Электромагнитная мощность в чем измеряется
Перейти к содержимому

Электромагнитная мощность в чем измеряется

  • автор:

Электромагнитная мощность и потери в асинхронном двигателе

Часть этой мощности (рис. 10.16) теряется в обмотке статора:

Рис. 10.16. Потери мощности в асинхронном двигателе

а часть, ΔРст1, составляет потери в сердечнике статора от перемагничивания и вихревых токов.

Мощность, передаваемая вращающимся магнитным полем ротору, называется электромагнитной мощностью и составляет

Часть электромагнитной мощности теряется в обмотке ротора:

а часть, ΔРст2, составляет потери в сердечнике ротора от гистерезиса и перемагничивания.

Мощность, преобразуемая в механическую, равна

Небольшая часть механической мощности теряется на тре-ние в подшипниках ротора о воздух и вентиляцию.

Мощность, развиваемая двигателем на валу,

Все потери мощности, кроме вентиляционных, которые представляют собой затраты мощности на продувание воздуха внутри двигателя с целью лучшего охлаждения, превращаются в теплоту и нагревают двигатель.

Момент, развиваемый двигателем

Известно, что мощность равна произведению момента на частоту вращения:

В асинхронном двигателе произведение электромагнитного момента, возникающего в результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем, на частоту вращения поля представляет собой электромагнитную мощность:

Механическая мощность, развиваемая двигателем, равна произведению электромагнитного момента на частоту вращения ротора.

Если пренебречь потерями мощности в сердечнике ротора вследствие их малости относительно потерь в обмотке ротора, то разность электромагнитной и механической мощностей, как следует из (10.36), будет равна потерям мощности в обмотке ротора 1 :

Подставив в (10.40) вместо мощности их значения из (10.38) и (10.39), получим

Заменив ω0 — ω через ω0s, что вытекает из (10.23), получим выражения электромагнитного момента

1 Короткозамкнутая обмотка ротора имеет не три, а m фаз. Для общности выводов обмотка ротора приведена к трем фазам, которые имеют обмотки статора и ротора двигателя с фазным ротором.

и электромагнитной мощности

Момент, развиваемый двигателем на валу, будет меньше электромагнитного момента на величину ΔМмех, обусловленную силами трения в подшипниках, ротора о воздух и вентиляционными потерями:

Потери момента ΔМмех для асинхронных двигателей средней и большой мощности относительно малы, и ими обычно пренебрегают. В практических расчетах часто принимают, что

В выражении (10.41) отсутствует магнитный поток, что на первый взгляд противоречит принципу действия двигателя. Однако легко показать, что это не так: магнитный поток вошел в уравнение в неявном виде.

Выразив в (10.41) потери мощности в обмотке I2 2 r2 через ЭДС, ток и cos ψ2 ротора

3I2 2 r2 = 3E2I 2 cos (

Подставляя в (10.44) вместо ЭДС Е2 ее значение из (10.27) и учитывая (10.42), получаем

где С = 3 • 4,44f1w2k020 — конструктивный коэффициент, обусловливающий момент двигателя.

Используя выражения (10.40), (10.42), можно получить два соотношения:

потери в обмотке ротора

механическая мощность, развиваемая двигателем,

Из этих выражений вытекает, что при неподвижном роторе, когда s = l, вся электромагнитная мощность преобразуется в теплоту в обмотке ротора, а механическая мощность равна нулю. При номинальном режиме работы, когда s 0,02 — 0,08, почти вся электромагнитная мощность (0,92 — 0,98) преобразуется в механическую и только небольшая ее часть (0,02 — 0,08) преобразуется в теплоту в обмотке ротора.

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Для анализа работы асинхронного двигателя пользуются схемой замещения. Схема замещения асинхронного двигателя аналогична схеме замещения трансформатора и представляет собой электрическую схему, в которой вторичная цепь (обмотка ротора) соединена с первичной цепью (обмоткой статора) гальванически вместо магнитной связи, существующей в двигателе.

Рис. 10.17. Схема замещения асинхронного двигателя

Основное отличие асинхронного двигателя от трансформатора в энергетическом отношении состоит в следующем. Если в трансформаторе энергия, переданная переменным магнитным полем во вторичную цепь, поступает к потребителю в виде электрической энергии, то в асинхронном двигателе энергия, переданная вращающимся магнитным полем ротору, преобразуется в механическую и отдается валом двигателя потребителю в виде механической энергии.

Электромагнитные мощности, передаваемые магнитным полем во вторичную цепь трансформатора и ротору двигателя, имеют одинаковые выражения:

В трансформаторе электромагнитная мощность за вычетом потерь во вторичной обмотке поступает к потребителю:

где rп — сопротивление потребителя. В асинхронном двигателе электромагнитная мощность за вычетом потерь в обмотке ротора превращается в механическую мощность:

Подставив в (10.47) вместо Р ее значение из (10.42), получим

1. Электромагнитная мощность.

Для более подробного изучения свойств синхронной машины, работающей параллельно с мощной сетью, найдем, от чего зависит ее электромагнитная мощность. Обозначим эту мощность через Рэм. Для генератора она равна полной электрической мощности обмотки статора, состоящей из электрической мощностиР=mUсоsφ, отдаваемой генератором в сеть, и электрических потерь в обмоткетI 2 rа, т. е.Рэм=Р+тI 2 rа.

Электромагнитная мощность Рэмпередается статору через вращающееся поле. Она получается в результате преобразования части механической мощности, подведенной к валу генератора. Другая часть этой механической мощности расходуется на механические и магнитные потери.

Пренебрежем электрическими потерями, в обмотке статора. Тогда будем иметь: Рэм=Р. Упрощенная диаграмма синхронного генератора приIra= 0 показана нарис. 4-63(ср. срис. 4-27). Из этой диаграммы получаем, проектируя векторы напряжений на направлениеи умножая проекции наmI:

. (4-67)

Согласно диаграмме в машине имеют место два магнитных потока (рис. 4-63), сцепляющихся с обмоткой статора: поток, созданный н.с. обмотки возбужденияи индуктирующий э.д.с., и поток статора,созданный н.с. обмотки статораи обусловливающий синхронное индуктивное сопротивление обмотки статорахc.

Рис. 4-63. Диаграмма синхронного генератора (к выводу уравнения дня электромагнитной мощности).

В действительности с обмоткой статора сцепляется только один результирующий поток , созданный совместным действием н. с. ротора и статора. Он наводит в обмотке статора э.д.с., которая остается при параллельной работе с мощной сетью неизменной. Следовательно,также остается неизменным.

На рис. 4-63показано, что при работе генератора с нагрузкой результирующий потокотстает от потокана угол θ, так же какотносительно. Этому временному сдвигу фаз соответствует такой же пространственный сдвиг между осью результирующего поля машины и осью полюсов, т. е. между пространственными векторамиFвиFр(в общем случае прирпарах полюсов пространственный угол меньше временного врраз; нарис. 4-63р= 1).

Покажем, что угол θ определяет активную мощность синхронной машины, которая будет наибольшей при θ = 90°, что является характерным свойством синхронной машины.

Зависимость электромагнитной мощности Рэмили электромагнитного моментаот угла θ найдем при помощи диаграммырис. 4-63.

. (4-68)

Подставляя в (4-57) найденное значениеcosφ, получим:

(4-69)

. (4-70)

Из этого уравнения следует, что электромагнитный вращающий момент зависит от угла θ, напряжения U, синхронного индуктивного сопротивленияxси отЕ0, т. е. от возбужденияFв, причемхсиЕ0соответствуют здесь ненасыщенной машине.

Электромагнитный момент в синхронной машине действует всегда в направлении уменьшения угла θ, т. е. стремится, поставить ротор так, чтобы ось полюсов совпадала с осью поля.

На рис. 4-64представлена кривая зависимостиPэм(илиМэм) от угла θ, которая называется угловой характеристикой синхронной машины. При помощи этой характеристики мы можем несколько подробнее исследовать работу синхронной машины, имея в виду ее устойчивость, т. е. ее способность держаться в синхронизме.

Рис. 4-64. Зависимости Рэм,МэмиРсот угла θ.

Допустим, что машина работает генератором с номинальной нагрузкой Рэм.н(рис. 4-64). Соответственно этой нагрузке в машине создается электромагнитный момент, который действует против вращения. Если вращающий момент, приложенный к валу синхронного генератора со стороны первичного двигателя, уравновешивается моментом сопротивленияМэм.н, то ротор машины вращается с равномерной частотой. Если вращающий момент, приложенный к валу, возрастет на малую величину и затем спадет до прежней величины, то ротор, получив толчок, забежит несколько вперед; угол между осями результирующего поля и полюсов при этом сделается равным θн+θ, и соответственно электромагнитный момент будет равен:

(рис. 4-64).

Тормозящий момент генератора будет теперь больше момента, приложенного к валу, на величину , поэтому ротор начнет тормозиться.

Равновесие между моментами первичного двигателя и генератора наступает не сразу. Вследствие инерции вращающихся частей угол θ, уменьшаясь, станет меньше угла θн, при котором моменты равны. В этом случае тормозящий момент генератора будет меньше момента первичного двигателя. Разность между ними(рис. 4-64) вызовет ускорение ротора, угол θ начнет увеличиваться.

Таким образом, возникают колебания угла θ около значения θнили, что то же, колебания угловой частоты ротора около синхронной угловой частоты ωс. Эти колебания обычно быстро затухают благодаря тормозящему действию токов, возникающих в замкнутых цепях ротора, так как последний вращается при колебаниях то быстрее, то медленнее поля.

В пределах изменения угла θ от 0 до 90° (чему соответствует жирно начерченная часть синусоиды на рис. 4-64) работа генератора при малых возмущениях, т. е. при малых отклонениях угла θ, будет устойчивой.

При значении θ = 90° получаются максимальная мощность

(4-71)

и соответственно максимальный электромагнитный момент

. (4-72)

Мощность Рэм.м(или моментМэм.м) определяют собой предел статической устойчивости машины, т. е. ее способности сохранять синхронизм при малых возмущениях режима работы. При постепенном (медленном) увеличении мощности от нуля доРэм.м, когда можно считать, что переход от одного установившегося процесса к другому не сопровождается ни появлением токов в контурах ротора, ни приращением кинетической энергии, работа машины будет устойчивой. При дальнейшем увеличении мощности на валу машины сверхРэм.м. она выпадет из синхронизма.

Работа генератора в области, соответствующей изменению угла θ от 90 o до 180°, не может быть устойчивой. Если в этой области взять какую-либо точку, напримерА(рис. 4-64), то работа в этой точке соответствует неустойчивому равновесию. Практически не может длительно существовать равенство вращающих моментов со стороны первичного двигателя и со стороны генератора. Случайное нарушение этого равенства при работе в точкеАприведет или к переходу в область устойчивой работы, если тормозящий момент генератора несколько превысит момент первичного двигателя, или к выпадению из синхронизма, если вращающий момент первичного двигателя несколько возрастет. В последнем случае при значении θ от 180° до 360° электромагнитный момент будет направлен в ту же сторону, в какую направлен момент первичного двигателя, что будет способствовать дальнейшему ускорению ротора. Когда ротор пройдет значение θ = 360° (чему соответствует θ = 0), электромагнитный момент снова будет направлен против момента первичного двигателя. Если теперь при изменении угла θ от нуля и далее тормозящий момент сможет затормозить вращение ротора, чтобы при его движении не было перехода через значение θ = 180°, то машина после колебаний будет устойчиво работать в какой-либо точке угловой характеристики, соответствующей изменению θ от 0 до 90°.

Что такое полная, активная и реактивная мощность?

В повседневной жизни практически каждый сталкивается с понятием “электрическая мощность”, “потребляемая мощность” или “сколько эта штука “кушает” электричества”. В данной подборке мы раскроем понятие электрической мощности переменного тока для технически подкованных специалистов и покажем на картинке электрическую мощность в виде “сколько эта штука кушает электричества” для людей с гуманитарным складом ума :-). Мы раскрываем наиболее практичное и применимое понятие электрической мощности и намеренно уходим от описания дифференциальных выражений электрической мощности.

ЧТО ТАКОЕ МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА?

В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для практических расчётов бесполезна. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени. Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол φ (сдвиг фаз) — аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

Активная мощность (Real Power)

Единица измерения — ватт (русское обозначение: Вт, киловатт – кВт; международное: ватт -W, киловатт – kW).

Среднее за период Τ значение мгновенной мощности называется активной мощностью, и

В цепях однофазного синусоидального тока , где υ и Ι это среднеквадратичные значения напряжения и тока, а φ — угол сдвига фаз между ними.

Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле . В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S, активная связана соотношением .

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной мощностью.

Реактивная мощность (Reactive Power)

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (русское обозначение: вар, кВАР; международное: var).

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними:

(если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью P соотношением: .

Физический смысл реактивной мощности — это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до минус 90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой

реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например,асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения

Полная мощность (Apparent Power)

Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (русское обозначение: В·А, ВА, кВА-кило-вольт-ампер; международное: V·A, kVA).

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: ; соотношение полной мощности с активной и реактивной мощностями выражается в следующем виде: где P — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q›0, а при ёмкостной Q‹0).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому полная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Визуально и интуитивно-понятно все вышеперечисленные формульные и текстовые описания полной, реактивной и активной мощностей передает следующий рисунок ��

Полная, активная и реактивная мощность

Специалисты компании НТС-групп (ТМ PowerSol) имеют огромный опыт подбора специализированного оборудования для построения систем обеспечения жизненно важных объектов бесперебойным электропитанием. Мы умеем максимально качественно учитывать большое количество электрических и эксплуатационных параметров, которые влияют на выбор оборудования. Производители ИБП и электрогенераторов в документации обязательно указывают полную и активную мощность. Производители стабилизаторов напряжения обычно указывают коэффициент 1(кВт=кВА). Специалисты компании НТС-ГРУПП помогут Вам разобраться в технических характеристиках и максимально комфортно купить ИБП. Несмотря на то что у нас большой выбор стабилизатор напряжения для дома или офиса- мы поможем Вам найти именно тот, который Вам нужен.

Электромагнитные излучения

Если взять малогабаритный радиоприемник с ферритовой антенной, рассчитанный на диапазон длинных или средних волн, какие делали несколько десятилетий назад, включить его и пройтись с ним по дому, то можно удивиться обилию радиопомех, присутствующих в месте обитания человека. Электромагнитные поля – ЭМП – имеются буквально везде, где проходит скрытая электропроводка, где работают бытовые электрические приборы, где функционирует электроника. Действие полей многократно увеличивается при приближении к источнику излучения: компьютеру, модему, телевизору, мобильному телефону, электронным часам и даже калькулятору. Это определяется усилением треска и шума в громкоговорителе. Радиоприемник – всего лишь простейший индикатор электромагнитных волн. Существуют и специальные измерительные приборы, позволяющие узнать интенсивность и частоту электрических и магнитных возмущений, чтобы затем определить степень воздействия их на людей.

Возникновение проблемы электромагнитных излучений

На заре цивилизации люди не имели никакого понятия об электрических и магнитных полях. Разве что подвергались влиянию магнитного поля Земли, очень слабому по своей природе, да электрическим грозовым разрядам, которые возникали весьма редко. Поэтому в процессе своего развития в течение тысячелетий, у людей даже не был сформирован чувствительный орган, который мог бы реагировать на эти воздействия, предупреждая о возможной опасности. Но в последнее время, за какую-нибудь пару столетий, все изменилось. Скачок технического прогресса принес в нашу жизнь множество устройств, генерирующих слабые и сильные, статические и динамические,1 низкочастотные и высокочастотные, магнитные, электрические, а также электромагнитные излучения.

Классификация электромагнитных полей

Полем называют явление передачи силового воздействия на расстоянии. Физикам известно всего три вида полей: электрическое, магнитное и гравитационное. Последнее в рамках этой статьи рассматриваться не будет, так как лежит за гранью обозначенной темы. Кроме того, следует различать статические (постоянные) и динамические (переменные) поля. Примером использования постоянного магнитного поля могут служить магнитные мебельные защелки. Работа многих электродвигателей, а также трансформаторов основана на применении переменного магнитного поля. С действием статического электричества сталкивался каждый, кто использовал одежду из синтетических тканей. Множество наглядных примеров дают опыты с электрическими зарядами в школьном кабинете физики.

Сила электрического поля характеризуется напряженностью (Е). В качестве единицы измерения используется обозначение В/м (вольт на метр). Для измерения величины напряженности магнитного поля (Н) служит отношение А/м (ампер на метр). Вместо напряженности магнитного поля также практикуется понятие магнитной индукции (В), которую принято измерять в тесла (Тл). Ее удобно применять для переменных полей небольших частот, вплоть до нуля. Между этими единицами измерения справедливо приблизительное соотношение: 1 мкТл = 0,8 А/м или 1 А/м = 1,25 мкТл.

Совокупность магнитного и электрического поля в определенных условиях порождает электромагнитные колебания или волны. Они могут распространяться со скоростью света и существовать в пространстве (эфире) независимо от источника. Даже если убрать или отключить генерирующее устройство, волны будут существовать еще некоторое время, постепенно теряя свою энергию. Физики-теоретики утверждают, что электромагнитные волны – это вариант существования материи в виде поля. ЭМП широко распространены в нашей жизни, они используются как в спутниковом, так и в эфирном телевизионном и радиовещании в виде радиоволн определенного диапазона, а также в системах радиосвязи, телефонии, радиолокации.

Динамика переменного поля характеризуется частотой (F), измеряется в герцах (Гц). Часто используется понятие длины волны, которая приводится в метрах (м). Основное колебание радиоволны или несущая частота может модулироваться другими частотами. При этом возникают комбинационные колебания, ведущие к расширению спектра. Несколько передающих устройств, работающих рядом, например, антенны сотовой связи, подвергаются воздействию взаимной модуляции. Возникающие при этом интермодуляционные искажения также приводят к расширению спектра излучения.

Единица измерения мощности ЭМП – ватт (Вт). Однако на практике электромагнитное излучение разлагают на магнитную и электрическую составляющие, которые измеряют в соответствующих единицах. Для обнаружения электрической компоненты применяют электрические антенны, для магнитной – магнитные. В высокочастотной области спектра радиоволн, выше частот 300 МГц, для измерения интенсивности ЭМП используется понятие плотности потока энергии (ППЭ). Единица измерения – Вт/м2 (ватт на метр квадратный), а также ее варианты: мкВт/см2, мВт/см2, Вт/см2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *