Мини-лекции. Косинус ФИ. Коэффициент мощности

   Чечня, шестидесятые... Работаю простым электромонтёром. Хозяйство так себе, ничего интересного: подводящая линия 6 кВ, подстанция (6 - 0,380) кВ, 75 электромоторов. И, вот на каждом собрании и так при разговоре, нет-нет, да и упоминают о каком-то там косинусе фи?! И, что его обязательно нам надо повышать! Срочно! И никто, никогда не говорил, что же это за такой косинус и с чем его едят?! Люди у нас простые, деревенские может и сами не знают, чё тако? А, действительно, что же это такое?!

   Посмотрите на рис1. Это ШИЛЬДИК. Точнее, просто железка-заготовка. Его со временем присобачат к какому-нибудь электромотору?! Это, так сказать эксплуатационные данные на данный электродвигатель. Данные, где среди всякой ерунды фигурирует и этот странный cos фи равный 0,88! А, 0,88 это хорошо или это плохо? Не хорошо и не плохо... А, так себе... Сойдёт, короче!

   Так, что же это такое? Давным-давно, когда люди ещё не знали о такой мерзости как переменный ток, всё шло как по маслу. Всё было прямо по закону Ома. Никаких проблем. Но вот был изобретён переменный ток и начались эти самые проблемы... Если в проводнике с сопротивлением R напряжение и ток возникали в первом приближении одновременно, то в катушках двигателей, трансформаторов, нет?! А тут и конденсаторы подоспели со своими тараканами... Там было всё наоборот: ток сразу, а вот напряжение постепенно нарастало и как-то нехотя?! Получалось, что индуктивность и ёмкость две противоположности и их объединяет одно, инертность! В индуктивности ток не может мгновенно появиться (до стационарного значения), а в ёмкости напряжение.

   Хороший вопрос! Нам-то, что с этого? А-то! Мало, что они инертны, так ещё и накапливают энергию... А она в свою очередь не исчезает мгновенно и? Правильно, возвращается обратно откуда появилась, к источнику! А, что всё это для нас значит? Это значит, что мы как потребители энергии используем номинальную мощность источника не эффективно! Часть возвращается обратно не давая нам ничего. И чем больше индуктивная составляющая, тем больше мы теряем... Вот и получается, что только часть энергии (мощности) совершает полезную работу, а остальная расходуется на нагрев проводников и не более.

   Мощность полезную называют АКТИВНОЙ, а бесполезную РЕАКТИВНОЙ. Общая мощность отдаваемая источником называется ПОЛНОЙ рис7. Не влезая шибко в выводы мы имеем формулу полной мощности рис8. Геометрически же мы имеем прямоугольный треугольник рис7, гипотенуза которого и есть полная мощность. Острый угол стало быть (ФИ), а косинус отношение активной мощности к полной. Сам же треугольник имеет место быть благодаря наличия реактивности L,C в смысле реактивной мощности Q! И чем больше эта мощность (Q) тем меньше косинус и меньше активная мощность!

   Без всякого интереса можете поразглядывать временные диаграммы процессов как-то: рис2. нагрузка чисто активная, рис4 чисто реактивная (ёмкостная), рис5 смешанная RC. Аналогичная картинка и с RL только диаграммы U и I нужно поменять местами. Векторная диаграмма рис6 несколько проясняет суть процесса. Наверх идут два вектора: U и Ir напряжение и ток в цепи с активной нагрузкой r. Внизу два вектора отвернулись друг от друга. Это токи в индуктивной составляющей и ёмкостной, IL и IC.

   При вращении векторов против часовой стрелки (так принято, если Вы забыли?!) емкостной ток опережает Ir на 90°, а IL наоборот на 90° отстаёт. По идее при одинаковой длине векторов (IC и IL) они компенсируют друг-друга. Тем самым обнуляют реактивную мощность! А так-как в силовых сетях преобладает в основном индуктивная составляющая, то и борьба за повышение косинуса ФИ ведётся путём повышения ёмкостной составляющей... Правильно, подключением параллельно нагрузке конденсаторов. В конечном виде должен получиться как бы колебательный контур с резонансной частотой в 50 Гц. Но это не всегда получается на 100%, увы!

   Немного о треугольнике мощностей. Ну, во-первых, косинус ФИ есть не, что иное как тот самый коэффициент мощности! Во-вторых, это треугольник не векторов, а скалярных величин. Если Вы вздумаете расширить свои знания, то можете натолкнуться на сайты где ошибочно треугольник мощностей показан состоящий из векторов!!!

   И последнее, этот чёртов косинус ФИ аппаратно контролируется приборами. Один из вариантов показан на рис3. Он как бы показывает косинус ФИ равный [1]! Вверх индуктивная составляющая, вниз ёмкостная! В нашем случае полная компенсация! Либо прибор отключен и находится в безразличном состоянии (на «нуле»?!).