Как определить мощность конденсатора

Как подобрать конденсатор

Корректный подбор конденсатора обеспечивает работоспособность электрической схемы в точном соответствии с техническим заданием. Для некоторых конструкций, кроме емкости, необходимо обеспечить определенные размеры, устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям. Найти подходящие изделия в ассортименте специализированных магазинов поможет данная публикация.

Подразделения конденсаторов по возможности изменения емкости

По данному параметру детали этой категории делят на:

• постоянные;
• переменные;
• подстроечные.

Специфические названия определяют главные конструктивные особенности, целевое назначение. Типовой постоянный конденсатор создают из проводящих обкладок, свернутых в рулон для уменьшения габаритов. Между ними устанавливают диэлектрик. Сборку помещают в металлический корпус или заливают полимером для обеспечения необходимых параметров защищенности.

В переменных и подстроечных моделях применяют наборы из пластин с механическим приводом. Изменением положения рабочих элементов устанавливают необходимое значение емкости. Каждое изделие рассчитано на определенный диапазон рабочих параметров. Такие конденсаторы применяют для точной настройки колебательного контура. Их устанавливают в радиоэлектронных блоках, чтобы регулировать отдельные рабочие параметры в процессе эксплуатации.

Свойства и параметры конденсаторов

Главным параметром приборов этой категории является емкость (С). Она определяет накопительные свойства изделия. Принцип работы базируется на переходе электронов на соответствующую пластину при подключении источника питания. В зависимости от полярности на соответствующем электроде появляются положительные (отрицательные) заряды.

Величина емкости зависит от нескольких параметров:

• размеров пластин (площади обкладок);
• расстояния между ними;
• диэлектрических свойств материала в промежутке.

К сведению. Емкость указывают в кратных единицах. Пример: пФ или pF – это пикофарад (10-12 фарада).

Напряженность плоского конденсатора вычисляют по формуле:

где:

• q – заряд;
• e – диэлектрическая проницаемость;
• S – рабочая площадь.

Из этого выражения несложно сделать вывод о взаимном влиянии электрических и конструкционных параметров. Емкость определяют следующим образом:

где:

• d – расстояние между пластинами;
• U – напряжение.

Для удобства применяют удельный показатель:

где V – объем изделия.

По нему делают вывод о том, насколько эффективно выполняет основные функции конденсатор. При высокой удельной емкости разрядка занимает больше времени, если подключают аналогичную нагрузку.

Классом точности или процентным отклонением обозначают допуск от номинальной емкости (значения указаны ± в %):

1. 5;
2. 10;
3. 15;
4. от -20 до +30;
5. от -20 до +50.

Потребительские параметры диэлектрика характеризуют электрической прочностью. Как правило, на корпусе изделия указывают номинал напряжения в длительном рабочем режиме для определенных условий с учетом диапазонов:

• температуры;
• относительной влажности;
• давления.

В подробной документации указывают напряжение пробоя.

Индуктивность (собственная) изменяет напряженность поля конденсатора. Эта реактивная составляющая «помогает» изделию разрядиться быстрее или медленнее, по сравнению с расчетной скоростью процесса. Подобные паразитные воздействия искажают рабочие характеристики колебательного контура. Их надо учитывать при проектировании частотно зависимых цепей.

Потери оценивают по электрическому сопротивлению изоляционных слоев. Если соответствующим образом подключить мультиметр, можно уточнить действительный ток утечки. Этот параметр измеряют на протяжении определенного времени. Следует запомнить, что сопротивление зависит от температуры и влажности.

К сведению. Слюдяные конденсаторы будут разряжаться медленнее, по сравнению с бумажными в равных условиях, так как токи утечки отличаются на порядок.

Для комплексного сравнения разных деталей этой категории проверяют стабильность. Этот показатель характеризует постоянство рабочих параметров. Как правило, учитывают влияние температуры. Специализированный коэффициент (ТКЕ) показывает соответствующие изменения при увеличении (снижении) на 1°С.

Как разрядить конденсатор, чтобы минимизировать остаточное напряжение? Ответ на этот вопрос поможет получить изучение абсорбционных процессов в диэлектрическом слое. Соответствующие параметры характеризуют поправочным коэффициентом (Ка). Он увеличивается вместе с повышением температуры.

Сокращенные обозначения

В стандартном исполнении выпускают постоянные (К) и подстроечные (КТ) конденсаторы. Переменные (КП) создают по индивидуальным заказам. Ниже приведены отдельные параметры по ГОСТу 13 453-68.

Материал диэлектрика:

• Б – бумага;
• МП – комбинация металла/ пленки;
• С – слюда;
• Э – электролит;
• К – керамика.

По степени защиты от внешних воздействий различают герметичное (Г) исполнение и опрессованный корпус (О).

Конструкция:

• М – монолит;
• Б – бочонок;
• Д – диск;
• С – секционный вариант.

Рабочий режим (по току):

• И – импульсный;
• У – универсальный (импульсный, постоянный и переменный);
• Ч – только постоянный;
• П – переменный/постоянный.

Иные особенности:

• У – конденсатор, рассчитанный на работу в диапазоне УКВ;
• М – компактные габариты;
• Т – обеспечивается сохранение технических параметров при повышении температуры;
• В – изделие приспособлено для установки в сетях с высоким напряжением.

В стандартном обозначении указывают (по номеру позиции):

1. вид конденсатора (К, КТ или КП);
2. код по диэлектрику и основным параметрам (К10 керамика для напряжения до 1600 V);
3. рабочий режим по току;
4. производственная серия или другое технологическое обозначение.

Дополнительные сведения:

• Выбирать изделия можно по комбинированной (цифровой и буквенной), цветовой маркировке;
• На компактный корпус наносят сокращения (вместо 1000мкФ – 1000m);
• Класс точности обозначают латинским шрифтом (U – это ±);
• Аналогичным образом кодируют номинальное напряжение (Q-160V).

Как подобрать конденсатор

Для лучшего понимания алгоритма правильных действий можно изучить процесс выбора конденсатора при подключении электродвигателя к разным источникам питания. Если применяется трехфазная сеть, подойдет формула емкости:

где:

• к – фиксированный коэффициент, равный 2 800/ 4 800 для схемы «звезда»/ «треугольник», соответственно;
• Iф – ток в цепи статора, который производители указывают на шильдике либо в сопроводительной документации;
• U – напряжение питания.

В упрощенном варианте специалисты берут 6-7мкФ на каждые 0,1 кВт потребляемой мощности. При значительных механических нагрузках обмотка может сгореть. Мягкий запуск электрического двигателя обеспечивает дополнительный конденсатор. Он выполняет свои функции в течении 2-5 секунд. Емкость выбирают в 2,5-3,5 больше результата предыдущего расчета. Номинальное напряжение – на 50-70% выше рабочих параметров сети питания.

Асинхронный двигатель подключают к однофазному источнику. В этом варианте необходимо создать сдвиг фазы для начала вращения ротора. Пуск обеспечивает отдельная обмотка. В эту цепь устанавливают специальный конденсатор. Для упрощенной схемы выбора берут 8-12 мкФ на каждые 0,1 кВт потребляемой мощности.

К сведению. Чтобы исключить перегрев и повреждение деталей, рекомендуется подключение индуктивных нагрузок такого типа через конденсаторы, рассчитанные на рабочее напряжение не менее 450 V.

Расчет гасящего конденсатора для подключения светодиодной ленты можно сделать по формуле:

где:

• I – ток в цепи;
• Uп (Uд) – напряжение источника питания (падение на диодах), соответственно.

Можно ли поставить конденсатор большей емкости

Точный ответ на поднятый в этом разделе вопрос можно дать после изучения конкретной схемы. Если надо выбрать деталь для фильтра (колебательного контура), необходимы аналогичные параметры. В противном случае частотные характеристики не будут соответствовать конструкторскому замыслу.

При сглаживании пульсаций в блоке питания подобная модернизация взамен штатного изделия может быть эффективной. В некоторых случаях, чтобы ограничить ток в цепи, придется подбирать подходящий резистор. Через него можно будет разряжать конденсатор без повреждений. Итоговое решение принимают с учетом рассмотренных выше факторов. Существенное значение имеют условия эксплуатации, тепловые и механические нагрузки. Разумное увеличение затрат на этапе приобретения надежных комплектующих продлит срок службы функционального устройства.

Расчет реактивной мощности конденсатора

Конденсатор — это устройство, способное накапливать и отдавать энергию.

Формула расчета реактивной мощности конденсатора:

P = 2 π f U 2 C

P — реактивная мощность
f — частота переменного тока
U — напряжение
C — емкость конденсатора

Смотрите также перевод:

Быстро выполнить эту математическую операцию можно с помощью нашей онлайн программы. Для этого необходимо в соответствующее поле ввести исходное значение и нажать кнопку.

На этой странице представлен самый простой онлайн калькулятор расчета реактивной мощности конденсатора по простой математической формуле в зависимости от частоты тока, напряжения и емкости конденсатора. С помощью этого калькулятора вы в один клик сможете рассчитать мощность конденсатора.

Расчёт мощности и выбор статических конденсаторов

Повышение коэффициента мощности потребителей электроэнергии может быть достигнуто с помощью статических конденсаторов. Обычно в этом случае используют специально предназначенные для этих целей, так называемые «косинусные» конденсаторы, собранные из отдельных емкостей. Простота конструкции и эксплуатации статических конденсаторов, относительно невысокая их стоимость и высокий коэффициент полезного действия, достигающий 99% и выше, являются причиной того, что для целей компенсации cos ц они получили весьма широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом (п. 11.4. [3]).

Особенно широко применяют конденсаторы для компенсации коэффициента мощности отдельных электродвигателей переменного тока, а также небольших фабрично-заводских установок. Однако следует отметить, что статическим конденсаторам свойственны некоторые недостатки. Так, при значительных мощностях и высоких номинальных напряжениях стоимость статических конденсаторов может оказаться несколько выше, чем стоимость других источников реактивной мощности, например, синхронных компенсаторов. Другим недостатком статических конденсаторов является то, что при включении в сети, напряжения которых содержат высшие гармонические, конденсаторы потребляют ток, действующее значение которого может оказаться значительным, так как проводимость конденсаторов с повышением частоты питающего напряжения увеличивается и реактивное сопротивление его оказывается ничтожным для гармоник тока, порядок которых выше основной гармоники. Это может привести к значительному падению напряжения в проводах питающей сети. Во избежание этого для сетей с несинусоидальным напряжением рекомендуется последовательно со статическими конденсаторами включать дроссельные катушки, которые, как известно, представляют значительное реактивное сопротивление для высших гармонических токов и могут ограничивать величину этих токов в заданных пределах.

Следует, однако, отметить, что включение наряду с конденсатором индуктивного сопротивления способствует уменьшению коэффициента полезного действия компенсирующего устройства в целом (конденсатора и дроссельной катушки) до 95. 96%.

В подавляющем большинстве случаев приходится выбирать величину емкости компенсирующего устройства для условий синусоидального напряжения без заметного содержания высших гармонических.

Различают следующие виды компенсации коэффициента мощности с помощью батареи статических конденсаторов: индивидуальную, групповую и централизованную.

При индивидуальной компенсации статические конденсаторы устанавливают непосредственно у потребителя электроэнергии. При групповой на отдельных линиях, питающих группу потребителей электроэнергии. При централизованной компенсации конденсаторы устанавливают на подстанции, питающей данное производственное предприятие.

Следует заметить, что при групповой и централизованной компенсации от реактивного тока разгружаются только основные питающие сети, в то время как при индивидуальной компенсации разгружаются все электрические сети системы в целом.

Таким образом, коэффициент мощности потребителя электроэнергии, имеющего реактивно-индуктивный характер нагрузки, можно повысить, подключая к зажимам токоприемников конденсаторы соответствующей емкости. При этом реактивная индуктивная составляющая мощности установки будет частично или полностью скомпенсирована реактивной емкостной составляющей мощности конденсаторов В этом случае конденсаторы играют роль своеобразных генераторов реактивной мощности.

Подключая конденсаторы к зажимам потребителя, можно повысить коэффициент мощности (в зависимости от величины емкости) до желаемых пределов. Однако компенсация коэффициента мощности с помощью статических конденсаторов обычно ограничивается значениями 0,92. 0,95, поскольку дальнейшее увеличение коэффициента мощности нерационально, так как ток сети уменьшается весьма незначительно, несмотря на значительное увеличение мощности батареи конденсаторов

Если потребитель электроэнергии имеет коэффициент мощности cosц₁ и его необходимо повысить до нового, большего значения cosц₂, то мощность батареи конденсаторов, необходимая для этих целей, может быть рассчитана по следующей формуле, квар:

где — номинальная мощность потребителя, кВт; ц₁, и ц₂ —углы сдвига фаз между напряжением и током соответственно до и после компенсации (определяются по значениям cos ц₁ и cos ц₂), — номинальное значение КПД потребителя.

В соответствии с этим емкость каждой фазы трехфазной конденсаторной батареи, мкФ, может быть определена по формуле

где — фазное напряжение на зажимах конденсаторной батареи, В; — частота переменного тока, Гц.

Из выражения (2) следует, что требуемая для заданных условий емкость конденсаторной батареи обратно пропорциональна квадрату напряжения. Поэтому с точки зрения уменьшения емкости конденсаторов для целей компенсации при прочих равных условиях, если это возможно, следует отдавать предпочтение включению конденсаторов на более высокие напряжения. При этом конденсаторная батарея может быть включена звездой или треугольником. При соединении треугольником напряжение каждой фазы конденсаторной батареи оказывается равным линейному напряжению сети, т. е. U_ф = U_л. Если учесть, что линейное напряжение при соединении батареи конденсаторов звездой , т. е. в раз больше фазного, то при соединении треугольником требуемая для компенсации коэффициента мощности в заданных пределах емкость конденсаторной батареи оказывается втрое меньшей, чем при соединении ее звездой. Поэтому включение батареи конденсаторов треугольником следует считать предпочтительным, если это допускает рабочее значение напряжения конденсаторов.

Что такое реактивная мощность и как её рассчитать?

Многие потребители электроэнергии не подозревают того, что часть учтённого электричества расходуется бесполезно. В зависимости от вида нагрузки уровень потерь электроэнергии может достигать от 12 до 50%. При этом счетчики электроэнергии засчитывают эти потери, относя их к полезной работе, за что приходится платить. Виной завышения оплаты за потребление электроэнергии, не выполняющей полезной работы, является реактивная мощность, присутствующая в сетях переменных токов.

Чтобы понять, за что мы переплачиваем и как компенсировать влияние реактивных мощностей на работу электрических установок, рассмотрим причину появления реактивной составляющей при передаче электроэнергии. Для этого придётся разобраться в физике процесса, связанного с переменным напряжением.

Что такое реактивная мощность?

Для начала рассмотрим понятие электрической мощности. В широком смысле слова, этот термин означает работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электрической энергии, понятие мощности немного откорректируем: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, реально характеризующую скорость генерации тока или количество переданной либо потреблённой электроэнергии в единицу времени.

Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.

При наличии в электрической цепи ёмкостных или индуктивных нагрузок, появляются паразитные токи, не участвующие в выполнении полезной работы. Мощность этих токов называют реактивной.

На индуктивных и ёмкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует выполнению полезной работы.

К устройствам с индуктивными нагрузками относятся:

• электромоторы;
• дроссели;
• трансформаторы;
• электромагнитные реле и другие устройства, содержащие обмотки.

Ёмкостными сопротивлениями обладают конденсаторы.

Физика процесса

Когда мы имеем дело с цепями постоянного тока, то говорить о реактивной мощности не приходится. В таких цепях значения мгновенной и полной мощности совпадают. Исключением являются моменты включения и отключения ёмкостных и индуктивных нагрузок.

Похожая ситуация происходит при наличии чисто активных сопротивлений в синусоидальных цепях. Однако если в такую электрическую цепь включены устройства с индуктивными или ёмкостными сопротивлениями, происходит сдвиг фаз по току и напряжению (см. рис.1).

При этом на индуктивностях наблюдается отставание тока по фазе, а на ёмкостных элементах фаза тока сдвигается так, что ток опережает напряжение. В связи с нарушением гармоники тока, полная мощность разлагается на две составляющие. Ёмкостные и индуктивные составляющие называют реактивными, бесполезными. Вторая составляющая состоит из активных мощностей.

Рис. 1. Сдвиг фаз индуктивной нагрузкой

Угол сдвига фаз используется при вычислениях значений активных и реактивных ёмкостных либо индуктивных мощностей. Если угол φ = 0, что имеет место при резистивных нагрузках, то реактивная составляющая отсутствует.

Важно запомнить:

• резистор потребляет исключительно активную мощность, которая выделяется в виде тепла и света;
• катушки индуктивности провоцируют образование реактивной составляющей и возвращают её в виде магнитных полей;
• Ёмкостные элементы (конденсаторы) являются причиной появления реактивных сопротивлений.

Треугольник мощностей и cos φ

Для наглядности изобразим полную мощность и её составляющие в виде векторов (см. рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющей присвоим символы P и Q, соответственно. Поскольку вектор S является суммой составляющих тока, то, по правилу сложения векторов, образуется треугольник мощностей.

Рис. 2. коэффициент мощности

Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:

Отсюда можно найти реактивную составляющую:

Реактивная составляющая

Выше мы уже упоминали, что реактивная мощность зависит от сдвига фаз, а значит и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выражать через cos φ. По определению cos φ = P/S. Данную величину называют коэффициентом мощности и обозначают P_f. Таким образом, P_f = cos φ = P/S.

Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить эффективность работы тока. Данная величина находится в промежутке от 0 до 1.

Если угол сдвига фаз принимает нулевое значение, то cos φ = 1, а это значит что P = S, то есть полная мощность состоит только из активной мощности, а реактивность отсутствует. При сдвиге фаз на угол π/2 , cos φ = 0, откуда следует, что в цепи господствуют только реактивные токи (на практике такая ситуация не возникает).

Из этого можно сделать вывод: чем ближе к 1 коэффициент P_f , тем эффективнее используется ток. Например, для синхронных генераторов приемлемым считается коэффициент от 0,75 до 0,85.

Формулы

Поскольку реактивная мощность зависит от угла φ, то для её вычисления применяется формула: Q = UI×sin φ. Единицей измерения реактивной составляющей является вар или кратная ей величина – квар.

Активную составляющую находят по формуле: P = U*I×cosφ. Тогда

Зная коэффициент P_f (cos φ), мы можем рассчитать номинальную мощность потребителя тока по его номинальному напряжению, умноженному на значение силы потребляемого тока.

Способы компенсации

Мы уже выяснили, как влияют реактивные токи на работу устройств и оборудования с индуктивными или ёмкостными нагрузками. Для уменьшения потерь в электрических сетях с синусоидальным током их оборудуют дополнительными устройствами компенсации.

Принцип действия установок компенсации основан на свойствах индуктивностей и ёмкостей по сдвигу фаз в противоположные стороны. Например, если обмотка электромотора сдвигает фазу на угол φ, то этот сдвиг можно компенсировать конденсатором соответствующей ёмкости, который сдвигает фазу на величину – φ. Тогда результирующий сдвиг будет равняться нулю.

На практике компенсирующие устройства подключают параллельно нагрузкам. Чаще всего они состоят из блоков конденсаторов большой ёмкости, расположенных в отдельных шкафах. Одна из таких конденсаторных установок изображена на рисунке 3. На картинке видно группы конденсаторов, используемых для компенсации сдвигов напряжений в различных устройствах с индуктивными обмотками.

Рис. 3. Устройство компенсации

Компенсацию реактивной мощности ёмкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рисунке 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше сетевое напряжение, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).

Рис. 4. Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов

Устройства компенсации часто устанавливаются в производственных цехах, где работает много устройств на электроприводах. Потери электричества при этом довольно ощутимы, а качество тока сильно ухудшается. Конденсаторные установки успешно решают подобные проблемы.

Нужны ли устройства компенсации в быту?

На первый взгляд в домашней сети не должно быть больших реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают электрическая техника с резистивными нагрузками:

• электрочайник (P_f = 1);
• лампы накаливания (P_f = 1);
• электроплита (P_f = 1) и другие нагревательные приборы;

Коэффициенты мощности современной бытовой техники, такой как телевизор, компьютер и т.п. близки к 1. Ими можно пренебречь.

Но если речь идёт о холодильнике (P_f = 0,65), стиральной машине и микроволновой печи, то уже стоит задуматься об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, тогда установка устройства компенсации более чем желательна.

Экономический эффект от установки таких устройств ощутимо скажется на вашем семейном бюджете. Вы сможете экономить около 15% средств ежемесячно. Согласитесь, это не так уж мало, учитывая тарифы не электроэнергию.

Попутно вы решите следующие вопросы:

• уменьшение нагрузок на индуктивные элементы и на проводку;
• улучшение качества тока, способствующего стабильной работе электронных устройств;
• понижение уровня высших гармоник в бытовой сети.

Для того чтобы ток и напряжение работали синфазно, устройства компенсации следует размещать как можно ближе к потребителям тока. Тогда реальная отдача индуктивных электроприёмников будет принимать максимальные значения.