Определение параметров потребителей электрической энергии.
Для определения количества электрической энергии W необходимо знать электрическую мощность Р . потребляемую из сети в течении некоторого времени t . Тогда количество потребленной энергии определяется по формуле.
В зависимости от единиц измерения P и t . количество электрической энергии W может быть получено в Джоулях (1Дж = 1Вт·1с) либо в киловатт-часах (1кВт·ч = 3600000Дж = 1кВт·1ч.
График работы потребителя, как правило, известен. В то время как при определении мощности, потребляемой от источника, существуют некоторые особенности, которым и посвящен данный материал.
Простейшей схемой потребления электрической энергии является схема, приведенная на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема потребления электрической энергии.
Источник электрической энергии предоставляет потребителю энергию с определенными параметрами, основными из которых являются.
Для источников переменного тока дополнительно указывается.
Форма выходного напряжения (синусоидальная, треугольная, прямоугольная) (Рисунок 2.
Количество фаз выходного напряжения.
Основными источниками электрической энергии являются.
Промышленная сеть переменного тока ( трехфазный переменный синусоидальный ток частотой 50 Гц и напряжением 220/380В) для электроснабжения промышленных и бытовых потребителей – основной источник электрической энергии.
Автономные электростанции (одно или трехфазный треугольный или синусоидальный ток частотой 50 Гц и напряжением 220В) для резервного электроснабжения в случаях аварий промышленной сети или для автономного электроснабжения в удаленных или труднодоступных районах.
Химические источники тока (щелочные и аккумуляторные батареи) (постоянный ток различных напряжений) для электроснабжения мобильных устройств или объектов, бортовых сетей транспортных средств.
Рисунок 2 – Диаграммы выходного напряжения u ( t ) источников переменного тока.
В общем случае напряжение на выходе источника электрической энергии u ( t ) непостоянно во времени даже для источников постоянного тока и зависит от многих факторов, в числе которых текущая нагрузка на источник, температура (для химических источников), влажность и другие.
К источнику электрической энергии подключается потребитель электрической энергии . Параметры источника электрической энергии должны соответствовать параметрам потребителя, в противном случае потребитель не будет работать или выйдет из строя.
При подключении потребителя к источнику в цепи начинает протекать ток i ( t ), измеряемый в амперах (А). В общем случае величина тока зависит от текущих задач, которые выполняет потребитель и не является постоянной во времени как для цепей постоянного, так и для цепей переменного тока (Рисунок 3). Обычно указывается максимальный ток I max . потребляемый от источника и (или) средний (для потребителей постоянного тока) или действующий (для потребителей переменного тока) ток I.
Рисунок 3 – Диаграмма потребляемого тока i ( t ) от источника постоянного напряжения.
При протекании электрического тока от источника потребляется мгновенная мощность p ( t ) – величина, характеризующая скорость потребления электрической энергии [1], которая определяется формуле.
Когда знаки напряжения и тока совпадают, мощность положительна – в этом случае электрическая энергия передается от источника к потребителю. Когда знаки напряжения и тока противоположны, мощность отрицательна – в этом случае электрическая энергия передается (возвращается) от потребителя в источник электрической энергии (Рис. 4.
Рисунок 4 – Диаграммы потребляемого тока i ( t ) и мощности p ( t ) потребителей постоянного ( а ) и переменного ( б ) тока.
Среднюю потребленную мощность за произвольный интервал времени t 1 … t 2 можно определить по формуле.
Для цепей переменного тока, в качестве интервала времени выбирают период. В этом случае формула для определения мощности имеет следующий вид.
Как правило, потребители постоянного тока не используют режим, в котором возникает необходимость возврата в источник потребленной энергии, и в большинстве случаев мощность Р . потребляемая от источника, составляет.
где U – среднее значение напряжения, В, I – среднее значение тока, А.
Таким образом, для определения мощности, потребляемой от источника электрической энергии постоянного тока в схеме на рис. 1 достаточно измерить вольтметром значение напряжения и амперметром значение тока.
В цепях переменного тока, напряжение u ( t ) меняется с частотой сети, что приводит к аналогичным изменениям тока i ( t ). В идеальном случае форма потребляемого тока должна повторять форму напряжения с точностью до фазы (Рис. 6, а ). Однако в реальных устройствах существуют сдвиг фазы тока по отношению к напряжению, обусловленные наличием в потребителе реактивных компонентов (Рис. 6, б ), а также искажения формы тока, обусловленные наличием компонентов с нелинейными вольтамперными характеристиками (Рис 6, в.
Все это приводит к тому, что потребители переменного тока характеризуются тремя видами мощности.
Активная мощность , Р (Вт) – мощность, которая характеризует величину необратимых изменений электрической энергии [1]. Активная мощность характеризует полезную мощность, потребленную от источника электрической энергии, которая используется потребителем на выполнение своей непосредственной функции.
Рисунок 6 – Диаграммы потребляемого тока i ( t ) и мощности p ( t ) для потребителей переменного тока при активном характере нагрузки ( а ), при наличии реактивных элементов индуктивного характера ( б ), при наличии нелинейных компонентов ( в.
Реактивная мощность . Q (ВАР – Вольт-Ампер Реактивные) – величина, характеризующая нагрузки, создаваемые колебаниями (перемещениями) электрической энергии между источником и потребителем. Физический смысл реактивной мощности – это энергия, перекачиваемая от источника в реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний [1]. Реактивная мощность приводит к дополнительным потерям энергии при перекачке (в проводах, обмотках и т.д.), и требует использования более мощных источников электрической энергии. В среднем увеличение мощности распределительных устройств (трансформаторов, кабелей, распределительных щитов) в энергетике составляет приблизительно 20%. В связи с этим, уменьшение реактивной мощности потребителей переменного тока является важной задачей в энергосбережении.
Полная мощность . S (ВА – Вольт-Ампер) – кажущаяся мощность, потребляемая от источника с учетом активной и реактивной мощности. Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем источник, так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах [1.
Мощности в цепях переменного тока определяются по формулам.
где U – действующее значение напряжения, I – действующее значение тока, ? – угол сдвига между напряжением и током.
Полная мощность связана с активной и реактивной мощностью следующим соотношением.
Таким образом, аналогично цепям постоянного тока, в цепях переменного тока, измерив действующее напряжение U и действующий ток I мы сможем определить только полную мощность S . При этом фактическая потребленная мощность может оказаться значительно меньше (из-за колебаний энергии между источником и потребителем.
При синусоидальной форме тока (Рис. 6, б ) для определения реальной потребляемой мощности следует знать угол сдвига фазы между напряжением и током ? . При несинусоидальной форме (Рис. 6, в ) тока активная мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник [1.
На практике, для определения активной мощности используется коэффициент мощности (англ. Power factor) – параметр потребителя переменного тока, показывающий степень содержания активной потребляемой мощности в полной [2.
По величине коэффициента мощности мощно судить о качестве потребления электрической энергии. Чем он выше, тем меньше потерь энергии возникает при электроснабжении данного потребителя, тем, соответственно, выше его качество. Существуют следующие градации качества потребления электрической энергии по коэффициенту мощности.
0,95…1 – высокое.
0,85…0,95 – хорошее.
0,65…0,85 – удовлетворительное.
0,5…0,65 – низкое.
0…0,5 – неудовлетворительное.
Максимальная величина коэффициента мощности для различных типов потребителей регламентирована соответствующими нормативными документами [3, 4.
Для повышения коэффициента мощности в оборудование устанавливают специальные устройства – корректоры коэффициента мощности . Установка корректоров приводит к удорожанию оборудования, поэтому зачастую производители умалчивают реальное значение коэффициента мощности, не указывая его в списке параметров.
Параметры потребителей электрической энергии приведены в таблице 1. Для различных типов устройств приводится разное количество параметром. В спецификации, как правило, присутствует.
частота источника (для потребителей переменного тока.
номинальное напряжение или диапазон рабочих напряжений.
максимальный ток или номинальный ток или активная мощность или полная мощность.
коэффициент мощности (для потребителей переменного тока.
Если в спецификации оборудования значение коэффициента мощности отсутствует в расчетах можно использовать типовое значение для данного вида оборудования [5.
Таблица 1. – Параметры потребителей электрической энергии.
Определить полную, активную и реактивную мощности лампы накаливания, имеющую следующие параметры.
Номинальное напряжение – 230 В.
Мощность – 100 Вт.
Мощность в исходных данных приведена в Ваттах, следовательно, это активная мощность.
Поскольку коэффициент мощности в исходных данных не приведен, выбираем типовой коэффициент мощности для ламп накаливания [5.
Определить полную, активную и реактивную мощности светильника «Армстронг» в состав которого входит 4 люминесцентные лампы мощностью 18 Вт с дроссельным пускорегулирующим устройством.
Общая активная мощность, потребляемая лампами без учета потерь в пускорегулирующем устройстве.
где N л – количество ламп в светильнике, P л – мощность 1 лампы.
Поскольку коэффициент мощности в исходных данных не приведен, выбираем типовой коэффициент мощности для люминесцентных ламп с дроссельным пускорегулирующим устройством [5.
Определить полную, активную и реактивную мощности LCD монитора Asus VH192, имеющего следующие параметры.
диапазон рабочих напряжений – 100…240 В.
максимальный потребляемый ток – 1,2 А.
В состав монитора входит импульсный источник питания, который потребляет от источника требуемую мощность при любом напряжении источника. Следовательно, максимальный ток I max = 1,2 А будет потребляться от источника будет при минимальном напряжении U min = 100 В.
Полная мощность, потребляемая монитором.
Поскольку коэффициент мощности в исходных данных не приведен, выбираем типовой коэффициент мощности для мониторов [5.
Определить готовые затраты электрической энергии компьютерного класса из 15 компьютеров, работающего по 4 часа 5 дней в неделю.
Рабочее место в компьютерном классе содержит системный блок и монитор. Поскольку модели системного блока и монитора не указаны, примем типовые значения потребляемой мощности и коэффициента мощности для данных устройств [5.
Активная мощность, потребляемая компьютерным классом.
где N = 15 – количество рабочих мест в компьютерном классе.
Полная мощность, потребляемая компьютерным классом.
Реактивная мощность компьютерного класса.
Общее количество часов работы компьютерного класса в году t р.
где t дн = 4 – количество часов работы компьютерного класса в день, N дн = 5 – количество дней работы компьютерного класса в неделю, N нед = 365 / 7 ? 52 – количество недель в году.
Количество потребляемой электрической энергии в год.
Годовые затраты реактивной энергии.
3. European Committee for Electrotechnical Standardization. Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-2: Limits Limits for harmonic current emissions (equipment input current ?16 A per phase). EN 61000-3-2: 2005.
4. Електромагнітна сумісність. Частина 3-2. Норми. Норми на емісію гармонік струму (для сили вхідного струму обладнання не більше 16 А на фазу) (ІEC 61000-3-2:2005, ІDT.
