Многие из вас наверняка видели на электроинструментах, моторах, а также люминесцентных лампах, лампах ДХО, ДНАТ и других надписи типа cosine phi — cos.
Однако люди, далекие от электротехники и забывшие школьные уроки физики, не совсем понимают, что означает этот параметр и зачем он нужен.
Мы рассматриваем и объясняем этот косинус как можно проще, исключая неясные научные определения, такие как электромагнитная индукция. Конечно, в двух словах это не передать, а в трех можно попробовать.
Когда ток отстает от напряжения
Допустим, перед вами 2 проводника. Один из этих проводников имеет потенциал. Неважно какой — отрицательный (минус) или положительный (плюс).
Другой провод не имеет потенциала. В результате между этими двумя проводниками будет разность потенциалов, потому что у одного она есть, а у другого нет.
Эта разность потенциалов называется напряжением.
Если соединить концы двух проводов не напрямую друг с другом, а через лампочку накаливания, ток будет течь через ее вольфрамовую нить. Из одного потока в другой.
На первый взгляд может показаться, что свет включается мгновенно. Однако это не так. Ток, проходящий через нить накала, в течение некоторого времени увеличится от нулевого значения до номинального.
В какой-то момент он достигает этого и постоянно держит на этом уровне. То же произойдет, если подключить не одну, а две, три лампочки и так далее
А что будет, если вместе с лампой последовательно загорится катушка, намотанная несколькими витками провода?
Изменится ли каким-либо образом нынешний процесс роста? Конечно да.
Эта катушка индуктивности значительно замедлит время, необходимое для повышения тока от нуля до максимума. Действительно, оказывается, что максимальное напряжение (разность потенциалов) на лампе уже присутствует, но ток за ним не поспевает.
Его формирование идет слишком медленно. Почему это происходит и чья в этом вина? Неисправность — витки катушки, которые влияют друг на друга и тормозят ток.
Если у вас постоянное напряжение, например, как в аккумуляторных батареях или батареях, ток относительно медленный, но у него еще есть время, чтобы подняться до своего номинального значения.
И тогда ток будет идти рука об руку с напряжением, что называется «носок-носок».
Но если вы снимаете напряжение с розетки, с переменной синусоидой, то здесь оно не постоянное и будет меняться. Сначала U некоторое время положительно, затем отрицательно, с той же величиной. Рисунок описывает это как волну.
Эти постоянные колебания не позволяют нашему току, проходящему через катушку, достичь своего установившегося значения и достичь того же напряжения. Только он приблизится к этому значению и напряжение уже начинает спадать.
Поэтому в этом случае говорят, что ток отстает от напряжения.
Кроме того, чем больше витков намотано в катушке, тем больше будет эта задержка.
Как все это связано с косинусом фи — косинус?
Что такое коэффициент мощности
И это связано таким образом, что эта текущая задержка измеряется по углу поворота. Полный цикл синусоиды или волны от нуля до нуля, содержащий максимальное и минимальное значения, измеряется в градусах. И один из этих циклов равен 360 градусам.
А вот угол отставания тока от напряжения, все тот же, обозначается греческой буквой фи. Значение косинуса этого угла задержки такое же, как и cos.
Следовательно, чем больше ток отстает от напряжения, тем больше будет этот угол. В результате косинус фи уменьшится.
С научной точки зрения ток, вытесняемый напряжением, называется фазовым сдвигом. При этом почему-то многие уверены, что синусоида всегда идеальна. Хотя это далеко не так.
Например, можно взять импульсные блоки питания.
Неидеальность синусоиды выражается коэффициентом нелинейных искажений — КНИ. Если вы сложите эти два значения: cos и THD, вы получите коэффициент мощности.
Однако, чтобы не усложнять все, очень часто под понятием мощности коэффициентов подразумевают только один косинус фи.
На практике этот коэффициент мощности рассчитывается не по фазовому углу, а по отношению активной мощности к полной мощности.
Активная и реактивная мощность
Есть такое понятие, как треугольник власти. Сам косинус — это тригонометрическая функция, которая появилась при изучении свойств прямоугольных треугольников.
Очень помогает провести с ними некоторые расчеты. Например, он четко показывает взаимосвязь между длинами соседнего участка (P-активная мощность) и гипотенузой (S-полная мощность).
То есть, зная угол переключения передач, можно узнать, сколько активной мощности содержится в общей сумме. Чем меньше этот угол, тем меньше реактивной составляющей в сети и наоборот.
Только не путайте cos с эффективностью. Это разные концепции. Реактивная составляющая не расходуется, а «возвращается» на подстанцию в сеть, т.е фактически потерь ее нет. На нагревательные кабели можно потратить лишь небольшую часть.
По эффективности становится все яснее: полезная мощность уходит на обогрев — охлаждение — механическую работу, остальное уходит безвозвратно. Эта разница проявляется в эффективности.
Более подробно, с простой графикой, изображениями и словами, без особых научных формулировок, все это обсуждается в видео ниже.
Низкий коэффициент мощности и его последствия
Рассматриваемая задержка тока по отношению к напряжению — нехорошее явление. Как это влияет на лампочки или проводку?
- во-первых, это увеличение потребления электроэнергии
Часть энергии просто «зависнет» в катушке без всякой пользы. Правда, не пугайтесь, ваш домашний счетчик не считает реактивную энергию и вы не будете за нее платить.
Например, если вы подключите прибор или лампу на полную мощность 100 ВА, источник питания которых будет показывать cos ϕ = 0,5. Тогда счетчик намотает вам только половину этого значения, то есть 50Вт.
Но вся нагрузка пройдет по силовым кабелям, нагревая их лишней работой.
- количество тока в проводке увеличится
Вот знаменитое иллюстрированное видео, показывающее последствия для проводки.
- для электростанций и трансформаторов это опасная перегрузка
Казалось бы, вы выбросите катушку и вся проблема исчезнет. Однако этого сделать нельзя.
В большинстве светильников лампы не работают по отдельности, а сочетаются с балластами. И в этих же источниках все равно есть разные катушки.
Катушки просто нужны как функциональная часть всей схемы и устранить их не получится. Например, в дроссельных лампах те же ДХО, ДНАТ, люминесцентные и т.д.
Поэтому характеристика коэффициента мощности здесь относится больше к источнику питания, чем к самой лампе. Этот cos может принимать значение от нуля до единицы.
Ноль означает, что никакой полезной работы не выполняется. Первое: вся энергия тратится на полезную работу.
Чем выше коэффициент мощности, тем меньше энергии теряется. Вот таблица косинуса фи для разных потребителей:
Как измерить коэффициент мощности
Если вы не знаете точные квоты мощности вашего устройства или их нет на бирке, можно ли измерить косинус фи в домашних условиях, не прибегая к различным формулам и расчетам? Конечно.
Для этого достаточно приобрести популярный инструмент — цифровой ваттметр в розетке.
Подключив через него любое оборудование, вы легко сможете узнать реальный cos без сложных измерений и расчетов.
Часто фактические данные могут быть даже более точными, чем указанные на паспортной табличке, рассчитанные для идеальных условий.
Если он слишком низкий, что нужно сделать, чтобы максимально приблизить его значение к единице? Эту деятельность можно определенным образом компенсировать. Например, с помощью конденсаторов.
Однако это тема для совершенно другой статьи.
