Особенности потребления электрической энергии

Рассмотрим схему потребления электрической энергии, приведенную на рисунке 1.

Рисунок 1 — Схема потребления электрической энергии В качестве источника электрической энергии выступает сеть переменного тока промышленной частоты, которая предоставляет электрическую энергию с определенными параметрами [2]:

• · номинальное напряжение — 220/380 В;
• · форма напряжения — синусоидальная;
• · частота — 50 Гц;
• · количество фаз — 3.

После подключения потребителя в цепи начинает протекать ток, величина и форма которого зависит от конкретного потребителя. Величина напряжения u (t) определяется источником электрической энергии, а величина тока i (t) — потребителем.

При протекании электрического тока от источника потребляется мгновенная мощность p (t) — величина, характеризующая скорость потребления электрической энергии [9], которая определяется формуле:

p (t) = u (t) i (t), Вт.

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. 2).

Рисунок 2 — Диаграммы потребляемого тока i (t) и мощности p (t) потребителей постоянного (а) и переменного (б) тока Среднюю потребленную мощность за произвольный интервал времени t₁…t₂ можно определить по формуле:

Для цепей переменного тока, в качестве интервала времени выбирают период.

электроэнергия ископаемое топливо источник В этом случае формула для определения мощности имеет следующий вид:

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. 3, а). Однако в реальных устройствах существуют сдвиг фазы тока по отношению к напряжению, обусловленные наличием в потребителе реактивных компонентов (Рис. 3, б), или искажения формы тока, обусловленные наличием компонентов с нелинейными вольтамперными характеристиками (Рис 3, в).

Рисунок 3 — 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).

Сдвиг фазы тока по отношению к напряжению приводит к возникновению колебаний электрической энергии между источником и потребителем с частотой в 2 раза выше частоты сети.

Несинусоидальность формы потребляемого тока приводит к неравномерности нагрузки на источник, в результате чего возникают периодические интервалы времени (с частотой в 2 раза выше частоты сети) в течение которых источник ненагружен, или перегружен.

Наличие колебаний электрической энергии между источником и потребителем или неравномерность нагрузки, приводит к тому, что для питания данного потребителя требуется источник питания, обеспечивающий большую величину тока. Увеличение тока обусловлено необходимостью поддерживать необходимый уровень колебаний энергии (без них данный потребитель не сможет нормально работать), или обеспечивать более высокий максимальный ток (при несинусоидальной форме тока).

Потери в проводах при транспортировке электрической энергии пропорциональны квадрату тока:

Р_пров = I²R_пров,.

где Р_пров — потери в проводах, R_пров — сопротивление проводов. Таким образом, увеличение тока между источником и потребителем из-за неправильного потребления приводит к увеличению потерь электрической энергии при ее транспортировке.

Для количественной оценки потребляемой энергии используются следующие понятия.

Активная мощность, Р (Вт) — мощность, которая характеризует величину необратимых изменений электрической энергии [9]. Активная мощность характеризует полезную мощность, потребленную от источника электрической энергии, которая используется потребителем на выполнение своей непосредственной функции.

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 [9].

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 [9].

Мощности в цепях переменного тока определяются по формулам.

S = UI,.

P = UIcosц = Scosц,.

Q = UIsinц = Ssinц,.

где U — действующее значение напряжения, I — действующее значение тока, ц — угол сдвига между напряжением и током.

Полная мощность связана с активной и реактивной мощностью следующим соотношением:

Для оценки качества потребителя электроэнергии используется коэффициент мощности (англ. Power factor) — параметр потребителя переменного тока, показывающий степень содержания активной потребляемой мощности в полной [10].

Чем выше коэффициент мощности, тем меньше потерь энергии возникает при электроснабжении данного потребителя. 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 [11, 12].

Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы.

• 1. Для правильного потребления электрической энергии требуется устанавливать оборудование с максимальным коэффициентом мощности (максимальное значение коэффициента мощности равно 1).
• 2. Коэффициент мощности является техническим параметром оборудования, его величина определяется заводом изготовителем и должна быть указана в технических характеристиках устройства.
• 3. Минимальное значение коэффициента мощности для различных категорий оборудования определяется межгосударственными стандартами [11, 12].