Активное и реактивное сопротивление в цепи переменного тока
В электрической цепи переменного тока существует два вида сопротивлений: активное и реактивное. Это является существенным отличием от цепей постоянного тока.
Активное сопротивление
При прохождении тока через элементы, имеющие активное сопротивление, потери выделяющейся мощности необратимы. Примером может служить резистор, выделяющееся на нем тепло, обратно в электрическую энергию не превращается. Кроме резистора активным сопротивлением может обладать линии электропередач, соединительные провода, обмотки трансформатора или электродвигателя.
Отличительной чертой элементов имеющих чисто активное сопротивление – это совпадение по фазе тока и напряжения, поэтому вычислить его можно по формуле
Активное сопротивление зависит от физических параметров проводника, таких как материал, площадь сечения, длина, температура.
Реактивное сопротивление
При прохождении переменного тока через реактивные элементы возникает реактивное сопротивление. Оно обусловлено в первую очередь ёмкостями и индуктивностями.
Индуктивностью в цепи переменного тока обладает катушка индуктивности, причём в идеальном случае, активным сопротивлением её обмотки пренебрегают. Реактивное сопротивление катушки переменному току создаётся благодаря её ЭДС самоиндукции. Причем с ростом частоты тока, сопротивление также растёт.
Реактивное сопротивление катушки зависит от частоты тока и индуктивности катушки
Конденсатор обладает реактивным сопротивлением благодаря своей ёмкости. Его сопротивление с увеличением частоты тока уменьшается, что позволяет его активно использовать в электронике в качестве шунта переменной составляющей тока.
Сопротивление конденсатора можно рассчитать по формуле
Треугольник сопротивлений
Цепи переменного тока обладают полным сопротивлением. Полное сопротивление цепи определяется как сумма квадратов активного и реактивного сопротивлений
Графическим изображением этого выражения служит треугольник сопротивлений, который можно получить в результате расчёта последовательной RLC-цепи. Выглядит он следующим образом:
На треугольнике видно, что катетами являются активное и реактивное сопротивление, а полной сопротивление гипотенуза.
Активное и реактивное сопротивление, треугольник сопротивлений
Активное и реактивное сопротивления
Сопротивление, оказываемое проходами и потребителями в цепях постоянного тока, называется о мическим сопротивлением .
Если какой-либо проводник включить в цепь переменного тока, то окажется, что его сопротивление будет несколько больше, чем в цепи постоянного тока. Это объясняется явлением, получившим название скин-эффекта (поверхностный эффект).
Сущность его заключается в следующем. При прохождении переменного тока по проводнику внутри него существует переменное магнитное поле, пересекающее проводник. Магнитные силовые линии этого поля индуктируют в проводнике ЭДС , однако она будет не одинаковой в различных точках сечения проводника: к центру сечения на больше, а к периферии — меньше.
Это объясняется тем, что точки, лежащие ближе к центру, пересекаются большим числом силовых линий. Под действием этой ЭДС переменный ток будет распределяться не по всему сечению проводника равномерно, а ближе к его поверхности.
Это равносильно уменьшению полезного сечения проводника, а следовательно, увеличению его сопротивления переменному току. Например, медный провод длиной 1 км и диаметром 4 мм оказывает сопротивление: постоянному току — 1,86 ом, переменному частотой 800 гц — 1,87 ом, переменному току частотой 10000 гц — 2,90 ом .
Сопротивление, оказываемое проводником проходящему на нему переменному току, называется активным сопротивлением .
Если какой-либо потребитель не содержит в себе индуктивности и емкости (лампочка накаливания, нагревательный прибор), то он будет являться для переменного тока также активным сопротивлением.
Активное сопротивление — физическая величина, характеризующая сопротивление электрической цепи (или её участка) электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие формы (преимущественно в тепловую). Выражается в омах.
Активное сопротивление зависит от частоты переменного тока, возрастая с ее увеличением.
Однако многие потребители обладают индуктивными и емкостными свойствами при прохождении через них переменного тока. К таким потребителям относятся трансформаторы, дроссели, электромагниты, конденсаторы, различного рода провода и многие другие.
При прохождении через них переменного тока необходимо учитывать не только активное, но и реактивное сопротивление , обусловленное наличием, в потребителе индуктивных и емкостных свойств его.
Известно, что если постоянный ток, проходящий по какой-либо обмотке, прерывать и замыкать, то одновременно с изменением тока будет изменяться и магнитный поток внутри обмотки, в результате чего в ней возникнет ЭДС самоиндукции.
То же самое будет наблюдаться и в обмотке, включенной в цепь переменного тока, с той лишь разницей, что здесьток непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению. Следовательно, непрерывно будет изменяться величина магнитного потока, пронизывающего обмотку, и в ней будет индуктироваться ЭДС самоиндукции.
Но направление ЭДС самоиндукции всегда таково, что противодействует изменению тока. Так, при возрастании тока в обмотке ЭДС самоиндукции будет стремиться задержать нарастание тока, а при убывании тока, наоборот, будет стремиться поддержать исчезающий ток.
Отсюда следует, что ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотке (проводнике), включенной в цепь переменного тока, будет всегда действовать против тока, задерживая его изменения. Иначе говоря, ЭДС самоиндукции можно рассматривать как дополнительное сопротивление, оказывающее вместе с активным сопротивлением обмотки противодействие проходящему через обмотку переменному току.
Сопротивление, оказываемое переменному току ЭДС самоиндукции, носит название индуктивного сопротивления .
Индуктивное сопротивление будет тем больше, чем больше индуктивность потребителя (цепи) и выше частота переменного тока.
Кроме индуктивного сопротивления существует емкостное сопротивление , обусловливаемое как наличием емкости в проводниках и обмотках, так и включением в отдельных случаях в цепь переменного тока конденсаторов. При увеличении емкости С потребителя (цепи) и угловой частоты тока емкостное сопротивление уменьшается
Рассмотрим цепь, активное сопротивление элементов которой r , индуктивность L и емкость С.
Рис. 1. Цепь переменного тока с резистором, катушкой индуктивности и конденсатором.
Полное сопротивление такой цепи можно изобразить в виде, так называемого, треугольника сопротивлений.
Рис.2. Треугольник сопротивлений
Гипотенуза треугольника сопротивлений изображает полное сопротивление цепи, катеты — активное и реактивное сопротивления.
Если одно из сопротивлений цепи — (активное или реактивное), например, в 10 и более раз меньше другого, то меньшим можно пренебречь, в чем легко убедиться непосредственным расчетом.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Активное и реактивное сопротивление. Треугольник сопротивлений
В электротехнической практике понятия «активное и реактивное сопротивление» используются для того, чтобы различать тип нагрузки в цепях трехфазного переменного тока. Первое из них вводится для оценки величины энергии, превращающейся в полезную мощность (в механическую, химическую или тепловую).
Реактивное сопротивление (в отличие от активного) определяет способность цепей препятствовать действию переменного тока при наличии в них индуктивной и емкостной составляющих. Оно обусловлено свойствами магнитных и электрических полей, создаваемых элементами с реактивными свойствами (катушками и конденсаторами, в частности).
Как образуются два вида сопротивления
Чтобы понять, чем отличаются активное и реактивное сопротивление – потребуется разобраться в том, каким образом они проявляются в электротехнических цепях. Первое представляет собой искусственное препятствие для прохождения переменного/постоянного тока, приводящее к рассеянию электрической энергии источника. Чаще всего она выделяется в виде тепла, но возможны и другие варианты трансформации (например, в форме светового излучения).
Активным сопротивлением обладают не только потребители энергии; но оно имеет отношение и к подводящим ток медным, стальным или алюминиевым проводникам. При проектировании систем электропитания эту часть рассеяния мощности стараются минимизировать, для чего при прокладке трасс используются провода как можно большего сечения (насколько это позволяют условия).
Реактивное сопротивление или импеданс образуется вследствие установки в рабочих цепях специальных электротехнических элементов, а именно – конденсаторов и дросселей. Собственным индуктивным и емкостным импедансом также обладают простые провода и дорожки печатных плат, укладываемые по определенному рисунку (не по прямой линии).
В этом случае в витках из проводников при прохождении переменного тока формируется магнитное поле. А на конденсаторах, образующихся за счет разноса печатных дорожек, появляется его электрический аналог. Действие таких искусственных образований приводит к торможению движения зарядов, проявляющемуся в виде реактивных сопротивлений.
Особенности протекания переменного тока по проводникам
Для более полного понимания сути происходящих в проводниках явлений необходимо обратить внимание на следующий факт, позволяющий отличать активное и реактивное сопротивление. В ходе измерений обнаружилось, что при прохождении по медному или алюминиевому проводу переменного тока сопротивление увеличивается в сравнении с тем же показателем для постоянного. Причина этого кроется в явлении, называемом поверхностным или скин-эффектом.
Его суть состоит в следующих проявлениях. При прохождении тока определенной частоты по закону Ленца в проводнике индуцируется переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают металлическую структуру. В результате внутри провода наводится ЭДС, распределяемая неравномерно по всему сечению. Это объясняется тем, что центральные точки пересекаются большим числом магнитных линий, а периферийная часть – меньшим. Описанное явление приводит к искусственному уменьшению рабочего сечения проводника, т. е. к увеличению сопротивления протекающему по нему переменному току.
Активное и реактивное сопротивление, используемое в качестве нагрузки
Любой потребитель электрической энергии, схема которого не содержит в себе индуктивных или емкостных элементов, согласно определению, относится к активной нагрузке.
Под эту категорию подпадают следующие электротехнические приборы:
- Лампочки накаливания.
- Спирали электрических нагревателей (печей).
- Нагревательные кабели и подобные им изделия.
В ряде случаев активное сопротивление состоит из сочетания разнородных нагрузок (например, нагревательные лампы).
К реактивным принято относить приборы и агрегаты, содержащие катушки и конденсаторы (это электродвигатели, конденсаторные компенсаторы и подобные им устройства). При их наличии нагрузка приобретает собственный импеданс, значение которого выражается физическим соотношением.
Для индуктивности оно выглядит так:
Rl – импеданс (Омы);
L – индуктивность (Гн);
ω – угловая частота.
Емкостная составляющая выражается следующим соотношением:
Rс = 1/ωС
Здесь Rс – емкостное сопротивление (Омы);
ω – угловая частота;
С – емкость нагрузочного элемента в фарадах.
Если учесть, что любая нагрузка обладает и активным сопротивлением – закономерен вопрос о соотношении этих составляющих общего импеданса. Для его графического представления вводится понятие «треугольник сопротивлений».
Для чего нужен треугольник сопротивлений
Чтобы понять, чем отличаются активное и реактивное сопротивление – потребуется исследовать электрическую цепочку, состоящую из последовательно включенных элементов (R, L, C).
Переменный ток и напряжение указаны на схеме условно.
Полное сопротивление цепочки рассчитывается по следующей формуле:
Графически это можно представить в виде треугольника сопротивлений.
Его гипотенуза по длине соответствует величине полного сопротивления комплексной цепи, а катеты – активной и реактивной составляющей. Если одна из них намного больше другой – меньшей компонентой обычно пренебрегают, считая цепь чисто активной или чисто емкостной/индуктивной.
Активное и реактивное сопротивление как источники потерь мощности
Реактивная мощность «Q» определяется энергией, рассеиваемой на индуктивных и емкостных элементах, включенных в цепь переменного тока 220 В. Она считается бесполезной и даже «вредной», поскольку непроизводительно перекачивается от источника в нагрузку и обратно в сеть. Из-за бесполезности этой составляющей полной мощности от нее стараются избавиться путем компенсации непроизводительных потерь.
Коэффициент мощности (обозначается как cosφ)
С понятием реактивной составляющей неразрывно связано ее скалярное представление в виде коэффициента мощности. Этот показатель вводится для того, чтобы можно было оценить эффективность потребления электроэнергии в сетях переменного тока. Если в них присутствуют активное и реактивное сопротивление, то коэффициент cosφ указывает на процентное соотношение этих составляющих мощности. Обычно он высчитывается как частное от деления активной компоненты на значение полной потребляемой мощности «S».
При такой методике подсчета величина коэффициента cosφ изменяется в пределах от 0 до 1 (от 0 до 100%). Из определения этого показателя следует, что чем он больше – тем значительнее по величине активная составляющая, что означает высокую эффективность передачи энергии подключенному прибору.
Особенности вычисления полной мощности
Если активное и реактивное сопротивление входят в состав обследуемой электрической цепи – можно найти полную мощность «S», рассеиваемую всеми элементами (включая провода и нагрузку). Этот показатель определяется как скалярная величина, равная корню из суммы активной и реактивной составляющей, взятых в квадрате. С другой стороны, полная мощность вычисляется как произведение действующих в ней напряжения и тока:
S = U⋅I (вольт-амперы).
Характер распределения отдельных составляющих полной мощности в нагрузке может быть представлен и в векторном виде.
Треугольник мощностей
Векторная форма – очень удобный инструмент, позволяющий наглядно продемонстрировать соотношения между составляющими рассматриваемого показателя (рисунок справа). Катеты треугольника соответствуют реактивной и активной компонентам, а гипотенуза представляет полную рабочую мощность в нагрузке.
Из школьного курса геометрии известно, что косинус угла φ выражает соотношение величин активной и полной составляющих. При переводе в скалярную размерность это и будет уже знакомый нам коэффициент мощности.
Практическое измерение cosφ
Как правило, величина коэффициента cosφ указывается на бирках электрических агрегатов и приборов, эксплуатируемых в цепях переменного тока. Но возможны ситуации, когда этот показатель требуется измерить практическим путем. Для этих целей применяются особые приборы, называемые фазометрами. Если такого прибора под рукой не оказалось – с поставленной задачей сможет справиться аналоговый или цифровой ваттметр.
В ситуации, когда полученный коэффициент оказался очень низким – его можно скорректировать практическим путем. Сделать это удается за счет включения в нагрузочную цепь дополнительных элементов с заранее известным импедансом.
Если требуется скорректировать реактивную составляющую общего сопротивления – в нее вводится элемент, действие которого приводит к противоположному эффекту. То есть при преобладании емкостного импеданса в цепь нагрузки устанавливается дополнительный дроссель. Когда же в ней преобладает индуктивная составляющая – в качестве вспомогательного элемента используется конденсаторный блок.
Типичный пример корректировки коэффициента мощности – использование в цепи включения обмоток асинхронного электродвигателя корректирующих конденсаторов. С их помощью удается компенсировать индуктивный характер нагрузки в трехфазной сети.
Похожие темы:
- Последовательное и параллельное соединение. Применение и схемы
- Активная и реактивная мощность. За что платим и работа
- Закон Ома. Для цепей и тока. Формулы и применение
- Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение
- Индуктивность. Виды катушек и контур. Работа и особенности
- Измерение сопротивления изоляции. Методика, приборы, порядок
- Фильтры ВЧ. Виды и работа. Применение и особенности
- Фильтры СЧ. Виды и применение. Работа и особенности
- Фильтры НЧ. Виды и применение. Работа и особенности
- Закон Джоуля-Ленца. работа и применение. Особенности
- Сопротивление изоляции. Составляющие и особенности
- Электрическая прочность. Виды диэлектриков. Особенности
- Внутреннее сопротивление аккумулятора. Особенности
- Магнитное сопротивление. Применение и особенности
какое сопротивление называется активным?реактивным?
Активное — то, которое не зависит от того переменный ток или нет. Пример — обычный резистор
Реактивное — которое «проявляет» свои свойства в переменном токе и зависит от его частоты. Пример — конденсатор и соленодиная катушка
В общем виде сопротивление цепи или участка (импеданс) выглядит как:
Z = R + iX, где Z — импеданс, R — величина активного сопротивления, X — величина реактивного сопротивления, i — мнимая единица.
Для индуктивной катушки:
Индуктивное сопротивление (XL) обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции. Электрический ток создает магнитное поле. Изменение тока, и как следствие изменение магнитного поля, вызывает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока. Величина индуктивного сопротивления зависит от индуктивности элемента и частоты протекающего тока:
XL=w*L, где w — частота тока, а L — индуктивность катушки.
Для емкости:
Ёмкостное сопротивление (XC). Величина ёмкостного сопротивления зависит от ёмкости элемента С и также частоты протекающего тока:
XC=-1/(w*C), где C — емкость конденсатора