Що таке повна, активна та реактивна потужність?

У повсякденному житті практично кожен стикається з поняттям “електрична потужність”, “споживана потужність” або “скільки ця штука “їсть” електрики”. У цій добірці ми розкриємо поняття електричної потужності змінного струму для технічно підкованих фахівців і покажемо на зображенні електричну потужність у вигляді “скільки ця штука їсть електрики” для людей з гуманітарним складом розуму :-). Ми розкриваємо найбільш практичне і застосовне поняття електричної потужності і навмисно уникаємо опису диференціальних виразів електричної потужності.

ЩО ТАКЕ ПОТУЖНІСТЬ ЗМІННОГО СТРУМУ?

У колах змінного струму формула для потужності постійного струму може бути застосована лише для розрахунку миттєвої потужності, яка сильно змінюється в часі та для практичних розрахунків марна. Прямий розрахунок середнього значення потужності вимагає інтегрування за часом. Для обчислення потужності в колах, де напруга і струм змінюються періодично, середню потужність можна обчислити, інтегруючи миттєву потужність протягом періоду. На практиці найбільше значення має розрахунок потужності в колах змінної синусоїдальної напруги та струму.

Для того, щоб зв’язати поняття повної, активної, реактивної потужностей і коефіцієнта потужності, зручно звернутися до теорії комплексних чисел. Можна вважати, що потужність у ланцюзі змінного струму виражається комплексним числом таким, що активна потужність є його дійсною частиною, реактивна потужність – уявною частиною, повна потужність – модулем, а кут φ (зсув фаз) – аргументом. Для такої моделі виявляються справедливими всі виписані нижче співвідношення.

Активна потужність (Real Power)

Одиниця виміру – ват (російське позначення: Вт, кіловат – кВт; міжнародне: ват -W, кіловат – kW).

Середнє за період Τ значення миттєвої потужності називається активною потужністю, і

виражається формулою: 

У ланцюгах однофазного синусоїдального струму , де υ і Ι це середньоквадратичні значення напруги і струму, а φ – кут зсуву фаз між ними.
Для кіл несинусоїдального струму електрична потужність дорівнює сумі відповідних середніх потужностей окремих гармонік. Активна потужність характеризує швидкість необоротного перетворення електричної енергії в інші види енергії (теплову та електромагнітну). Активна потужність може бути також виражена через силу струму, напругу й активну складову опору ланцюга r або його провідність g за формулою . У будь-якому електричному ланцюзі як синусоїдального, так і несинусоїдального струму активна потужність усього ланцюга дорівнює сумі активних потужностей окремих частин ланцюга, для трифазних ланцюгів електрична потужність визначається як сума потужностей окремих фаз. З повною потужністю S, активна пов’язана співвідношенням . 

У теорії довгих ліній (аналіз електромагнітних процесів у лінії передавання, довжину якої можна порівняти з довжиною електромагнітної хвилі) повним аналогом активної потужності є прохідна потужність, яку визначають як різницю між падаючою потужністю та відбитою потужністю.

Реактивна потужність (Reactive Power)

Одиниця виміру – вольт-ампер реактивний (російське позначення: вар, кВАР; міжнародне: var).

Реактивна потужність – величина, що характеризує навантаження, створювані в електротехнічних пристроях коливаннями енергії електромагнітного поля в колі синусоїдального змінного струму, дорівнює добутку середньоквадратичних значень напруги U і струму I, помноженому на синус кута зсуву фаз φ між ними:

(якщо струм відстає від напруги, зсув фаз вважається позитивним, якщо випереджає – негативним). Реактивна потужність пов’язана з повною потужністю S та активною потужністю P співвідношенням: .

Фізичний сенс реактивної потужності – це енергія, що перекачується від джерела на реактивні елементи приймача (індуктивності, конденсатори, обмотки двигунів), а потім повертається цими елементами назад у джерело протягом одного періоду коливань, віднесена до цього періоду.

Необхідно зазначити, що величина sin φ для значень φ від 0 до плюс 90° є позитивною величиною. Величина sin φ для значень φ від 0 до мінус 90° є негативною величиною. Відповідно до формули   

реактивна потужність може бути як позитивною величиною (якщо навантаження має активно-індуктивний характер), так і негативною (якщо навантаження має активно-ємнісний характер). Ця обставина підкреслює той факт, що реактивна потужність не бере участі в роботі електричного струму. Коли пристрій має позитивну реактивну потужність, то заведено говорити, що він її споживає, а коли негативну – то виробляє, але це чиста умовність, пов’язана з тим, що більшість електроспоживаючих пристроїв (наприклад, асинхронні двигуни), а також суто активне навантаження, яке під’єднують через трансформатор, є активно-індуктивними.

Синхронні генератори, встановлені на електричних станціях, можуть як виробляти, так і споживати реактивну потужність залежно від величини струму збудження, що протікає в обмотці ротора генератора. За рахунок цієї особливості синхронних електричних машин здійснюється регулювання заданого рівня напруги мережі. Для усунення перевантажень і підвищення коефіцієнта потужності електричних установок здійснюється компенсація реактивної потужності.

Застосування сучасних електричних вимірювальних перетворювачів на мікропроцесорній техніці дає змогу здійснювати більш точну оцінку величини енергії, що повертається від індуктивного і ємнісного навантаження в джерело змінної напруги.