Um die Strombelastung von Verbrauchern richtig berechnen zu können, müssen Sie wissen, welche Arten von Spannungsempfängern es gibt. Was sind Wirk-, Blind- und Linienlasten? Machtdreieck. Was ist Einschaltstrom? Schauen wir uns das alles der Reihe nach an.

Zu den Spannungsempfängern zählen alle Geräte, die an Spannungsquellen angeschlossen sind. Dazu gehören: elektrischer Ventilator, Elektroherd, Waschmaschine, Computer, Fernseher, Elektromotor, Haushaltselektrowerkzeuge und andere elektrische Verbraucher.
In Wechselstromkreisen werden Lasten in aktive, reaktive und nichtlineare Lasten unterteilt. In Ketten Gleichstrom Eine Einteilung in Lastarten erfolgt nicht.

Aktive Last

Zu den Geräten mit aktiven Lasten zählen Heizgeräte (Bügeleisen, Elektroherde, Glühlampen, Wasserkocher). Solche Geräte erzeugen Wärme und Licht. Sie enthalten keine Induktivität oder Kapazität. Eine ohmsche Last wandelt elektrische Energie in Licht und Wärme um.

Eine Blindlast enthält Kapazität und Induktivität. Diese Parameter haben die Qualität, Energie zu sammeln und sie dann an das Netzwerk zu senden. Ein Beispiel wäre ein Elektromotor, ein elektrischer Fleischwolf, ein Haushaltsgerät (Staubsauger, Küchenmaschine). Also alle Geräte, die Elektromotoren enthalten.

Kapazitätsdreieck

Um die Blindlast zu verstehen, betrachten Sie das Leistungsdreieck.

wobei P die Wirkleistung ist, die in Watt gemessen wird und zur Verrichtung nützlicher Arbeit verwendet wird;

Q – reaktiv, wird in Vars gemessen und zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes verwendet;

S – Gesamtleistung wird zur Berechnung elektrischer Schaltkreise verwendet.

Um die Gesamtleistung zu berechnen, verwenden wir den Satz des Pythagoras: S 2 =P 2 +Q 2. Oder verwenden Sie die Formel: S=U*I, wobei U der Spannungswert an der Last ist, I der Wert des Amperemeters, das in Reihe mit der Last geschaltet ist. Bei den Berechnungen wird auch der Leistungsfaktor cosφ verwendet. Bei Geräten, die sich auf Blindlasten beziehen, werden in der Regel Wirkleistung und cosφ angegeben. Mit diesen Parametern können Sie auch die volle Leistung abrufen.

Manchmal zeigen Geräte die Gesamtleistung an, cosφ wird jedoch nicht angezeigt. In diesem Fall wird ein Koeffizient von 0,7 angewendet.

Nichtlineare Belastung

Es hat die Besonderheit, dass Spannung und Strom nicht proportional sind. Zu den nichtlinearen Lasten gehören Fernseher, Musikzentren, Desktop elektronische Uhr, Computer und ihre Komponenten. Die Nichtlinearität selbst ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass dieses elektronische Gerät Schaltnetzteile verwendet. Um die Kondensatoren im Schaltnetzteil aufzuladen, reicht die Spitze einer Sinuswelle aus.

In der restlichen Zeit verbraucht der Kondensator keine Energie aus dem Netz. In diesem Fall hat der Strom Impulsqualität. Wozu führt das alles? Dadurch wird die Sinuswelle verzerrt. Aber nicht alle elektronische Geräte Arbeiten Sie mit einer verzerrten Sinuskurve. Dieses Problem wird durch den Einsatz von Doppelwandlungsstabilisatoren gelöst, bei denen die Netzspannung in eine konstante Leistung umgewandelt wird. Anschließend wird es von einer Konstanten in eine Variable mit der gewünschten Form und Amplitude umgewandelt.

Anlaufstrom

Bei der Berechnung müssen die Anlaufströme des Gerätes berücksichtigt werden. Beispielsweise ist der Widerstand des Glühfadens einer Glühbirne im Moment des Einschaltens zehnmal geringer als im Betriebsmodus. Daher ist der Startstrom dieser Glühbirne 10-mal höher. Nach einiger Zeit beginnt sie, den in den Daten dieser Glühbirne aufgezeichneten Strom zu verbrauchen. Daher brennt es beim Einschalten aufgrund hoher Einschaltströme durch.

In elektronischen Geräten entsteht bis zum Laden des Kondensators im Netzteil auch ein Einschaltstrom.

Auch bei Elektromotoren wird ein Anlaufstrom erzeugt, bis der Motor die Nenndrehzahl erreicht.

Bei Heizgeräten wird ein Anlaufstrom erzeugt, bis sich die Spule auf die Bereitschaftstemperatur erwärmt.

Wie in der allgemeinen Theorie der Schwingungsbewegungen sind Vektordiagramme auch in der Theorie der Wechselströme von großem Nutzen. Offensichtlich ist das sinusförmig variierend elektromotorische Kraft

kann als Projektion eines mit Winkelgeschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn rotierenden Vektors auf die Ordinatenachse dargestellt werden, dessen Länge gleich und ist Ausgangsstellung die im Moment mit der x-Achse zusammenfiel.

Stellen wir uns die Frage, wie der Strom, der unter dem Einfluss einer sinusförmigen elektromotorischen Kraft durch eine Spule mit Induktivität fließt, in einem Vektordiagramm dargestellt wird

Reis. 341. Vektordiagramm für den Fall des induktiven Widerstands.

Reis. 342. Vektordiagramm für den Fall der Kapazität.

Wir haben gesehen, dass der Strom in diesem Fall der Spannung um eine Viertelperiode nacheilt. Eine Verzögerung von einer Viertelperiode wird in einem Vektordiagramm durch eine Verzögerung des Stromvektors um dargestellt. Somit steht der Vektor des „induktiven“ Stroms senkrecht zum Spannungsvektor (Abb. 341) und eilt ihm um hinterher 90. Die Größe dieses Vektors

Wenn wir es mit dem Durchgang von Wechselstrom durch einen Kondensator zu tun haben, dann eilt der Strom der elektromotorischen Kraft um ein Viertel der Periode voraus. Das bedeutet, dass der Vektor, der den „kapazitiven“ Strom darstellt, dem Spannungsvektor um vorauseilen muss (Abb. 342). Die Größe dieses Vektors wird, wie wir oben gesehen haben, durch die Beziehung bestimmt

Bei aktivem ohmschen Widerstand ist der Strom phasengleich mit der Spannung. Das bedeutet, dass der Stromvektor in seiner Richtung mit dem Spannungsvektor übereinstimmt. Seine Größe wird natürlich durch das Ohmsche Gesetz bestimmt.

Der Strom, dessen Vektor mit dem Spannungsvektor übereinstimmt, wird Wirkstrom genannt. Ströme, deren Vektoren dem Spannungsvektor nacheilen oder voreilen, werden Blindströme genannt. Die Wahl dieses Namens erklärt sich aus der Tatsache, dass es die Wirkströme sind, die die Leistungsaufnahme des Wechselstromkreises bei der Erregung bestimmen Wirkstrom(d. h. ein Strom, der der Spannung nacheilt oder ihr um eine Viertelperiode vorauseilt), verbraucht der Generator während jedes Viertels der Periode die gleiche Energiemenge, die dieser Blindstrom im nächsten Viertel der Periode an die Spannung zurückgibt Generator (siehe Abb. 337); Als Ergebnis stellt sich heraus, dass der Blindstrom keine Arbeit leistet.

Allgemeiner gesagt: Wenn die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung durch den Winkel (im Bogenmaß) bestimmt wird, ist die vom Wechselstrom über eine ganze (oder halbzahlige) Anzahl von Perioden geleistete Arbeit proportional zu

Lassen Sie den Strom tatsächlich um einen Winkel hinter der Spannung zurückbleiben

Dann wird die vom Strom über einen Zeitraum geleistete Arbeit durch das Integral bestimmt

und die durchschnittliche vom Strom verbrauchte Leistung wird durch das Verhältnis dieser Arbeit zur Dauer der Periode bestimmt:

Wenn Sie die Effektivwerte von Strom und Spannung eingeben, dann

Wenn also bei reinen Blindströmen die über den Stromkreis vom Generator zur Last übertragene Leistung im Mittel Null ist.

Für alle gegebenen Spannungs- und Stromwerte gilt: Je kleiner die Phasendifferenz zwischen ihnen und dementsprechend näher an Eins, desto größer ist die vom Strom vom Generator an die Last übertragene Leistung; daher Leistungsfaktor der Schaltung genannt.

In vielen Fällen sind Blindströme erforderlich. Wenn wir also einen Elektromagneten mit Wechselstrom versorgen, der beispielsweise zum Heben von Eisengegenständen bestimmt ist, dann verbraucht die Spule des Elektromagneten, die im Idealfall einen rein induktiven Widerstand darstellt, einen Blindstrom aus dem Netz, der der Netzspannung um nacheilt

In den meisten Fällen, insbesondere bei der Speisung von Transformatoren, die der Umwandlung von Wechselspannungen dienen, kommt es jedoch auf den Wirkstrom an, der bei Belastung der Sekundärwicklung des Transformators entsteht (§ 84). Der Blindstrom, der zur Erzeugung eines Magnetfelds im Transformatorkern erforderlich ist, ist im Wesentlichen Hilfsstrom; es bringt direkt keine nützliche Arbeit hervor.

Nehmen wir an, dass, wie so oft, eine große Anzahl von Transformatoren an das Netz angeschlossen sind. Jeder von ihnen zieht einen bekannten Blindstrom, um ein Kernmagnetfeld zu erzeugen. Dadurch wird der Leistungsfaktor der Anlage deutlich verschlechtert.

Es ist jedoch möglich, die Übereinstimmung des Stromvektors mit dem Spannungsvektor zu erreichen, indem man sich das Phänomen der Resonanz zunutze macht (§ 83). Dazu beziehen sie neben Transformatoren auch die Kapazität C in das Netz ein und wählen diese so aus, dass ihr Blindstrom gleich dem Gesamtblindstrom der Transformatoren ist.

Dann fließt im Außenkreis nur Wirkstrom, während sich die Blindströme der Transformatoren und Kondensatoren gegenseitig kompensieren. Sie zirkulieren nur im Stromkreis: Kapazität - Wicklungen von Transformatoren, ohne in das Versorgungsnetz und den Generator des Kraftwerks einzudringen. Für die Versorgungsleitung und den Kraftwerksgenerator sind die Betriebsbedingungen am günstigsten.

Dieses Ereignis hat erhebliche wirtschaftliche Bedeutung. Es ist völlig klar, dass Kraftwerke und Stromleitungen, die nicht mit nutzlosem Blindstrom belastet werden, stärker mit Wirkströmen belastet werden können.

Es ist zu beachten, dass die Idee eines Blindstroms als Strom, dessen Phase relativ zur Spannung verschoben ist und der daher im Durchschnitt keine Arbeit erzeugt und nicht mit einer Energiedissipation (zur Erwärmung der Drähte) einhergeht, von Natürlich handelt es sich um eine Idealisierung (schematische Vereinfachung) der in der Realität ablaufenden Vorgänge beim Durchgang von Wechselstrom durch Spulen oder Kondensatoren. Die Schlussfolgerung, dass die Phasen der Ströme, die durch eine Spule oder einen Kondensator fließen, sich um 90° von der Phase der Spannung unterscheiden, wäre nur dann richtig, wenn der Durchgang dieser Ströme nicht mit einer Erwärmung der Drähte und anderen Verlusten verbunden wäre (wie in angenommen wurde). den vorherigen Absatz). Aber der Strom, der durch die Spule fließt, unterscheidet sich in Bezug auf die Erwärmung der Drähte, die gemäß dem Joule-Lenz-Gesetz auftritt, nicht vom aktiven Strom derselben Frequenz (und wann). Hochfrequenz Der Widerstand der Spulenwicklung aufgrund des Skin-Effekts kann erheblich sein.

Darüber hinaus wird ein Teil der Stromenergie aufgrund von Hystereseverlusten im Spulenkern (falls vorhanden) und Foucault-Strömen in umgebenden Leitern, beispielsweise in Metall-„Abschirmungen“, in denen Funkspulen platziert sind, dissipiert. Stromlecks können auch aufgrund einer mangelhaften Isolierung usw. auftreten. Stromenergieverluste, die jedoch normalerweise geringer sind als bei Spulen, werden auch beobachtet, wenn Strom durch Kondensatoren fließt. In diesem Fall werden sie hauptsächlich durch eine gewisse Zeitverzögerung gegenüber der Polarisationsfeldstärke des Dielektrikums (in dem Teil davon, der davon beeinflusst wird) verursacht

Einfluss der molekular-thermischen Bewegung) sowie manchmal durch das Vorhandensein kleiner Ionenleitungsströme im Dielektrikum des Kondensators.

Aufgrund von Verlusten ist der Strom durch eine Spule oder einen Kondensator niemals rein reaktiv, das heißt, seine Phasenverschiebung relativ zur Spannung ist nie genau gleich und liegt immer unter einem Winkel, der als Verlustnadel bezeichnet wird. Unter Spannungseinfluss müsste ein reiner Blindstrom mit einer Amplitude durch eine ideale Spule fließen – und zwar, wie am Ende des nächsten Absatzes (in Form einer Erläuterung des dort abgeleiteten verallgemeinerten Ohmschen Gesetzes) gezeigt wird, Es wird ein Strom angeregt, dessen Amplitude durch Verluste auf den Wert dieses tatsächlichen Stroms durch die Spule reduziert ist, der die Summe aus Wirkstrom und Blindstrom darstellt, die aufgrund von Verlusten entstehen

wobei die Amplitude auf den in Abb. gezeigten Wert abnimmt. 343. Nach Abb. 343

Reis. 343. Aufgrund von Verlusten wird die Amplitude des Stroms durch die Spule auf einen Wert reduziert und die Amplitude des Blindstroms wird auf einen Wert reduziert, bei dem es sich um den Verlustwinkel handelt.

Für den Strom durch den Kondensator gelten ähnliche Zusammenhänge und das gleiche Diagramm. Da der Wirkstrom ein Strom ist, dessen Phase mit der Spannung übereinstimmt, ist es offensichtlich, dass die Verlustleistung aufgrund von Verlusten gleich ist. Die gleiche Leistung wird in einem Stromkreis verbraucht, der aus einer idealen Spule mit derselben Induktivität und einem gewissen in Reihe geschalteten Widerstand besteht damit (Verlustwiderstand genannt), wenn dieser Widerstand genau aus der Bedingung der Verlustleistungsgleichheit bestimmt wird:

Wie oben erwähnt,

Deshalb stellt sich heraus, dass

Wenn wir diesen Wert der Wirkstromamplitude in den obigen Ausdruck für den Tangens des Verlustwinkels einsetzen, gelangen wir zu der Formel, die bei der Analyse des Einflusses von Verlusten auf den Wechselstrommodus in Stromkreisen als die wichtigste gilt:

Aus der Bedeutung der Herleitung dieser Formel wird deutlich, dass ein ähnlicher Zusammenhang auch für den Verlustfaktor in einem Stromkreis mit einem Kondensator gilt

Bei funktechnischen Berechnungen wird häufig der Kehrwert des Verlustfaktors verwendet, der als Gütefaktor des Stromkreises bezeichnet wird (siehe Seiten 460 und 485):

Verluste in großen Induktivitätsspulen hängen stark von der Konstruktion und den magnetischen Eigenschaften des Kerns sowie der Konstruktion der Wicklung ab. Bei richtiger Auslegung sollten Verluste im Kern und in der Wicklung (nicht gleichermaßen frequenzabhängig) möglichst ausgeglichen werden.

Um Verluste durch Foucault-Ströme zu reduzieren, werden die Kerne aus dünnen Transformatoreisenblechen (0,5–0,35 mm dick) zusammengesetzt und mit einer dünnen (0,05 mm) Lackschicht überzogen, um sie voneinander zu isolieren. Die Verluste in solchen Kernen betragen etwa pro Kilogramm Kernmasse. Der Querschnitt der Drähte wird unter Berücksichtigung der Erhöhung ihres Widerstands aufgrund des Skin-Effekts so gewählt, dass im Betrieb die Verluste in der Wicklung ungefähr den Verlusten im Kern entsprechen. Die Gesamtverluste im Kern und in der Wicklung von Hochleistungstransformatoren (ca. 3–4 % und bei Hochleistungstransformatoren (ca. einige Zehntel Prozent))

Die Verluste in kleinen Labortransformatoren und in „Leistungs“-Transformatoren, die in Funkgeräten verwendet werden, betragen normalerweise nicht weniger als 10–12 % (normalerweise etwa 10–12 %). Ein noch größerer Teil der Leistung (normalerweise 30 %) wird kompensiert von Verlusten in Drosseln und Transformatoren von Tonfrequenzverstärkern. Primär besteht die Wicklung von Transformatoren für Tonfrequenzströme aus 2000–5000 Windungen und weist eine Induktivität auf

Die Spulen von Hochfrequenz-Resonanzkreisen haben eine Induktivität in der Größenordnung von Tausendstel (und bei Kurzwellen Millionstel) Henry. Diese Induktivität wird durch eine relativ kleine Anzahl von Drahtwindungen ohne ferromagnetischen Kern erzeugt. In dieser Hinsicht sind die Verluste in Hochfrequenzspulen gering – etwa 1 % (Verlustfaktor – von 0,02 bis 0,005).

Verluste in Kondensatoren (mit Ausnahme von Elektrolytkondensatoren) überschreiten normalerweise nicht den Verlustfaktor, der dem Verlustfaktor entspricht. Bei Elektrolytkondensatoren kann der Verlustfaktor 0,2 erreichen.

Unter den besten Isolatoren (mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von Ohm-cm) zeichnen sich folgende durch ihren niedrigsten Verlustfaktor aus: Quarzglas, Glimmer-Muskovit, Paraffin und Polystyrol; für sie

Ich habe im Internet Energiespargeräte gesehen, die, wie ich verstanden habe, einfach an die Steckdose angeschlossen werden, die dem Zähler am nächsten liegt. Hat es jemand benutzt? Sparen sie wirklich Energie? Und sie schreiben auch, dass sie die Qualität des Stroms verbessern und so Schäden an Elektrogeräten verhindern. Ich würde gerne Feedback hören.

Bei der Berechnung der elektrischen Leistung, die von elektrischen oder elektrischen Geräten verbraucht wird HaushaltsgerätÜblicherweise wird die sogenannte Gesamtleistung des elektrischen Stroms berücksichtigt, der im Stromkreis einer bestimmten Last eine bestimmte Arbeit verrichtet. Der Begriff „Scheinleistung“ bezeichnet die gesamte Leistung, die von einem Elektrogerät verbraucht wird, und umfasst sowohl einen Wirkanteil als auch einen Blindanteil, der wiederum durch die Art der im Stromkreis verwendeten Last bestimmt wird. Die Wirkleistung wird immer in Watt (W) gemessen und angegeben, während die Scheinleistung normalerweise in Voltampere (VA) angegeben wird. Verschiedene Geräte - Verbraucher elektrische Energie kann in Stromkreisen betrieben werden, die sowohl aktive als auch reaktive Komponenten des elektrischen Stroms enthalten.

Die aktive Komponente des von jeder Last verbrauchten elektrischen Stroms macht aus nützliche Arbeit und wird in die Energiearten umgewandelt, die wir benötigen (Wärme, Licht, Schall usw.).
Einige Elektrogeräte werden hauptsächlich mit dieser Stromkomponente betrieben. Dies sind Glühlampen, Elektroherde, Heizgeräte, Elektroöfen, Bügeleisen usw.

Der Blindanteil des elektrischen Stroms kommt nur in Stromkreisen vor, die reaktive Elemente (Induktivität und Kapazität) enthalten, und wird normalerweise für die nutzlose Erwärmung der Leiter, aus denen dieser Stromkreis besteht, aufgewendet. Ein Beispiel für solche Blindlasten sind Elektromotoren verschiedene Arten, tragbare Elektrowerkzeuge (elektrische Bohrmaschinen, Schleifmaschinen, Mauernutfräsen usw.) sowie verschiedene elektronische Haushaltsgeräte. Die Gesamtleistung dieser Geräte, gemessen in Voltampere, und die Wirkleistung (in Watt) stehen in Beziehung zueinander über den Leistungsfaktor cosφ, der einen Wert zwischen 0,5 und 0,9 annehmen kann. Diese Geräte geben normalerweise die Wirkleistung in Watt und den Wert des cosφ-Koeffizienten an. Um den Gesamtstromverbrauch in VA zu ermitteln, ist es notwendig, den Wirkleistungswert (W) durch den cosφ-Koeffizienten zu dividieren.

Beispiel: Wenn auf einer elektrischen Bohrmaschine ein Leistungswert von 600 W angegeben ist und cosφ = 0,6, dann beträgt die Gesamtleistungsaufnahme des Geräts 600/0,6 = 1000 VA. Da keine Daten zum cosφ vorliegen, können Sie dessen ungefähren Wert annehmen, der für ein Haushaltselektrowerkzeug etwa 0,7 beträgt.

Wenn wir uns mit der Frage der aktiven und reaktiven Komponenten des Stroms (genauer gesagt seiner Leistung) befassen, meinen wir normalerweise die Phänomene, die in Wechselstromkreisen auftreten. Es stellte sich heraus, dass sich verschiedene Lasten in Wechselstromkreisen völlig unterschiedlich verhalten. Einige Lasten nutzen die an sie übertragene Energie für den vorgesehenen Zweck (d. h. zur Verrichtung nützlicher Arbeit), während ein anderer Lasttyp diese Energie zunächst speichert und sie dann an die Stromquelle zurückgibt.

Aufgrund ihres Verhaltens in Wechselstromkreisen werden verschiedene Verbraucher in die folgenden zwei Typen unterteilt:

1. Der aktive Lasttyp absorbiert die gesamte von der Quelle empfangene Energie und wandelt sie in nützliche Arbeit um (z. B. Licht von einer Lampe), und die Form des Stroms in der Last wiederholt genau die Form der Spannung an ihr ( es gibt keine Phasenverschiebung).

2. Der reaktive Lasttyp zeichnet sich dadurch aus, dass er zunächst (über einen bestimmten Zeitraum) die von der Stromquelle gelieferte Energie akkumuliert. Anschließend wird die gespeicherte Energie (über einen bestimmten Zeitraum) an diese Quelle zurückgegeben. Zu diesen Lasten gehören elektrische Schaltungselemente wie Kondensatoren und Induktivitäten sowie Geräte, die diese enthalten. Darüber hinaus gibt es bei einer solchen Last eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen Spannung und Strom. Da das Hauptziel bestehende Systeme Bei der Stromversorgung handelt es sich um die nützliche Lieferung von Strom vom Erzeuger direkt zum Verbraucher (anstatt ihn hin und her zu pumpen) – die Blindleistungskomponente wird normalerweise als schädliche Eigenschaft des Stromkreises angesehen.

Verluste an der Blindkomponente im Netzwerk stehen in direktem Zusammenhang mit dem oben diskutierten Wert des Leistungsfaktors, d. h. Je höher der cosφ des Verbrauchers ist, desto geringer sind die Leistungsverluste in der Leitung und desto günstiger ist die Stromübertragung zum Verbraucher.
Der Leistungsfaktor gibt also Auskunft darüber, wie effizient die Betriebsleistung der Stromquelle genutzt wird. Um den Leistungsfaktor (cosφ) zu erhöhen, werden in allen Arten von Elektroinstallationen spezielle Kompensationstechniken eingesetzt Blindleistung.
Um den Leistungsfaktor zu erhöhen (durch Verringerung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung - Winkel φ), werden in der Regel spezielle Kompensationsgeräte in das Betriebsnetz einbezogen, bei denen es sich um Hilfsgeneratoren für führenden (kapazitiven) Strom handelt.
Darüber hinaus werden zum Ausgleich von Verlusten, die durch die induktive Komponente des Stromkreises entstehen, sehr oft Kondensatorbänke verwendet, die parallel zur Arbeitslast geschaltet und als Synchronkompensatoren verwendet werden.

Momentanleistung P ein beliebiger Abschnitt des Stromkreises, dessen Spannung und Strom je nach Gesetz variieren u=U m sin( T), ich = ich m sin( T-), sieht aus wie

p=ui=U m sin( T)ICH m sin( T- )= U M ICH m/2 =

= Uich cos - Benutzeroberfläche cos(2 T-) = (Benutzeroberfläche cos – Benutzeroberfläche cos cos2 T)– Benutzeroberfläche sin sin2 T. (1)

Wirkleistung des Wechselstromkreises P als Durchschnitt definiert MomentanleistungP(T) für den Zeitraum:

da der Durchschnittswert der harmonischen Funktion über den Zeitraum 0 ist.

Daraus folgt, dass die mittlere Leistung über einen Zeitraum vom Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom abhängt und ungleich Null ist, wenn ein Abschnitt des Stromkreises einen aktiven Widerstand aufweist. Letzteres erklärt seinen Namen  Wirkleistung. Wir betonen noch einmal, dass es beim aktiven Widerstand zu einer irreversiblen Umwandlung elektrischer Energie in andere Energiearten, beispielsweise in thermische Energie, kommt. Wirkleistung kann als die durchschnittliche Energiezufuhrmenge in einen Abschnitt eines Stromkreises über einen bestimmten Zeitraum definiert werden. Die Wirkleistung wird in Watt (W) gemessen.

Blindleistung

Bei der Berechnung elektrischer Schaltkreise werden die sogenannten reaktiv Leistung. Sie charakterisiert die Prozesse des Energieaustauschs zwischen reaktiven Elementen des Stromkreises und Energiequellen und ist numerisch gleich der Amplitude der variablen Komponente der Momentanleistung des Stromkreises. Dementsprechend lässt sich aus (1) die Blindleistung ermitteln als

Q = Benutzeroberfläche Sünde.

Je nach Vorzeichen des Winkels  kann die Blindleistung positiv oder negativ sein. Die Einheit der Blindleistung wird zur Unterscheidung von der Einheit der Wirkleistung nicht Watt, sondern Voltampere Blindleistung genannt. Die Blindleistungen induktiver und kapazitiver Elemente sind gleich den Amplituden ihrer Momentanleistungen P Land P C. Unter Berücksichtigung der Widerstände dieser Elemente sind die Blindleistungen von Induktor und Kondensator gleich Q L= Benutzeroberfläche=X L ICH 2 und Q C= Benutzeroberfläche=X C ICH 2 bzw.

Die resultierende Blindleistung eines verzweigten Stromkreises ergibt sich als algebraische Summe der Blindleistungen der Schaltungselemente unter Berücksichtigung ihrer Beschaffenheit (induktiv oder kapazitiv): Q=Q L – Q S. Hier Q L ist die gesamte Blindleistung aller induktiven Elemente des Stromkreises und Q C stellt die gesamte Blindleistung aller kapazitiven Elemente im Stromkreis dar.

Volle Kraft

Neben der Wirk- und Blindleistung wird ein Sinusstromkreis durch die Gesamtleistung charakterisiert, die mit dem Buchstaben bezeichnet wird S. Unter der Gesamtleistung eines Abschnitts versteht man die maximal mögliche Wirkleistung bei gegebener Spannung U und aktuell ICH. Es ist offensichtlich, dass die maximale Wirkleistung bei cos = 1 erreicht wird, also ohne Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom:

S = Benutzeroberfläche

Die Notwendigkeit, diese Leistung einzuführen, erklärt sich dadurch, dass bei der Auslegung elektrischer Geräte, Apparate, Netze etc. diese auf eine bestimmte Nennspannung ausgelegt werden U Bemessungs- und definierter Bemessungsstrom ICH nom und ihre Arbeit U nom ICH nom = S nom gibt die maximal mögliche Leistung dieses Geräts an (die Gesamtleistung S nom ist im Pass der meisten Wechselstromgeräte angegeben). Um die Gesamtleistung von anderen Leistungen zu unterscheiden, wird die Maßeinheit Voltampere genannt und mit VA abgekürzt. Die Gesamtleistung ist numerisch gleich der Amplitude des variablen Anteils der Momentanleistung.

Aus den oben genannten Beziehungen können Sie die Beziehung zwischen verschiedenen Kräften ermitteln:

P = S cos, Q= S Sünde, S= Benutzeroberfläche=

und drücken Sie den Phasenwinkel durch Wirk- und Blindleistung aus:

.

Betrachten wir eine einfache Technik, mit der Sie die Wirk- und Blindleistung eines Stromkreisabschnitts anhand komplexer Spannungen und Ströme ermitteln können. Es besteht darin, das Produkt der komplexen Spannung zu nehmen und aktuell , komplex konjugierter Strom der betrachtete Abschnitt der Schaltung. Der Vorgang der komplexen Konjugation besteht darin, das Vorzeichen vor dem Imaginärteil einer komplexen Zahl in das entgegengesetzte zu ändern oder das Vorzeichen der Phase einer komplexen Zahl zu ändern, wenn die Zahl in Exponentialform dargestellt wird. Als Ergebnis erhalten wir eine Menge namens volle integrierte Leistung und ist bezeichnet . Wenn
, dann erhalten wir für die gesamte komplexe Potenz:

Daraus lässt sich erkennen, dass Wirk- und Blindleistung den Real- bzw. Imaginärteil der Gesamtkomplexleistung darstellen. Um das Auswendiglernen aller Formeln im Zusammenhang mit Kapazitäten zu erleichtern, ist in Abb. 7, B(S. 38) Es wurde ein Machtdreieck konstruiert.

Wirk- und Blindleistung sind Verbraucher elektrischer Energie, um diese Energie zu verbrauchen. Der Verbraucher ist an der Energie interessiert, deren Verbrauch ihm nützt; diese Energie kann man als nützlich bezeichnen, in der Elektrotechnik wird sie jedoch üblicherweise als aktiv bezeichnet. Dabei handelt es sich um die Energie, die zum Heizen von Räumen, zum Garen von Speisen und zur Kälteerzeugung verwendet und in mechanische Energie umgewandelt wird (Betrieb von Bohrmaschinen, Bohrhämmern, Elektropumpen usw.).

Neben Wirkstrom gibt es auch Blindstrom. Dies ist der Teil der Gesamtenergie, der nicht für nützliche Arbeit aufgewendet wird. Wie aus dem oben Gesagten deutlich wird, ist die Gesamtleistung die Wirk- und Blindleistung als Ganzes.

In den Konzepten von Wirk- und Blindleistung kollidieren die Interessen von Verbrauchern elektrischer Energie und deren Lieferanten. Für den Verbraucher ist es vorteilhaft, nur den von ihm verbrauchten Nutzstrom zu bezahlen, während es für den Lieferanten vorteilhaft ist, die Menge an Wirk- und Blindstrom vergütet zu bekommen. Können diese scheinbar widersprüchlichen Anforderungen miteinander in Einklang gebracht werden? Ja, wenn Sie die Blindstrommenge auf Null reduzieren. Überlegen wir, ob das möglich ist und wie nah man dem Ideal kommen kann.

Wirk- und Blindleistung

Wirkleistung

Es gibt Stromverbraucher, deren Gesamt- und Wirkleistung gleich sind. Dies sind Verbraucher, deren Last dargestellt wird durch aktive Widerstände(Widerstände). Beispiele für eine solche Belastung unter den elektrischen Haushaltsgeräten sind Glühlampen, Elektroherde, Bratschränke und Öfen, Heizgeräte, Bügeleisen, Lötkolben usw.

Im Reisepass dieser Geräte sind sowohl Wirk- als auch Blindleistung angegeben. Dies ist dann der Fall, wenn die Lastleistung mit der aus dem Schulphysikkurs bekannten Formel ermittelt werden kann, indem man den Laststrom mit der Spannung im Netz multipliziert. Der Strom wird in Ampere (A), die Spannung in Volt (V) und die Leistung in Watt (W) gemessen. Ein Elektroherdbrenner in einem Netz mit einer Spannung von 220 V bei einem Strom von 4,5 A verbraucht Strom 4,5 x 220 = 990 (W).

Blindleistung

Wenn man die Straße entlanggeht, sieht man manchmal, dass das Glas der Balkone von innen mit einer glänzenden dünnen Folie bedeckt ist. Dieser Film wurde von defekten elektrischen Kondensatoren entfernt, die für bestimmte Zwecke in Umspannwerken installiert waren, die leistungsstarke Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Ein Kondensator ist ein typischer Verbraucher von Blindleistung. Im Gegensatz zu aktiven Stromverbrauchern, bei denen das Hauptkonstruktionselement ein bestimmtes elektrisch leitfähiges Material ist (Wolframleiter in Glühlampen, Nichromspirale in einem Elektroherd usw.). Das Hauptelement eines Kondensators ist nicht leitend elektrischer Strom(dünner Polymerfilm oder ölimprägniertes Papier).

Blindleistung kapazitiv

Die schönen glänzenden Folien, die Sie auf dem Balkon gesehen haben, sind Kondensatorauskleidungen aus leitfähigem, dünnem Material. Das Besondere am Kondensator ist, dass er elektrische Energie speichern und dann wieder abgeben kann – eine Art Batterie. Wenn Sie einen Kondensator an ein Gleichstromnetz anschließen, wird dieser mit einem kurzzeitigen Stromimpuls aufgeladen und es fließt dann kein Strom mehr durch ihn. Sie können den Kondensator in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzen, indem Sie ihn von der Spannungsquelle trennen und eine Last an seine Platten anschließen. Für einige Zeit fließt elektrischer Strom durch die Last, und ein idealer Kondensator liefert genau so viel elektrische Energie an die Last, wie er beim Laden aufgenommen hat. Eine an die Anschlüsse des Kondensators angeschlossene Glühbirne kann für kurze Zeit blinken, der elektrische Widerstand erwärmt sich und eine unvorsichtige Person kann einen „Schock“ oder sogar den Tod erleiden, wenn an den Anschlüssen ausreichend Spannung anliegt und die Menge an gespeichertem Strom vorhanden ist .

Ein interessantes Bild ergibt sich, wenn ein Kondensator an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird elektrische Spannung. Denn an der Quelle Wechselspannung Die Polarität und der momentane Spannungswert ändern sich ständig (im häuslichen Stromnetz nach einem sinusähnlichen Gesetz). Der Kondensator wird kontinuierlich geladen und entladen, und es fließt kontinuierlich Strom durch ihn. Wechselstrom. Dieser Strom wird jedoch nicht in Phase mit der Spannung der Wechselspannungsquelle sein, sondern diese um 90° voreilen, d. h. für einen Viertelzeitraum.

Dies führt dazu, dass der Kondensator für die Hälfte der Wechselspannungsperiode Energie aus dem Netz aufnimmt und die Hälfte der Periode abgibt, während die insgesamt verbrauchte Wirkleistung Null ist. Da durch den Kondensator jedoch ein erheblicher Strom fließt, der mit einem Amperemeter gemessen werden kann, wird üblicherweise davon ausgegangen, dass der Kondensator ein Verbraucher von elektrischer Blindleistung ist.

Die Blindleistung wird als Produkt aus Strom und Spannung berechnet, die Maßeinheit ist jedoch nicht mehr Watt, sondern Volt-Ampere-Blindleistung (VAr). Also über ein Netzwerk, das an 220 V mit einer Frequenz von 50 Hz angeschlossen ist elektrischer Kondensator Bei einer Kapazität von 4 µF fließt ein Strom von etwa 0,3 A. Das bedeutet, dass der Kondensator 0,3 x 220 = 66 (VAr) Blindleistung verbraucht – vergleichbar mit der Leistung einer durchschnittlichen Glühlampe, der Kondensator jedoch im Gegensatz zu einer Lampe glüht nicht und erwärmt sich nicht.

Blindinduktive Leistung

Wenn der Strom in einem Kondensator der Spannung vorauseilt, gibt es dann Verbraucher, bei denen der Strom der Spannung nacheilt? Ja, und solche Verbraucher werden im Gegensatz zu kapazitiven Verbrauchern als induktiv bezeichnet, bleiben aber Blindenergieverbraucher. Eine typische induktive elektrische Last ist eine Spule mit einer bestimmten Anzahl von Windungen aus hochleitfähigem Draht, die um einen geschlossenen Kern aus speziellem magnetischem Material gewickelt ist.

In der Praxis ist ein Leerlauftransformator (oder ein Spannungsregler mit Spartransformator) eine gute Annäherung an eine rein induktive Last. Ein gut konzipierter Transformator verbraucht im Leerlauf nur sehr wenig Wirkleistung und verbraucht hauptsächlich Blindleistung.

Echte Verbraucher elektrischer Energie und gesamte elektrische Leistung

Bei der Betrachtung der Eigenschaften kapazitiver und induktiver Lasten stellt sich die interessante Frage: Was passiert, wenn kapazitive und induktive Lasten gleichzeitig und parallel eingeschaltet werden? Aufgrund ihrer entgegengesetzten Reaktion auf die angelegte Spannung beginnen die beiden Reaktionen, sich gegenseitig aufzuheben. Die Gesamtlast wird nur kapazitiv oder induktiv sein und im Idealfall kann eine vollständige Kompensation erreicht werden. Es wird paradox aussehen – die angeschlossenen Amperemeter werden erhebliche (und gleiche!) Ströme durch den Kondensator und die Induktivität aufzeichnen und im gemeinsamen Stromkreis, der sie verbindet, völlig stromlos sein. Das beschriebene Bild wird nur dadurch etwas gestört, dass es keine idealen Kondensatoren und Induktivitäten gibt, aber eine solche Idealisierung hilft, das Wesen der ablaufenden Prozesse zu verstehen.

Kehren wir zu den echten Verbrauchern elektrischer Energie zurück. Im täglichen Leben verwenden wir hauptsächlich Verbraucher reiner Wirkleistung (Beispiele finden Sie oben) und gemischter Wirkleistung. Dies sind elektrische Bohrmaschinen, Bohrhämmer, Elektromotoren von Kühlschränken, Waschmaschinen und so weiter Haushaltsgeräte. Dazu gehören auch elektrische Transformatoren für die Stromversorgung von Haushaltsgeräten und Spannungsstabilisatoren. Bei einer solchen Mischlast verbraucht die Last zusätzlich zur Wirkleistung (Nettoleistung) auch Blindleistung, wodurch die Gesamtleistung mehr als die Wirkleistung abgegeben wird. Die Scheinleistung wird in Voltampere (VA) gemessen und ist immer das Produkt aus dem Strom in der Last mal der Spannung an der Last.

Geheimnisvolles „Kosinus-Phi“

Das Verhältnis von Wirkleistung zur Gesamtleistung wird in der Elektrotechnik „Cosinus Phi“ genannt. Bezeichnet mit cos φ. Dieses Verhältnis wird auch Leistungsfaktor genannt. Es ist leicht zu erkennen, dass für den Fall einer rein aktiven Last, bei der die Gesamtleistung mit der aktiven übereinstimmt, cos φ = 1 ist. Für die Fälle rein kapazitiver oder induktiver Lasten, bei denen die Wirkleistung gleich Null ist, gilt cos φ = 1 φ = 0.

Bei Mischlast liegt der Leistungsfaktorwert im Bereich von 0 bis 1. Bei Haushaltsgeräten liegt er üblicherweise im Bereich von 0,5-0,9. Im Durchschnitt kann er mit 0,7 angenommen werden; ein genauerer Wert ist im Pass des Elektrogeräts angegeben.

Wofür bezahlen wir?

Und schließlich ist die interessanteste Frage, für welche Art von Energie der Verbraucher bezahlt. Aufgrund der Tatsache, dass der Blindanteil der Gesamtenergie dem Verbraucher keinen Nutzen bringt, während ein Teil der Zeitdauer Blindenergie verbraucht und ein Teil abgegeben wird, besteht keine Notwendigkeit, für Blindleistung zu bezahlen. Aber wie wir wissen, steckt der Teufel im Detail. Da die Mischlast den Strom im Netz erhöht, kommt es bei Kraftwerken, in denen der Strom durch Synchrongeneratoren erzeugt wird, zu Problemen: Die induktive Last „erregt“ den Generator und das Zurückbringen in den vorherigen Zustand kostet echte Wirkleistung, um „erneut“ zu werden -aufregen“ es.

Daher ist es durchaus fair, den Verbraucher für die verbrauchte Blindleistung bezahlen zu lassen. Dies ermutigt den Verbraucher, die Blindkomponente seiner Last zu kompensieren, und da diese Komponente hauptsächlich induktiv ist, besteht die Kompensation darin, Kondensatoren mit vorberechneter Kapazität anzuschließen.

Der Verbraucher findet eine Möglichkeit, weniger zu bezahlen

Wenn der Verbraucher die verbrauchte Wirk- und Blindleistung separat bezahlt. Er ist bereit, zusätzliche Kosten in Kauf zu nehmen und in seinem Unternehmen Kondensatorbatterien zu installieren, die streng nach einem Zeitplan eingeschaltet werden, der auf der durchschnittlichen Stromverbrauchsstatistik pro Stunde des Tages basiert.

Es besteht auch die Möglichkeit, im Unternehmen spezielle Geräte (Blindleistungskompensatoren) zu installieren, die Kondensatoren je nach Größe und Art der aktuell verbrauchten Leistung automatisch zuschalten. Mit diesen Kompensatoren können Sie den Leistungsfaktor von 0,6 auf 0,97 erhöhen, d. h. fast auf eins.

Es wird auch akzeptiert, dass der gewerbliche Verbraucher von der Zahlung der Blindenergie befreit ist, wenn das Verhältnis der verbrauchten Blindenergie zur Gesamtenergie nicht mehr als 0,15 beträgt.

Bei einzelnen Verbrauchern ist es aufgrund des relativ geringen Stromverbrauchs nicht üblich, die Rechnungen für die Zahlung des verbrauchten Stroms in Wirk- und Blindstrom aufzuteilen. Bei der Haushaltsstromenergie wird nur die Wirkleistung des elektrischen Verbrauchers berücksichtigt und darüber abgerechnet. Diese. existiert im Moment noch gar nicht technische Machbarkeit dem einzelnen Verbraucher eine Rechnung über die verbrauchte Blindleistung ausstellen.

Der Verbraucher hat keinen besonderen Anreiz, den induktiven Anteil der Last zu kompensieren, und dies ist technisch schwierig umzusetzen. Dauerhaft angeschlossene Kondensatoren belasten die Versorgungsleitungen unnötig, wenn die induktive Last getrennt wird. Hinter dem Stromzähler (auch vor dem Zähler, aber dafür zahlt der Verbraucher nicht), was zu einem Wirkleistungsverbrauch mit entsprechender Erhöhung der Rechnung führt, und automatische Kompensatoren sind teuer und werden die Kosten wahrscheinlich nicht rechtfertigen sie zu kaufen.

Eine andere Sache ist, dass der Hersteller manchmal Kompensationskondensatoren am Eingang von Verbrauchern mit einem induktiven Anteil der Last installiert. Wenn diese Kondensatoren richtig ausgewählt werden, reduzieren sie die Energieverluste in den Versorgungskabeln etwas und erhöhen gleichzeitig die Spannung am angeschlossenen Elektrogerät leicht, indem sie den Spannungsabfall an den Versorgungskabeln verringern.

Am wichtigsten ist jedoch, dass durch die Kompensation der Blindenergie für jeden Verbraucher, von der Wohnung bis zum Großunternehmen, die Ströme in allen Stromleitungen, vom Kraftwerk bis zum Schaltschrank der Wohnung, reduziert werden. Aufgrund der reaktiven Komponente Scheinstrom, wodurch Energieverluste in Leitungen reduziert und die Effizienz elektrischer Systeme erhöht werden.