Генераторы. Представления о типах нагрузок

Самое главное, что я попытался донести в этой статье, это понимание того, что при выборе мощности генератора нужно оперировать в первую очередь показателями пусковых токов и максимальных напряжений. Почему? - ответ в статье.

Вспоминая среднюю школу должен признаться, что понимание физики линейных электрических цепей было простым и легким занятием до тех пор, пока в ней не появились конденсаторы и катушки индуктивности, а постоянный ток не сменился переменным. Прекрасные годы студенчества в ВУЗЕ расширили мои познания в этом вопросе, но не отложились в памяти так, как воспоминания о сокурсницах. Естественно, понимание ценности забытых знаний приходит лишь тогда, когда возникает необходимость их использовать. В отношении выбора и эксплуатации генераторов как раз такой случай. Поэтому, давайте вместе разберемся в этом вопросе на бытовом языке в необходимом для практического применения генераторов уровне. Заранее приношу свои извинения знающим и понимающим этот вопрос профессионалам за столь примитивное изложение.

Итак, сначала был постоянный ток. С ним все просто: есть плюс и есть минус, простой линейный закон Ома прекрасно позволяет работать с тремя величинами, характеризующими электрическую цепь: силу тока (А), напряжение (U) и сопротивление цепи (или ее участка) (R). Вот она велика формула, которую знают 90% мужчин:

U=I*R

 

Если в электрическую цепь постоянного во времени тока включить катушку индуктивности, то, отбросив моменты включении и выключении тока, по ней будет протекать постоянный во времени электрический ток, равный напряжению, измеренному на концах катушки, деленному на сопротивление катушки. Сопротивление же катушки определяется материалом, из которого она сделана, его длиной и сечением провода. Зависимость сопротивления от последних трех параметров установлена еще Омом: сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально его сечению и зависит от материала.

R=ρl/S,

где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

Конденсатор же в цепи постоянного тока ведет себя просто шикарно: если отбросить моменты включении и выключения, постоянный ток через конденсатор не течет потому, что между его обкладками присутствует диэлектрик.

Пока все понятно. Ситуация усложняется, когда постоянный ток меняется на переменный.

Еще в 1831 году Майкл Фарадей установил, что если вокруг контурной рамки, сделанной из токопроводящего материала, происходит изменение магнитного поля, то в рамке возникает электрическое поле, а если рамка будет замкнута, то в ней возникает электродвижущая сила, заставляющая электроны проводника двигаться упорядоченно. Иными словами, если вокруг замкнутой токопроводящей рамки происходит изменение магнитного поля, то в самой рамке возникает или, как еще говорят, индуцируется электрический ток. При этом совершенно не важно как происходит изменение магнитного поля. Он же заметил и обратный эффект: если изменять ток, текущий по проводнику, то будет изменяться и возникающее вокруг проводника магнитное поле.

Теперь представьте себе ситуацию, когда по катушке индуктивности течет переменный ток. Он генерирует вокруг катушки изменяющееся во времени магнитное поле (ток-то переменный). И это самое изменяющееся магнитное поле индуцирует в самой катушке дополнительный ток. Но этот индуцированный ток имеет направление, противоположное направлению первоначального тока. То есть, возникает дополнительное сопротивление первоначальному току. Иными словами, сопротивление цепи будет состоять как бы из двух частей: сопротивления материала и сопротивления, вызванного изменяющимся электромагнитным полем вокруг проводника. Первое сопротивление называют активным. Часть энергии тока превращается в тепло. Второе – индуктивное. Часть энергии тока теряется на электромагнитные поля и тепло.

В конденсаторах ситуация близкая: за счет потерь на электромагнитные поля и тепло теряется энергия электрического тока. Этот вид сопротивления называют емкостным.

Индуктивное и емкостное сопротивления обобщенно именуют по другому - реактивным сопротивлением.

Описанные выше явления имеют еще одно последствие, важное для нас. Это так называемый перекос фаз. В идеальном случае, переменный ток генерируется так, что изменение во времени  тока и напряжения происходят одновременно. При этом максимальные мгновенные значения амплитуд тока и напряжения попадают на один и тот же временной интервал. Такое совпадение обеспечивает максимальные значения мощности тока. То есть такой ток максимально полезен потребителю. Но действие реактивных сопротивлений приводит к разбалансированию (искажению) этой системы и максимумы этих двух параметров в одно и тоже мгновение времени не совпадают (один параметр максимален, второй – нет). Это приводит к уменьшению мощности тока и, как следствие, качеству тока для потребителя. Как говорят, происходит смещение графиков тока и напряжения и между ними возникает фаза (это не та фаза, которая в розетке). Чем больше эта фаза, тем меньше мощность тока в каждое мгновение времени. Для характеристики степени реактивности прибора  пользуются параметром косинус фи. Принято считать, что если реактивное сопротивление отсутствует, то этот параметр равен единице. Это случай активного сопротивления.  Пример активного сопротивления из жизни: лампа накаливания, чайник, утюг.  Если реактивная составляющая в приборе присутствует, то этот параметр будет меньше единице.

Теперь о том, как эта теория вопроса работает в нашем случае.

Используемые нами в быту и на производстве электрические приборы в подавляющем большинстве случаев используют элементную базу, которая в том или ином виде содержит емкости и индуктивности. И это подавляющее большинство приборов является реактивной нагрузкой в цепи.  Для нас это означает следующее: необходимо будет различать параметры электрического тока при работе прибора в штатном режиме, в режиме пуска и максимальных режимах нагрузки. Штатный или номинальный режим работы означает, что прибор уже запущен и все рабочие нагрузки к нему приложены (например, дрель что-то сверлит). Для работы прибора в этом режиме от тока потребуется определенная мощность, которая называется номинальной. Когда вы включаете дрель, то в момент ее пуска действие реактивных сопротивлений максимально (физика процессов примерно описана чуть выше, подробности можно узнать, открыв любой советский учебник физики).  К этому можно прибавить инерционность движущихся узлов и деталей (если таковые имеются), сопротивление среды, необходимость вывода прибора в нужный тепловой режим работы и т.д. Одним словом, для того чтобы запустить прибор с реактивным сопротивлением необходимо приложить больше энергии, чем при номинальном режиме работы. Обычно считают, что напряжение в сети (грубо говоря в розетке) величина постоянная и равная в России 220В (хотелось бы, чтобы это было действительно так). Поэтому, когда требуется больше мощности для потребителя, то это увеличение получается за счет роста силы тока. По этой причине на розетках указывают максимальные значения напряжения 220-240В и максимальные значения силы тока (к примеру 8 или 16А). А в отношении прибора говорят о пусковом токе. Кстати, превышать допустимые тока на розетке не рекомендуется – может сгореть. О том, как надо учитывать пусковые тока потребителей при выборе генератора читайте в соответствующей главе.

В общем это все, что нужно знать на бытовом уровне о типах нагрузки. Естественно, перед покупкой генератора необходима консультация профессионала. И не всегда вы сможете найти его в лице продавца. Но теперь вы по крайней мере понимаете, что выбирать мощность генератора оперируя только номинальной мощностью потребителя не достаточно. Нужно знать его пусковые тока и максимальные нагрузки.