Одиниці вимірювання електричної енергії позначені та закріплені у Міжнародній системі одиниць.

Використання побутових електроприладів у домашніх умовах змушує користувачів рахувати електроенергію та знати одиниці, в яких вона вимірюється.

Електроенергія одиниці виміру

Напруга

Напруга (U) у мережі вимірюється у вольтах (В).

В однофазній мережі, що зазвичай використовується для електропостачання приватних споживачів напруга – 220В.

У трифазній мережі – напруга – 380В. 1 кіловольт (кВ) дорівнює 1000В.

Напруга 220 і 380В прирівнюється до позначення напруги як 0,22 і 0,4 кВ.

Сила струму

Навантаження, яке видають побутові прилади, обладнання та інші споживачі називається силою струму (I) і вимірюється в амперах (А).

Опір

Опір (R) є не менш важливим показником і демонструє величину протидії матеріалів проходженню електроструму. У побуті, замір опору свідчить про цілісність електричних приладів, що вимірюється в (Ом). Для виміру великого значення опору, наприклад, при вимірі цілісності електродвигуна, користуються мегомметром, 1 Ом дорівнює 0,000001 мегаОм (мОм).

1 кілоОм (ком) дорівнює 1000 Ом.

Опір людського тіла становить від 2 до 10 ком.

Питомий опір провідника служить з метою оцінки опірності матеріалів, їхнього подальшого використання під час виготовлення електротехнічних виробів, залежить від площі поперечного перерізу і довжини провідника.

Потужність

Потужність – це кількість електричної енергії, що споживається тим чи іншим побутовим приладом за певну одиницю часу вимірюється у ватах (Вт) та кіловт (кВт) – 1000 Вт, у промислових масштабах використовують такі одиниці виміру, як мегават – 1 млн. Вт та гігават ( гВт) - 1 млрд ват.

У чому вимірюється електроенергія за лічильником

Для визначення кількості спожитої електроенергії , використовуються електричні лічильники активної енергії, вони служать її обліку. У промисловості є також лічильники реактивної енергії.

Щоб визначити, у чому вимірюється споживання електроенергії у квартирі, використовують 1 кВт*годину. Для лічильників реактивної енергії, інтегрована реактивна потужність вимірюється як 1 кВар * год. Слід зазначити, що з запису споживаної енергії, по лічильнику правильно треба писати, потужність помножити тимчасово.

Напевно, багато хто з вас чув про реактивну електроенергію. Знаючи, наскільки складний для розуміння цей термін, розглянемо детально відмінності реактивної та активної енергії. Важливо усвідомити те що, що реактивну електроенергію ми можемо спостерігати лише змінному струмі. Там, де тече постійний струм, реактивна енергія немає. Зумовлено це природою появи реактивної енергії.

Через кілька понижуючих трансформаторів до споживача надходить змінний струм, конструкція яких поділяє обмотки низької та високої напруги. Тобто виходить так, що у трансформаторі відсутній фізичний контакт між двома обмотками, при цьому струм все одно тече. Пояснити це досить легко. Електроенергія завжди передається через повітря, яке є чудовим діелектриком, за допомогою електромагнітного поля, складова якого – змінне магнітне поле. Воно регулярно перетинає обмотку, з'являючись в іншій, і не має першого електричного контакту, наводячи електрорушійну силу. Коефіцієнт корисної дії у сучасних трансформаторів досить великий, звідси втрата електроенергії зводитиметься до мінімуму, і тому вся міць змінного струму, який протікає в первинній обмотці, виявляється в ланцюзі вторинної обмотки. Те саме відбувається в конденсаторі, щоправда, вже рахунок електричного поля. Місткість та індуктивність разом породжують реактивну енергію. Активна енергія (який заважає повернення реактивної енергії) перетворюється на теплову, механічну та іншу.

Реактивна складова електричного струму виникає тільки в ланцюгах, що містять реактивні елементи (індуктивності та ємності) і витрачається зазвичай на марний нагрів провідників, з яких складено цей ланцюг. Прикладом таких реактивних навантажень є електродвигуни різного типу, переносні електроінструменти (електродрелі, «болгарки», штроборізи тощо), а також різна побутова електронна техніка. Повна потужність цих приладів, що вимірюється у вольт-амперах, і активна потужність (у ватах) співвідносяться між собою через коефіцієнт потужності cosφ, який може набувати значення від 0,5 до 0,9. На цих приладах зазвичай вказується активна потужність у ватах і значення коефіцієнта cosφ. Для визначення повної споживаної потужності ВА необхідно величину активної потужності (Вт) розділити на коефіцієнт cosφ.

приклад: якщо на електродрилі зазначена величина потужності в 800 Вт і cosφ = 0,8, то звідси випливає, що повна потужність, що споживається інструментом, становить 800/0,8=1000 ВА. За відсутності даних cosφ можна брати його приблизне значення, яке для домашнього електроінструменту становить приблизно 0,7.

Реактивний тип навантаження характеризується тим, що спочатку, деякий час, у ньому відбувається накопичення енергії, що постачається джерелом живлення. Потім запасена енергія віддається назад у джерело. До подібних навантажень відносяться такі елементи електричних ланцюгів, як конденсатори та котушки індуктивності, а також пристрої, що їх містять. При цьому в такому навантаженні між напругою і струмом є зсув фаз, рівний 90 градусів. Оскільки основною метою існуючих систем електропостачання є корисна доставка електроенергії від виробника безпосередньо до споживача - реактивна складова потужності вважається шкідливою характеристикою ланцюга.

Для того, щоб компенсувати протидію реактивної енергії, застосовуються спеціальні конденсатори, що встановлюються. Це змушує звести до мінімуму негативний вплив реактивної енергії, що з'являється. Ми вже зазначали, що реактивна потужність суттєво впливає на втрату електричної енергії у мережі. Тому виходить, що величину тієї самої негативної енергії доводиться постійно контролювати, і найкращий при цьому спосіб – організувати її облік.

Там, де стурбовані цією проблемою (різні промислові підприємства) часто ставлять окремі спеціальні прилади, які ведуть облік як самої реактивної енергії, а й активної її частини. Облік ведеться в трифазних мережах по індуктивної та ємнісної складової. Зазвичай такі лічильники, це не що інше, як аналого-цифровий пристрій, який перетворює потужність на аналоговий сигнал, який перетворюється на частоту проходження електро-імпульсів. Склавши їх, ми можемо судити про кількість споживаної енергії. Зазвичай лічильник зроблений із пластмасового корпусу, де встановлені 3 трансформатори та блок обліку на друкованій платі. На зовнішній стороні знаходиться РК екран або світлодіоди.

Підприємства нині дедалі частіше ставлять універсальні лічильники обліку електроенергії, які вимірюють кількість як активної, і реактивної енергії. Більше того, такі прилади можуть поєднувати функції від двох, а іноді й більше пристроїв, що дозволяє знижувати витрати на обслуговування та дозволяє заощадити під час покупки. Такі пристрої здатні обчислювати реактивну та активну потужність, а також вимірювати миттєві значення напруги. Лічильник фіксує, який рівень споживання енергії і показує всю інформацію на дисплеї трьома кадрами, що змінюються (індуктивна складова, ємнісна складова, а також обсяг активної енергії). Сучасні моделі дозволяють передавати дані ІЧ цифровому каналу, захищені від магнітних полів, розкрадання енергії. Більш того, ми отримуємо більш точні виміри та мале енергоспоживання, що вигідно відрізняє нові моделі від попередників.

Потужність буває активна, а повна. Постає питання, повна чим? А ось, мовляв, тим, що нам служить на користь, що робить нам корисну роботу, але й… виявляється, це ще не все. Ще є друга складова, яка виходить такою собі доважкою, і вона просто спалює енергію. Гріє те, що не треба, а нам від цього ні жарко, ні холодно.

Така потужність називається реактивною. Але винні, хоч як це дивно, ми самі. Вірніше, наша система вироблення, передачі та споживання електроенергії.

Потужність активна, реактивна та повна

Ми користуємося електрикою за допомогою мереж змінного струму. Напруга у нас у мережах кожну секунду коливається 50 разів від мінімального значення до максимального. Це так вийшло. Коли винаходили електричний генератор, який механічний рух перетворює на електрику, виявилося, що perpetuum mobile, або, перевівши з латинського, вічний рух, найлегше влаштувати по колу. Винайшли колись колесо, і з того часу знаємо, що якщо його підвісити на осі, то можна крутити довго-довго, а воно залишатиметься на тому самому місці - на осі.

Чому у нас в мережі напруга змінна

І електричний генератор має вісь і щось, що на ній обертається. А в результаті і виходить електрична напруга. Тільки генератор складається з двох частин: обертової, ротора, і нерухомої, статора. І обидві вони беруть участь у виробленні електроенергії. А коли одна частина крутиться біля іншої, то неминуче точки поверхні частини, що обертається, то наближаються до точок поверхні нерухомої, то від них віддаляються. І це спільне їхнє становище з неминучістю описується лише однією математичною функцією - синусоїдою. Синусоїда є проекція обертання по колу однією з геометричних осей. Але таких осей можна побудувати багато. Зазвичай, наші координати один одному перпендикулярні. І тоді при обертанні по колу деякої точки на одній осі проекцією обертання буде синусоїда, а по іншій - косинусоїда, або та ж синусоїда, тільки зміщена відносно першої на чверть повороту, або на 90 °.

Ось щось таке і є напругою, яку доводить до нашої квартири електрична мережа.

кут повороту тут розбитий не на 360 градусів,
а на 24 розподіли. Тобто один поділ відповідає 15°
6 поділів = 90°

Отже, напруга в нашій мережі синусоїдальна з частотою 50 герц і амплітудою 220 вольт, тому що зручніше було робити генератори, які виробляють саме змінну напругу.

Вигода від змінної напруги – вигода системи

А щоб зробити напругу постійною, треба спеціально її випрямити. І це можна робити або прямо в генераторі (спеціально сконструйованому - тоді він стане генератором постійного струму), або колись потім. Ось це «колись» і вийшло знову дуже доречним, тому що змінну напругу можна перетворювати трансформатором - підвищувати або знижувати. Це виявилося другою зручністю змінної напруги. А підвищивши його трансформаторами до напруг буквально запобіжні (півмільйона вольт і більше), можна передавати на гігантські відстані по проводах без гігантських при цьому втрат. І це теж довелося цілком доречним у нашій великій країні.

Ось, довівши, все-таки, напруга до нашої квартири, знизивши її до хоч скількись мислимої (хоча все ще й небезпечної) величини в 220 вольт, перетворити її на постійне знову забули. Та й навіщо? Лампочки горять, холодильник працює, телевізор показує. Хоча в телевізорі цих постійних/змінних напруг… але не будемо тут ще й про це.

Збитки від змінної напруги

І ось ми користуємося мережею змінної напруги.

А в ній присутня «плата за забудькуватість» – реактивний опір наших споживаючих мереж та їх реактивна потужність. Реактивний опір – це опір змінному струму. І потужність, яка просто йде повз наші споживаючі електроприлади.

Струм, йдучи проводами, створює навколо них електричне поле. Електростатичне поле притягує себе заряди з усього, що джерело поля, тобто струм, оточує. А зміна струму створює ще й електромагнітне поле, яке починає безконтактно наводити у всіх провідниках навколо електричні струми. Так, наша струмова синусоїда, як тільки ми в себе включаємо, є не просто струм, а безперервна його зміна. Провідників довкола вистачає, починаючи від металевих корпусів тих же електроприладів, металевих труб водопостачання, опалення, каналізації та кінчаючи прутами арматури в залізобетонних стінах та перекриттях. Ось у всьому цьому й наводиться електрика. Навіть вода в бачку унітазу, і та бере участь у загальних веселощах - в ній теж індукуються струми наведення. Така електрика нам зовсім не потрібна, ми її «не замовляли». Але воно ці провідники намагається розігріти, а отже, забирає з нашої квартирної мережі електроенергію.

Щоб охарактеризувати співвідношення потужностей мережі нашого змінного струму, малюють трикутник.

S – повна потужність, що витрачається нашою мережею,
P – активна потужність, вона ж корисне активне навантаження,
Q – потужність реактивна.

Потужність повну можна виміряти ватметром, а активна потужність виходить розрахунком нашої мережі, в якій ми враховуємо тільки корисні для нас навантаження. Звісно, ​​опором проводів ми нехтуємо, вважаючи їх малими щодо корисних опорів електроприладів.

Повна потужність

S = U x I = U a x I f

Тобто, чим «тупіший» цей гострий кут, тим гірше у нас працює внутрішня квартирна мережа, що споживає - багато енергії йде в втрати.

Що таке активна, реактивна та повна потужності

Кут j можна назвати кутом фазового зсуву між струмом і напругою в нашій мережі. Струм є результатом застосування до нашої мережі вихідної напруги 220 вольт частотою 50 герц. Коли навантаження активне, то фаза струму збігається з фазою напруги в ній. А реактивні навантаження цю фазу зрушують цей кут.

Власне, кут і характеризує рівень ефективності нашого споживання енергії. І треба намагатися його зменшити. Тоді S наближатиметься до P.

Тільки зручніше оперувати не з кутом, а з косинусом кута. Це якраз і є співвідношення двох потужностей:

Косинус кута наближається до одиниці, коли кут наближається до нуля. Тобто, чим гостріший кут j, тим краще, ефективніше працює електрична мережа, що споживає. На практиці, якщо досягти величини косинуса фі (а його можна виразити у відсотках) близько 70-90%, то це вже вважається непогано.

Часто використовується інше відношення, що пов'язує активну потужність та реактивну:

З діаграми струму та напруги можна знайти вирази для потужностей: активної, реактивної та повної.

Якщо звичніша нам активна потужність вимірюється у ватах, то повна потужність вимірюється у вольт-амперах (вар). Ватт з вару можна вважати множенням на косинус фі.

Що таке реактивна потужність

Реактивна потужність буває індуктивна та ємнісна. Вони поводяться в електричному ланцюзі по-різному. На постійному струмі індуктивність - це просто шматок дроту, який має якийсь дуже малий опір. А конденсатор на постійній напрузі - просто розрив у ланцюзі.

І коли ми їх включаємо в ланцюг, підводимо до них напругу, під час перехідного процесу вони поводяться теж протилежно. Конденсатор заряджається, при цьому струм, що виникає, спочатку великий, потім, у міру зарядки, маленький, що зменшується до нуля.

В індуктивності, котушці з проводом, виникає магнітне поле після включення на самому початку сильно перешкоджає проходженню струму, і він спочатку маленький, потім збільшується до свого стаціонарного значення, що визначається активними елементами схеми.

Конденсатори, таким чином, сприяють зміні струму ланцюга, а індуктивності перешкоджають зміні струму.

Індуктивна та ємнісна складові опору мережі

Таким чином, реактивні елементи мають свої різновиди опору - ємнісний та індуктивний. З повним опором, що включає активну та реактивну складові, це пов'язується такою формулою:

Z - повний опір,

R - активний опір,

X – реактивний опір.

У свою чергу реактивний опір складається з двох частин:

X L – індуктивної та X C – ємнісної.

Звідси бачимо, що внесок у реактивну складову вони різний.

Все, що в мережі індуктивно, збільшує реактивний опір мережі, все, що в мережі має ємнісний характер, зменшує реактивний опір.

Електроприлади, що впливають на якість споживання

Якби всі прилади в мережі були, як лампочки, тобто були суто активним навантаженням, проблем не було б. Була б активна споживаюча мережа, одне суцільне активне навантаження, і, як то кажуть, у чистому полі - навколо нічого, то все легко підраховувалося б за законами Ома і Кірхгофа, і було справедливо - скільки споживав, за стільки й заплатив. Але ось маючи і навколо себе загадкову струмопровідну «інфраструктуру», і в самій мережі безліч неврахованих ємностей та індуктивностей, ми й отримуємо, окрім корисного нам, ще й реактивного, непотрібного нам навантаження.

Як її позбутися? Коли електрична споживаюча мережа вже створена, можна проводити заходи щодо зменшення реактивної складової. Компенсація та будується на «антагонізмі» індуктивностей та ємностей.

Тобто в мережі, що склалася, слід виміряти її складові, а потім придумати компенсацію.

Особливо хороший ефект від таких заходів досягається у великих споживаючих мережах. Наприклад, на рівні заводського цеху, що має велику кількість обладнання, що постійно працює.

Для компенсації реактивної складової використовуються спеціальні компенсатори реактивної потужності (КРМ), що містять у своїй конструкції конденсатори, що змінюють сумарний зсув фаз в мережі на краще.

Ще вітається використання у мережах синхронних двигунів змінного струму, оскільки вони здатні компенсувати реактивну потужність. Принцип простий: в мережі вони здатні працювати в режимі двигуна, а коли при зрушенні фаз спостерігається «завал» електроенергії (інших слів мова вже не знаходить), вони здатні компенсувати це, «підробляючи» в мережі в режимі генератора.

Специфіка мережі змінного струму призводить до того, що у фіксований момент часу синусоїди напруги та струму на приймачі збігаються тільки у разі так званого активного навантаження, що повністю переводить струм у тепло або механічну роботу. Практично це всілякі електронагрівальні прилади, лампи розжарювання, в якомусь наближенні електродвигуни та електромагніти під навантаженням і звуковідтворююча апаратура. Ситуація повністю змінюється, якщо навантаження, що не створює механічної роботи, має велику індуктивність при малому опорі. Це характерний випадок електродвигуна чи трансформатора на холостому ході.

Підключення подібного споживача до джерела постійного струму призвело б до , тут нічого особливого з мережею не станеться, але миттєвий струм відставатиме від миттєвої напруги приблизно на чверть періоду. У разі чисто ємнісного навантаження (якщо в розетку вставити конденсатор), струм на ньому буде, навпаки, на ту ж чверть періоду випереджати напругу.

Реактивні струми

Практично така розбіжність струму і напруги, не виробляючи на приймачі корисної роботи, створює у проводах додаткові, або, як їх називати, реактивні струми, які у особливо несприятливих випадках можуть призвести до руйнівних наслідків. При меншій величині це явище все одно вимагає витрачати зайвий метал на більш товсту проводку, підвищувати потужність генераторів живлення і трансформаторів електроенергії. Тому економічно виправдано усувати у мережі реактивну потужність усіма можливими способами. При цьому слід враховувати сумарну реактивну потужність всієї мережі, при тому, що окремі елементи можуть мати значні значення реактивної потужності.

Реактивна електроенергія

З кількісного боку вплив реактивної електроенергії на роботу мережі оцінюється косинусом кута втрат, який дорівнює відношенню активної потужності до повної. Повна потужність вважається векторною величиною, яка залежить від зсуву фаз між струмом і напругою на всіх елементах мережі. На відміну від активної потужності, яку, як і механічну вимірюють у ВАТ, повну потужність вимірюють у вольт-амперах, так як ця величина присутня тільки в електричному ланцюзі. Таким чином, чим ближче косинус кута втрат до одиниці, тим повніше використовується і потужність, що виробляється генератором.

Основні шляхи зниження реактивної потужності - взаємна компенсація зрушень фаз, створюваних індуктивними та ємнісними приймачами та використання приймачів з малим кутом втрат.

ammaaim 21 липня 2014 в 16:09

Про природу реактивної енергії

• Електроніка для початківців

Навколо реактивної енергії склалося чимало легенд, активно сприяло розвитку навколонаукового фольклору любов нашої людини до халяви та різноманітних теорій глобальної змови.

У рунеті можна знайти безліч success story про те, як простий мужичок з глибинки роками експлуатує халявну реактивну енергію ( яку побутовий лічильник електроенергії не реєструє) і живе собі, не знаючи бід. Так само можна знайти нотатки людей, які закликають кинути марну роботу пошуку джерела халяви в халявній реактивній енергії. Для того щоб остаточно розставити крапки над "i"у цьому питанні я вирішив написати цей пост, не мудруючи лукаво.

Як відомо, енергія, що споживається від джерела змінного струму, складається з двох складових:

1. активної енергії
2. Реактивної енергії

1. Активна енергія цілком і безповоротно перетворюється приймачем на інші види енергії.

Приклад: Протікаючи через резистор, струм здійснює активну роботу, що виявляється у збільшенні теплової енергії резистора. Незалежно від фази струму, резистор перетворює його енергію в теплову. Резистору не важливо в якому напрямі тече по ньому струм, важлива лише його величина: чим він більший, тим більше тепла вивільниться на резистори ( кількість виділеного тепла дорівнює добутку квадрата струму та опору резистора).

2. Реактивна енергія- та частина споживаної енергії, яка у наступну чверть періоду буде повністю віддано назад джерелу.

Приклад: Уявімо, що до джерела змінного струму підключено конденсатор. Початковий заряд на обкладках конденсатора дорівнює нулю, початкова фаза напруги джерела так само дорівнює нулю. Одне повне коливання складається з чотирьох чвертьперіодів: