Поскольку напряжение и ток изменяются, то по отношению к переменному току можно говорить о мощности в данный момент, т. е. о мгновенной мощности.

Мгновенная мощность равна нулю в те моменты, когда равны нулю U или t. Мгновенная мощность положительна, когда направление напряжения и тока на нагрузке одинаковы, и отрицательна, когда U и i разных знаков.

Измерить мгновенную мощность относительно сложно. Поэтому для оценки энергетических соотношений в цепи переменного тока возьмем среднее значение мгновенной мощности за период. Эту величину называют активной мощностью.

Рассмотрим энергетические процессы в цепях переменного тока.

На рис. 1.9 приведены кривые напряжения, тока и мощности для такой цепи. Из графика видно, что мгновенная мощность всегда положительна. Это значит, что независимо от направления тока в цепи энергия передается всегда в одном направлении - от источника к потребителю, где электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии (тепло, механическую работу).

Кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности цепи с индуктивностью приведены на рис. 1.10. Из графика видно, что мгновенная мощность изменяется по синусоидальному закону с двойной частотой по сравнению с переменным током.

Рис. 1.9. Характеристики цепи с активным сопротивлением

Пока ток возрастает, мгновенная мощность положительна, т. е. энергия передается от источника к индуктивности. В это время происходит накапливание энергии в магнитном поле индуктивности. К концу первой четверти периода эта энергия достигает своего максимума.

Во второй четверти периода, когда ток убывает, мгновенная мощность отрицательна, т. е. вся энергия, запасенная магнитным полем индуктивности, возвращается назад к источнику.

Среднее значение мощности за период будет равно нулю. Следовательно, и активная мощность в такой цепи равна нулю. Ток в цепи не совершает работы, а обусловливается лишь колебаниями энергии между источником и магнитным полем индуктивности. Этот ток называется реактивным. Он бесполезно загружает источники энергии и провода линий передач.

В цепи с емкостью ток опережает напряжение на четверть периода.

В цепи с емкостью, так же как и в цепи с индуктивностью, мгновенная мощность изменяется с двойной частотой по отношению к току (рис. 1.11).

В этой цепи мощность положительна, т. е. энергия передается от источника к емкости, пока возрастает напряжение. В это время происходит накапливание энергии в электрическом поле между обкладками конденсатора. Во второй четверти периода, когда напряжение понижается, мощность отрицательна, так как емкость разряжается

Рис. 1.10. Характеристики цепи с индуктивностью на источник электроэнергии. За это время вся энергия, запасенная в электрическом поле между обкладками конденсатора, возвращается к источнику.

Среднее значение мощности за период равно нулю. В цепи будет протекать реактивный емкостной ток, обусловленный колебаниями энергии между источником и емкостью.

Большинство промышленных электрических цепей содержит активное сопротивление и индуктивность. В этом случае ток отстает от напряжения на некоторый угол. Величина этого угла зависит от соотношения активного и реактивного (индуктивного) сопротивлений цепи. Чем больше индуктивность цепи при одном и том же активном сопротивлении, тем на больший угол ток отстает от напряжения.

Последняя формула для активной мощности является общей, и она справедлива при наличии сдвига фаз между током и напряжением, вызванного любой причиной.

Электрические машины и аппараты конструируют для работы при определенных значениях тока и напряжения. Поэтому некоторые из них характеризуются не активной мощностью, зависящей от

Рис. 1.11. Характеристики цепи с емкостью сдвига фаз ф между напряжением и током, а полной мощностью S, которая определяется по формуле

S-UxI,

где U - действующее значение напряжения, В, I - действующее значение тока, А.

Очевидно, что полная мощность равна наибольшему значению активной мощности, которую можно получить при заданных напряжении и токе (cos (р= 1).

Размерность полной и активной мощностей одинаковая. Однако единицу измерения полной мощности называют вольт-ампер (ВА), чтобы было ясно, что речь идет именно о полной, а не активной мощности.

Эта мощность положительна при отстающем токе и отрицательна при опережающем токе. Ток отстает от напряжения в цепях с индуктивностью, а опережает в цепях с емкостью. Поэтому реактивная мощность, потребляемая индуктивностью, будет положительной, а потребляемая емкостью - отрицательной. Тогда отдаваемая индуктивностью реактивная мощность будет отрицательной, а отдаваемая емкостью - положительной. Следовательно, индуктивность можно рассматривать как потребитель реактивной мощности, а емкость - как ее генератор. Источники могут либо отдавать, либо потреблять реактивную мощность. Так, источник, питающий индуктивность, отдает реактивную мощность, а источник, питающий емкость, потребляет ее.

Свойство емкости вырабатывать реактивную энергию используется на практике. Чтобы не загружать источники и провода линий электропередачи реактивной энергией, необходимой для потреби телей с индуктивной нагрузкой, на зажимах потребителя подключаются батареи конденсаторов.

Единица измерения реактивной мощности называется вольт-ампер реактивный (вар).

Коэффициент мощности

Величина, равная отношению активной мощности к полной, называется коэффициентом мощности (cos <р). Эта величина показывает, какую часть вырабатываемой мощности можно передать электроприемнику в виде активной мощности. В общем случае она меньше 1. Чем выше коэффициент мощности, тем эффективнее используются электрические установки.

На величину коэффициента мощности наибольшее влияние оказывают асинхронные двигатели и трансформаторы. Величина коэффициента мощности асинхронных двигателей зависит от степени их загрузки. При недогрузках асинхронного двигателя cos ф значительно снижается. Неполная нагрузка трансформаторов также снижает коэффициент мощности.

Низкий коэффициент мощности приводит к необходимости увеличения полной мощности генераторов и трансформаторов для выработки и передачи одной и той же активной мощности, понижению напряжения в сети, увеличению сечения проводников и большим потерям энергии. Поэтому во всех звеньях энергосистемы проводятся мероприятия по повышению коэффициента мощности. К ним относятся:

• правильный выбор асинхронных двигателей по мощности и типу;

• замена слабозагруженных асинхронных электродвигателей двигателями меньшей мощности;

• переключение обмотки статора незагруженных асинхронных двигателей с треугольника на звезду;

• установка ограничителей холостого хода станков;

• замена незагруженных трансформаторов трансформаторами меньшей мощности;

• качественный ремонт электрооборудования;

• установка специальных компенсирующих устройств (косинусные конденсаторы, синхронные двигатели в режиме перевозбуждения, фазокомпенсаторы).