатора велико, ток в цепи при этом мал, сопротивление лампы составляет несколько Ом и практически все напряжение, подводимое к цепи, оказывается приложенным к конденсатору. В области высоких частот сопротивление конденсатора уменьшается до нескольких десятых долей Ома , и все напряжение оказывает приложенным к лампе, сопротивление которой становится более 10 Ом . Таким образом, при изменении частоты генератора от 30 Гц до 5 кГц сопротивление конденсатора уменьшается более чем в 100 раз, а сопротивление лампы возрастает примерно в 10 раз.

Замкните ключ и продемонстрируйте учащимся, как падения напряжения на конденсаторе и лампе изменяются при увеличении частоты от 30 Гц до 5 кГц . Сделайте соответствующие комментарии и объясните, почему, начиная с некоторого значения частоты, ток в цепи остается практически неизменным.

Рис 4
Вы можете также продемонстрировать учащимся еще один эффект, связанный с горением лампы в цепи переменного тока. Соберите электрическую цепь, в которой лампа и миллиамперметр соединены последовательно (рис. 4). Установите частоту генератора 5 кГц и уровень сигнала, соответствующий нормальному режиму горения лампы. После этого плавно уменьшайте частоту выходного сигнала генератора, демонстрируя постоянство тока в собранной электрической цепи и напряжения на лампе, а также неизменность свечения лампы вплоть до частоты 30 Гц . При частоте меньшей 20 Гц становится заметным изменение яркости лампы, возникающее в течение каждого периода колебаний в соответствии с изменением величины подводимого к цепи напряжения. Обратите внимание, что показания цифровых вольтметра и амперметра в этой области частот могут быть некорректны, поскольку рабочий диапазон применяемых приборов начинается с 15Гц .

конденсатор как гасящее сопротивление

Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты, и называется реактивным. Использование конденсатора в качестве сопротивления также позволяет гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором. Так как расчет сопротивления конденсатора переменному току , а соответственно и полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rn и конденсатора с реактивным сопротивлением Хс, равно

то непосредственный расчет емкости гасящего конденсатора довольно сложен. Для определения номинала конденсатора, примененного в качестве гасящего резистора, проще пользоваться номограммой, приведенной на рисунке. На номограмме по оси абсцисс отложены сопротивления Rn в кОм, по оси ординат - емкость С гасящих конденсаторов в мкФ и по оси, проведенной под углом 45° к оси абсцисс, - полные сопротивления Z цепи в кОм.

Чтобы воспользоваться номограммой, предварительно нужно по закону Ома или по формуле мощности определить Rn и Z. На оси абсцисс номограммы находят вычисленное значение Rn и проводят из этой точки вертикальную прямую, параллельную оси ординат. Затем на наклонной оси отыскивают определенное значение Z. Из точки начала координат через точку Z проводят дугу, которая должна пересечь линию, проведенную параллельно оси ординат. Из точки пересечения ведут линию, параллельную оси абсцисс. Точка, где эта линия встречается с осью ординат, укажет искомую емкость гасящего конденсатора.

Пример 1. Определить емкость конденсатора, который нужно соединить последовательно с электропаяльником 127 В, 25 Вт, чтобы его можно было включить в сеть переменного тока напряжением 220 В.

Находим Rn:

где U - напряжение, на которое рассчитан электропаяльник, Р - мощность электропаяльника.

Чтобы определить Z, нужно знать ток I, протекающий в цепи:

Тогда Z равно:

Как найти емкость гасящего конденсатора, пользуясь вычисленными предварительными данными, показано на номограмме жирными линиями.

Пример 2. Классический мостовой выпрямитель (рис. 2) с выходным напряжением Uвых = 18 В и током нагрузки In = 20 мА необходимо питать от сети напряжением 127 В. Найти емкость конденсатора С1, который нужно подключить последовательно с выпрямителем, чтобы погасить излишнее напряжение.

Определим сопротивление нагрузки.