Синус, косинус, тангенс и котангенс в тригонометрии: определения, примеры
Тригонометрия, тригонометрические формулы
В этой статье мы покажем, как даются определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса угла и числа в тригонометрии. Здесь же мы поговорим об обозначениях, приведем примеры записей, дадим графические иллюстрации. В заключение проведем параллель между определениями синуса, косинуса, тангенса и котангенса в тригонометрии и геометрии.
Определение синуса, косинуса, тангенса и котангенса
Проследим за тем, как формируются представление о синусе, косинусе, тангенсе и котангенсе в школьном курсе математики. На уроках геометрии дается определение синуса, косинуса, тангенса и котангенса острого угла в прямоугольном треугольнике. А позже изучается тригонометрия, где говорится о синусе, косинусе, тангенсе и котангенсе угла поворота и числа. Приведем все эти определения, приведем примеры и дадим необходимые комментарии.
Острого угла в прямоугольном треугольнике
Из курса геометрии известны определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса острого угла в прямоугольном треугольнике. Они даются как отношение сторон прямоугольного треугольника. Приведем их формулировки.
Синус острого угла в прямоугольном треугольнике – это отношение противолежащего катета к гипотенузе.
Косинус острого угла в прямоугольном треугольнике – это отношение прилежащего катета к гипотенузе.
Тангенс острого угла в прямоугольном треугольнике – это отношение противолежащего катета к прилежащему.
Котангенс острого угла в прямоугольном треугольнике – это отношение прилежащего катета к противолежащему.
Там же вводятся обозначения синуса, косинуса, тангенса и котангенса – sin, cos, tg и ctg соответственно.
Например, если АВС – прямоугольный треугольник с прямым углом С, то синус острого угла A равен отношению противолежащего катета BC к гипотенузе AB, то есть, sin∠A=BC/AB.
Эти определения позволяют вычислять значения синуса, косинуса, тангенса и котангенса острого угла по известным длинам сторон прямоугольного треугольника, а также по известным значениям синуса, косинуса, тангенса, котангенса и длине одной из сторон находить длины других сторон. Например, если бы мы знали, что в прямоугольном треугольнике катет AC равен 3, а гипотенуза AB равна 7, то мы могли бы вычислить значение косинуса острого угла A по определению: cos∠A=AC/AB=3/7.
К началу страницы
В тригонометрии на угол начинают смотреть более широко — вводят понятие угла поворота. Величина угла поворота, в отличие от острого угла, не ограничена рамками от 0 до 90 градусов, угол поворота в градусах (и в радианах) может выражаться каким угодно действительным числом от −∞ до +∞.
В этом свете дают определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса уже не острого угла, а угла произвольной величины — угла поворота. Они даются через координаты x и y точки A1, в которую переходит так называемая начальная точка A(1, 0) после ее поворота на угол α вокруг точки O – начала прямоугольной декартовой системы координат и центра единичной окружности.
Синус угла поворота α — это ордината точки A1, то есть, sinα=y.
Косинусом угла поворота α называют абсциссу точки A1, то есть, cosα=x.
Тангенс угла поворота α — это отношение ординаты точки A1 к ее абсциссе, то есть, tgα=y/x.
Котангенсом угла поворота α называют отношение абсциссы точки A1 к ее ординате, то есть, ctgα=x/y.
Синус и косинус определены для любого угла α, так как мы всегда можем определить абсциссу и ординату точки, которая получается в результате поворота начальной точки на угол α. А тангенс и котангенс определены не для любого угла.
Тангенс не определен для таких углов α, при которых начальная точка переходит в точку с нулевой абсциссой (0, 1) или (0, −1), а это имеет место при углах 90°+180°·k, k∈Z (π/2+π·k рад). Действительно, при таких углах поворота выражение tgα=y/x не имеет смысла, так как в нем присутствует деление на нуль.
Что же касается котангенса, то он не определен для таких углов α, при которых начальная точка переходит к в точку с нулевой ординатой (1, 0) или (−1, 0), а это имеет место для углов 180°·k, k∈Z (π·k рад).
Итак, синус и косинус определены для любых углов поворота, тангенс определен для всех углов, кроме 90°+180°·k, k∈Z (π/2+π·k рад), а котангенс – для всех углов, кроме 180°·k, k∈Z (π·k рад).
В определениях фигурируют уже известные нам обозначения sin, cos, tg и ctg, они используются и для обозначения синуса, косинуса, тангенса и котангенса угла поворота (иногда можно встретить обозначения tan и cot, отвечающие тангенсу и котангенсу).
Так синус угла поворота 30 градусов можно записать как sin30°, записям tg(−24°17′) и ctgα отвечают тангенс угла поворота −24 градуса 17 минут и котангенс угла поворота α. Напомним, что при записи радианной меры угла обозначение «рад» часто опускают.
Например, косинус угла поворота в три пи рад обычно обозначают cos3·π.
В заключение этого пункта стоит заметить, что в разговоре про синус, косинус, тангенс и котангенс угла поворота часто опускают словосочетание «угол поворота» или слово «поворота». То есть, вместо фразы «синус угла поворота альфа» обычно используют фразу «синус угла альфа» или еще короче – «синус альфа». Это же касается и косинуса, и тангенса, и котангенса.
Также скажем, что определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса острого угла в прямоугольном треугольнике согласуются с только что данными определениями синуса, косинуса, тангенса и котангенса угла поворота величиной от 0 до 90 градусов. Это мы обоснуем в последнем пункте этой статьи.
К началу страницы
Дальше возникает потребность отвязаться от углов и дать определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса числа, а не угла.
Синусом, косинусом, тангенсом и котангенсом числа t называют число, равное синусу, косинусу, тангенсу и котангенсу угла поворота в t радианов соответственно.
Например, косинус числа 8·π по определению есть число, равное косинусу угла в 8·π рад. А косинус угла в 8·π рад равен единице, поэтому, косинус числа 8·π равен 1.
Существует и другой подход к определению синуса, косинуса, тангенса и котангенса числа. Он состоит в том, что каждому действительному числу t ставится в соответствие точка единичной окружности с центром в начале прямоугольной системы координат, и синус, косинус, тангенс и котангенс определяются через координаты этой точки. Остановимся на этом подробнее.
Покажем, как устанавливается соответствие между действительными числами и точками окружности:
- числу 0 ставится в соответствие начальная точка A(1, 0);
- положительному числу t ставится в соответствие точка единичной окружности, в которую мы попадем, если будем двигаться по окружности из начальной точки в направлении против часовой стрелки и пройдем путь длиной t;
- отрицательному числу t ставится в соответствие точка единичной окружности, в которую мы попадем, если будем двигаться по окружности из начальной точки в направлении по часовой стрелке и пройдем путь длиной |t|.
Теперь переходим к определениями синуса, косинуса, тангенса и котангенса числа t. Допустим, что числу t соответствует точка окружности A1(x, y) (например, числу &pi/2; отвечает точка A1(0, 1)).
Синусом числа t называют ординату точки единичной окружности, соответствующей числу t, то есть, sint=y.
Косинусом числа t называют абсциссу точки единичной окружности, отвечающей числу t, то есть, cost=x.
Тангенсом числа t называют отношение ординаты к абсциссе точки единичной окружности, соответствующей числу t, то есть, tgt=y/x. В другой равносильной формулировке тангенс числа t – это отношение синуса этого числа к косинусу, то есть, tgt=sint/cost.
Котангенсом числа t называют отношение абсциссы к ординате точки единичной окружности, соответствующей числу t, то есть, ctgt=x/y. Другая формулировка такова: тангенс числа t – это отношение косинуса числа t к синусу числа t: ctgt=cost/sint.
Здесь отметим, что только что данные определения согласуются с определением, данным в начале этого пункта. Действительно, точка единичной окружности, соответствующая числу t, совпадает с точкой, полученной в результате поворота начальной точки на угол в t радианов.
Еще стоит прояснить такой момент. Допустим, перед нами запись sin3. Как понять, о синусе числа 3 или о синусе угла поворота в 3 радиана идет речь? Обычно это ясно из контекста, в противном случае это скорее всего не имеет принципиального значения.
К началу страницы
Согласно данным в предыдущем пункте определениям, каждому углу поворота α соответствуют вполне определенное значение sinα, как и значение cosα. Кроме того, всем углам поворота, отличным от 90°+180°·k, k∈Z (π/2+π·k рад) отвечают значения tgα, а отличным от 180°·k, k∈Z (π·k рад) – значения ctgα. Поэтому sinα, cosα, tgα и ctgα — это функции угла α. Другими словами – это функции углового аргумента.
Аналогично можно говорить и про функции синус, косинус, тангенс и котангенс числового аргумента. Действительно, каждому действительному числу t отвечает вполне определенное значение sint, как и cost. Кроме того, всем числам, отличным от π/2+π·k, k∈Z соответствуют значения tgt, а числам π·k, k∈Z — значения ctgt.
Функции синус, косинус, тангенс и котангенс называют основными тригонометрическими функциями.
Из контекста обычно понятно, с тригонометрическими функциями углового аргумента или числового аргумента мы имеем дело. В противном случае мы можем считать независимую переменную как мерой угла (угловым аргументом), так и числовым аргументом.
Однако, в школе в основном изучаются числовые функции, то есть, функции, аргументы которых, как и соответствующие им значения функции, являются числами. Поэтому, если речь идет именно о функциях, то целесообразно считать тригонометрические функции функциями числовых аргументов.
К началу страницы
Если рассматривать угол поворота α величиной от 0 до 90 градусов, то данные в контексте тригонометрии определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса угла поворота полностью согласуются с определениями синуса, косинуса, тангенса и котангенса острого угла в прямоугольном треугольнике, которые даются в курсе геометрии. Обоснуем это.
Изобразим в прямоугольной декартовой системе координат Oxy единичную окружность. Отметим начальную точку A(1, 0). Повернем ее на угол α величиной от 0 до 90 градусов, получим точку A1(x, y). Опустим из точки А1 на ось Ox перпендикуляр A1H.
Легко видеть, что в прямоугольном треугольнике угол A1OH равен углу поворота α, длина прилежащего к этому углу катета OH равна абсциссе точки A1, то есть, |OH|=x, длина противолежащего к углу катета A1H равна ординате точки A1, то есть, |A1H|=y, а длина гипотенузы OA1 равна единице, так как она является радиусом единичной окружности.
Тогда по определению из геометрии синус острого угла α в прямоугольном треугольнике A1OH равен отношению противолежащего катета к гипотенузе, то есть, sinα=|A1H|/|OA1|=y/1=y. А по определению из тригонометрии синус угла поворота α равен ординате точки A1, то есть, sinα=y.
Отсюда видно, что определение синуса острого угла в прямоугольном треугольнике эквивалентно определению синуса угла поворота α при α от 0 до 90 градусов.
Аналогично можно показать, что и определения косинуса, тангенса и котангенса острого угла α согласуются с определениями косинуса, тангенса и котангенса угла поворота α.
- Геометрия. 7-9 классы: учеб. для общеобразоват. учреждений / [Л. С. Атанасян, В. Ф. Бутузов, С. Б. Кадомцев и др.]. — 20-е изд. М.: Просвещение, 2010. — 384 с.: ил. — ISBN 978-5-09-023915-8.
- Погорелов А. В. Геометрия: Учеб. для 7-9 кл. общеобразоват. учреждений/ А. В. Погорелов. — 2-е изд — М.
: Просвещение, 2001. — 224 с.: ил. — ISBN 5-09-010803-X.
- Алгебра и элементарные функции: Учебное пособие для учащихся 9 класса средней школы / Е. С. Кочетков, Е. С. Кочеткова; Под редакцией доктора физико-математических наук О. Н. Головина.- 4-е изд. М.: Просвещение, 1969.
- Алгебра:
Источник: http://www.cleverstudents.ru/trigonometry/sine_cosine_tangent_cotangent.html
Таблица значений тригонометрических функций
Развернуть структуру обучения
структуру обучения
Примечание. В данной таблице значений тригонометрических функций используется знак √ для обозначения квадратного корня. Для обозначения дроби — символ «/».
См. также полезные материалы:
Для определения значения тригонометрической функции, найдите его на пересечении строки с указанием тригонометрической функции.
Например, синус 30 градусов — ищем колонку с заголовком sin (синус) и находим пересечение этой колонки таблицы со строкой «30 градусов», на их пересечении считываем результат — одна вторая.
Аналогично находим косинус 60 градусов, синус 60 градусов (еще раз, в пересечении колонки sin (синус) и строки 60 градусов находим значение sin 60 = √3/2 ) и т.д. Точно так же находятся значения синусов, косинусов и тангенсов других «популярных» углов.
Синус пи, косинус пи, тангенс пи и других углов в радианах
Приведенная ниже таблица косинусов, синусов и тангенсов также подходит для нахождения значения тригонометрических функций, аргумент которых задан в радианах. Для этого воспользуйтесь второй колонкой значений угла. Благодаря этому можно перевести значение популярных углов из градусов в радианы. Например, найдем угол 60 градусов в первой строке и под ним прочитаем его значение в радианах. 60 градусов равно π/3 радиан.
Число пи однозначно выражает зависимость длины окружности от градусной меры угла. Таким образом, пи радиан равны 180 градусам.
Любое число, выраженное через пи (радиан) можно легко перевести в градусную меру, заменив число пи (π) на 180.
Примеры:
1. Синус пи. sin π = sin 180 = 0
таким образом, синус пи — это тоже самое, что синус 180 градусов и он равен нулю.
2. Косинус пи. cos π = cos 180 = -1
таким образом, косинус пи — это тоже самое, что косинус 180 градусов и он равен минус единице.
3. Тангенс пи tg π = tg 180 = 0
таким образом, тангенс пи — это тоже самое, что тангенс 180 градусов и он равен нулю.
Таблица значений синуса, косинуса, тангенса для углов 0 — 360 градусов (часто встречающиеся значения)
| значение угла α (градусов) | значение угла α в радианах (через число пи) |
Источник: https://profmeter.com.ua/communication/learning/course/course7/lesson228/
Реактивная мощность и cos фи
Рассмотрим такие понятия, как:реактивная мощность, коэффициент мощности ( cos фи), низкое значение Cos FI и способы его повышения.
Что такое реактивная мощность?
Коэффициент мощности cos фи (φ) определяется как отношение полезной мощности к полной. Математически это определение часто записывают в виде кВт/кВА, где числитель – активная (действительная) мощность, а знаменатель – кажущаяся (активная + реактивная, полная) мощность. И хотя определение выглядит весьма простым, само понятие реактивной мощности весьма зачастую туманно и запутанно даже для людей с неплохой технической подготовкой.
Объяснение понятия реактивной мощности основывается на том, что в системе переменного тока в случае, когда напряжение и ток возрастают и уменьшаются одновременно, передается только активная мощность, а когда между током и напряжением есть сдвиг во времени (сдвиг по фазе), передается как активная, так и реактивная мощность. Однако, при расчете среднего за период значения, присутствует только среднее значение активной мощности, которое приводит к «чистой» передаче энергии из одной точки в другую, тогда как среднее значение реактивной мощности равно нулю, независимо от структуры и режима работы системы.
В случае реактивной мощности количество энергии, протекающее в одном направлении равно количеству энергии, протекающему в противоположном направлении (иначе говоря, реактивные элементы сети – конденсаторы, индуктивности и др. – обмениваются реактивной энергией). Это означает, что реактивная мощность не производится и не потребляется.
Но, в действительности, мы наблюдаем потери реактивной мощности и внедряем много различного оборудования для ее компенсации, чтобы уменьшить потребление электроэнергии и затраты.
Заблуждения о законе сохранения энергии
Закон сохранения энергии, не подвергаемый сомнению, гласит: «энергия ни откуда не возникает и никуда не исчезает», а мы все еще продолжаем говорить о «сбережении энергии»!! Заблуждения возникают тогда, когда мы рассуждаем о законе сохранения, игнорируя другие законы термодинамики, в частности закон, гласящий, что энтропия («низкосортная» энергия) постоянно увеличивается.
В математическом смысле «полная» энергия не имеет значения для потребителя энергии, следовательно, он должен заботиться об эффективности ее преобразования и сохранения. Точно так же, несмотря на то, что мы можем доказать математически, что потери реактивной мощности не являются реальными потерями и реактивная энергия вообще не тратится, у нас есть целый ряд причин для коррекции реактивной мощности.
Это проще объяснить на основе физических аналогий.
Физические аналогии
Предположим, нам надо заполнить водой резервуар, выливая по одному ведру за раз. Единственный способ сделать это – подняться по лестнице с ведром воды и вылить ведро в емкость. Вылив ведро, мы должны спуститься по лестнице за следующим ведром. За этот цикл (подъем по лестнице и спуск) мы проделали определенную работу, причем энергия, затраченная на подъем, больше энергии, требуемой для спуска.
Если бы мы поднялись по лестнице с пустым ведром и с ним же спустились, то мы не совершили бы никакой работы. Но энергия для подъема и спуска осталась бы такой же. И хотя мы не совершали никакой полезной работы, мы затратили некоторое количество энергии.
Таким образом, энергия, необходимая на подъем и спуск по лестнице с пустыми руками, требует реактивной мощности, но не полезной. А энергия, затраченная на подъем с ведром воды и спуск с пустым ведром, требует как активной мощности, так и реактивной.
Аналогия может быть распространена и на трехфазные системы, если поставить три лестницы к резервуару и заставить трех человек подниматься по ним в такой последовательности, чтобы наполнение резервуара было непрерывным.
Что вызывает низкий коэффициент мощности cos φ (cos фи) в электрической системе?
Перечислим некоторые причины, которые способствуют возникновению в системе низкого коэффициента мощности:
- индуктивные нагрузки, особенно недогруженные асинхронные двигатели и трансформаторы;
- индукционные печи и дуговые печи с реакторами;
- дуговые лампы;
- токоограничивающие реакторы;
- повышенное напряжение.
Реактивная мощность, потребляемая этими нагрузками, увеличивает значение полной мощности в распределительной сети, и такое увеличение реактивной и полной мощности вызывает снижение коэффициента мощности.
Как повысить коэффициент мощности cos φ?
Коэффициент мощности можно повысить путем дополнительного подключения в сеть потребителей реактивной мощности, таких как конденсаторы или асинхронные двигатели.
Также его можно увеличить за счет полного использования по нагрузке асинхронных двигателей и трансформаторов и за счет применения высокоскоростных двигателей. Применение автоматической системы переключения отводов обмоток трансформаторов также способствует повышению коэффициента мощности.
При каких обстоятельствах коррекция коэффициента мощности способна:
а) снизить потребление электроэнергии на предприятии?
Повышение коэффициента мощности cos фи (cos φ) на предприятии за счет внедрения любого из вышеупомянутых способов компенсирует потери и уменьшает токовые нагрузки на оборудование электросети, т.е.
кабели, распределительные коммутационные устройства, трансформаторы, генерирующие установки и т.д.
Это означает, что коррекция коэффициента мощности cos фи там, где она возможна, уменьшит потребление электроэнергии на предприятии и, в свою очередь, снизит стоимость электроэнергии.
Повышение коэффициента мощности cos φ приводит к снижению энергопотребления, когда коррекция реализована на уровне отдельных потребителей (т.е. оборудования) или на уровне распределительного устройства.
Но это не приведет к снижению энергопотребления, если предприятие, получающее энергию из общей сети, вынесет коррекцию на уровень питающего/входного напряжения только для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию, потребляемую из сети.
Если предприятие осуществляет такую коррекцию для своей собственной системы генерации электроэнергии, то в этом случае экономия на стоимости (либо электроэнергии, либо стоимости топлива) будет иметь место за счет снижения потерь в генераторе.
б) сократить только затраты на электроэнергию?
Коррекция коэффициента мощности cos φ (cos фи) приведет только к уменьшению стоимости электроэнергии в случае, если предприятие, получающее энергию из общей сети, вынесет коррекцию на уровень питающего/входного напряжения только для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию, потребляемую из сети.
Как правило, cos фи повышают до значения 0.95-0.98, а дальнейшее его повышение до единицы может привести к увеличению срока окупаемости мероприятий по коррекции.
в) снизить затраты и потребление электроэнергии?
Во всех остальных случаях, кроме вышеописанных исключений, повышение коэффициента мощности в конечном итоге приводит к снижению потребления энергии и, следовательно, к снижению стоимости электроэнергии. Однако окупаемость инвестиций за счет повышения коэффициента мощности зависит от типа предприятия и многих других факторов, таких как тариф на электроэнергию, схемы загрузки оборудования, метода производства и использования мощности и т.д.
Коррекция коэффициента мощности cos фи осуществляется за счет индивидуальной или групповой коррекции.
| увеличение нагрузочной способности распределительной сети | удельная стоимость (на квар) конденсаторов малых габаритов выше, чем стоимость больших конденсаторов |
| возможность аппаратного отключения, не требуется дополнительных коммутаций | экономическая целесообразность обычно до 10 л.с. |
| лучше стабилизация напряжения | затрудненная установка в местах с особыми требованиями (пожаробезопасные и защищенные исполнения) |
| простота определения типоразмера конденсатора | необходимость в дополнительном оборудовании для обслуживания |
| конденсаторы, встроенные в оборудование, могут быть перемещены во время реконструкции | если номинал конденсатора слишком велик – больше, чем мощность намагничивания двигателя, возможно повредить двигатель и другое подключенное оборудование |
| увеличение нагрузочной способности системы энергоснабжения | необходимость в коммутирующих устройствах для управления величиной емкости |
| снижение материальных затрат по сравнению с индивидуальной коррекцией | необходимость в индивидуальных коммутирующих устройствах |
| сокращение количества оборудования для обслуживания / простота доступа для контроля | отсутствие снижения потерь в кабелях ниже точки коррекции |
| исключение самовозбуждения асинхронных двигателей из-за высокого значения емкости | высокий срок окупаемости |
| уменьшение удельной цены на квар для устройств больших типоразмеров | отсутствие вклада в увеличение срока службы/эффективности оборудования |
| простота регулирования нагрузки энергосистемы; коэффициент мощности cos φ может быть приближен к единице | опережающий коэффициент мощности на предприятиях с собственной генерацией электроэнергии при неправильной коммутации |
| возможность установки на подстанциях и, следовательно, возможность применения на опасных объектах | вероятность непосредственной коммутации емкостной нагрузки при отключении электроэнергии |
Источник: https://khomovelectro.ru/articles/reaktivnaya-moshchnost-i-cos-fi.html
Синус, косинус, тангенс: что это? Отвечаем на вопрос. Как найти синус, косинус и тангенс?
Одним из разделов математики, с которыми школьники справляются с наибольшими трудностями, является тригонометрия.
Неудивительно: для того чтобы свободно овладеть этой областью знаний, требуется наличие пространственного мышления, умение находить синусы, косинусы, тангенсы, котангенсы по формулам, упрощать выражения, уметь применять в вычислениях число пи.
Помимо этого, нужно уметь применять тригонометрию при доказательстве теорем, а это требует либо развитой математической памяти, либо умения выводить непростые логические цепочки.
Истоки тригонометрии
Знакомство с данной наукой следует начать с определения синуса, косинуса и тангенса угла, однако прежде необходимо разобраться, чем вообще занимается тригонометрия.
Исторически главным объектом исследования данного раздела математической науки были прямоугольные треугольники. Наличие угла в 90 градусов дает возможность осуществлять различные операции, позволяющие по двум сторонам и одному углу либо по двум углам и одной стороне определять значения всех параметров рассматриваемой фигуры. В прошлом люди заметили эту закономерность и стали активно ею пользоваться при строительстве зданий, навигации, в астрономии и даже в искусстве.
Начальный этап
Первоначально люди рассуждали о взаимоотношении углов и сторон исключительно на примере прямоугольных треугольников. Затем были открыты особые формулы, позволившие расширить границы употребления в повседневной жизни данного раздела математики.
Изучение тригонометрии в школе сегодня начинается с прямоугольных треугольников, после чего полученные знания используются учениками в физике и решении абстрактных тригонометрических уравнений, работа с которыми начинается в старших классах.
Сферическая тригонометрия
Позже, когда наука вышла на следующий уровень развития, формулы с синусом, косинусом, тангенсом, котангенсом стали использоваться в сферической геометрии, где действуют иные правила, а сумма углов в треугольнике всегда больше 180 градусов.
Данный раздел не изучается в школе, однако знать о его существовании необходимо как минимум потому, что земная поверхность, да и поверхность любой другой планеты, является выпуклой, а значит, любая разметка поверхности будет в трёхмерном пространстве «дугообразной».
Возьмите глобус и нитку. Приложите нитку к двум любым точкам на глобусе, чтобы она оказалась натянутой. Обратите внимание – она обрела форму дуги. С такими формами и имеет дело сферическая геометрия, применяющаяся в геодезии, астрономии и других теоретических и прикладных областях.
Прямоугольный треугольник
Немного узнав про способы применения тригонометрии, вернемся к базовой тригонометрии, чтобы в дальнейшем разобраться, что такое синус, косинус, тангенс, какие расчёты можно с их помощью выполнять и какие формулы при этом использовать.
Первым делом необходимо уяснить понятия, относящиеся к прямоугольному треугольнику. Во-первых, гипотенуза – это сторона, лежащая напротив угла в 90 градусов. Она является самой длинной. Мы помним, что по теореме Пифагора её численное значение равно корню из суммы квадратов двух других сторон.
Например, если две стороны равны 3 и 4 сантиметрам соответственно, длина гипотенузы составит 5 сантиметров. Кстати, об этом знали ещё древние египтяне около четырех с половиной тысяч лет назад.
Две оставшиеся стороны, которые образуют прямой угол, носят название катетов. Кроме того, надо помнить, что сумма углов в треугольнике в прямоугольной системе координат равняется 180 градусам.
Определение
Наконец, твердо понимая геометрическую базу, можно обратиться к определению синуса, косинуса и тангенса угла.
Синусом угла называется отношение противолежащего катета (т. е. стороны, располагающейся напротив нужного угла) к гипотенузе. Косинусом угла называется отношение прилежащего катета к гипотенузе.
Запомните, что ни синус, ни косинус не может быть больше единицы! Почему? Потому что гипотенуза – это по умолчанию самая длинная сторона прямоугольного треугольника. Каким бы длинным ни был катет, он будет короче гипотенузы, а значит, их отношение всегда будет меньше единицы. Таким образом, если у вас в ответе к задаче получился синус или косинус со значением, большим, чем 1, ищите ошибку в расчётах или рассуждениях. Этот ответ однозначно неверен.
Наконец, тангенсом угла называется отношение противолежащей стороны к прилежащей. Тот же самый результат даст деление синуса на косинус. Посмотрите: в соответствии с формулой мы делим длину стороны на гипотенузу, после чего делим на длину второй стороны и умножаем на гипотенузу. Таким образом, мы получаем то же самое соотношение, что и в определении тангенса.
Котангенс, соответственно, представляет собой отношение прилежащей к углу стороны к противолежащей. Тот же результат мы получим, разделив единицу на тангенс.
Итак, мы рассмотрели определения, что такое синус, косинус, тангенс и котангенс, и можем заняться формулами.
Простейшие формулы
В тригонометрии не обойтись без формул – как найти синус, косинус, тангенс, котангенс без них? А ведь именно это требуется при решении задач.
Первая формула, которую необходимо знать, начиная изучать тригонометрию, говорит о том, что сумма квадратов синуса и косинуса угла равна единице. Данная формула является прямым следствием теоремы Пифагора, однако позволяет сэкономить время, если требуется узнать величину угла, а не стороны.
Многие учащиеся не могут запомнить вторую формулу, также очень популярную при решении школьных задач: сумма единицы и квадрата тангенса угла равна единице, деленной на квадрат косинуса угла.
Присмотритесь: ведь это то же самое утверждение, что и в первой формуле, только обе стороны тождества были поделены на квадрат косинуса. Выходит, простая математическая операция делает тригонометрическую формулу совершенно неузнаваемой.
Помните: зная, что такое синус, косинус, тангенс и котангенс, правила преобразования и несколько базовых формул вы в любой момент сможете сами вывести требуемые более сложные формулы на листе бумаги.
Формулы двойного угла и сложения аргументов
Ещё две формулы, которые требуется выучить, связаны со значениями синуса и косинуса при сумме и разности углов. Они представлены на рисунке ниже. Обратите внимание, что в первом случае оба раза перемножается синус и косинус, а во втором складывается попарное произведение синуса и косинуса.
Также существуют формулы, связанные с аргументами в виде двойного угла. Они полностью выводятся из предыдущих – в качестве тренировки попробуйте получить их самостоятельно, приняв угол альфа равным углу бета.
Наконец, обратите внимание, что формулы двойного угла можно преобразовать так, чтобы понизить степень синуса, косинуса, тангенса альфа.
Теоремы
Двумя основными теоремами в базовой тригонометрии являются теорема синусов и теорема косинусов. С помощью этих теорем вы легко сможете понять, как найти синус, косинус и тангенс, а значит, и площадь фигуры, и величину каждой стороны и т. д.
Теорема синусов утверждает, что в результате деления длины каждой из сторон треугольника на величину противолежащего угла мы получим одинаковое число. Более того, это число будет равно двум радиусам описанной окружности, т. е. окружности, содержащей все точки данного треугольника.
Теорема косинусов обобщает теорему Пифагора, проецируя её на любые треугольники. Оказывается, из суммы квадратов двух сторон вычесть их произведение, умноженное на двойной косинус смежного им угла — полученное значение окажется равно квадрату третьей стороны. Таким образом, теорема Пифагора оказывается частным случаем теоремы косинусов.
Ошибки по невнимательности
Даже зная, что такое синус, косинус и тангенс, легко совершить ошибку из-за рассеянности внимания или ошибки в простейших расчётах. Чтобы избежать таких ошибок, ознакомимся с наиболее популярными из них.
Во-первых, не следует преобразовывать обыкновенные дроби в десятичные до получения окончательного результата – можно и ответ оставить в виде обыкновенной дроби, если в условии не оговорено обратное.
Такое преобразование нельзя назвать ошибкой, однако следует помнить, что на каждом этапе задачи могут появиться новые корни, которые по задумке автора должны сократиться. В этом случае вы напрасно потратите время на излишние математические операции.
Особенно это актуально для таких значений, как корень из трёх или из двух, ведь они встречаются в задачах на каждом шагу. То же касается округлений «некрасивых» чисел.
Далее, обратите внимание, что к любому треугольнику применима теорема косинусов, но не теорема Пифагора! Если вы по ошибке забудете вычесть удвоенное произведение сторон, умноженное на косинус угла между ними, вы не только получите совершенно неверный результат, но и продемонстрируете полное непонимание предмета. Это хуже, чем ошибка по невнимательности.
В-третьих, не путайте значения для углов в 30 и 60 градусов для синусов, косинусов, тангенсов, котангенсов. Запомните эти значения, ведь синус 30 градусов равен косинусу 60, и наоборот. Их легко перепутать, вследствие чего вы неизбежно получите ошибочный результат.
Применение
Многие ученики не спешат приступать к изучению тригонометрии, поскольку не понимают её прикладного смысла.
Что такое синус, косинус, тангенс для инженера или астронома? Это понятия, благодаря которым можно вычислить расстояние до далёких звёзд, предсказать падение метеорита, отправить исследовательский зонд на другую планету.
Без них нельзя построить здание, спроектировать автомобиль, рассчитать нагрузку на поверхность или траекторию движения предмета. И это только самые очевидные примеры! Ведь тригонометрия в том или ином виде используется повсюду, начиная от музыки и заканчивая медициной.
В заключение
Итак, вы знаете, что такое синус, косинус, тангенс. Вы можете использовать их в расчётах и успешно решать школьные задачи.
Вся суть тригонометрии сводится к тому, что по известным параметрам треугольника нужно вычислить неизвестные. Всего этих параметров шесть: длины трёх сторон и величины трёх углов. Всё различие в задачах заключается в том, что даются неодинаковые входные данные.
Как найти синус, косинус, тангенс исходя из известных длин катетов или гипотенузы, вы теперь знаете. Поскольку эти термины обозначают не что иное, как отношение, а отношение – это дробь, главной целью тригонометрической задачи становится нахождение корней обычного уравнения либо же системы уравнений. И здесь вам поможет обычная школьная математика.
Источник: https://autogear.ru/article/333/284/sinus-kosinus-tangens-chto-takoe-kak-nayti-sinus-kosinus-i-tangens/
Косинус фи, тангенс фи
Передача электрической энергии неизбежно сопровождается потерями. Часть мощности рассеивается при прохождении тока по линии электропередач, проводам и кабелям: любой провод имеет ненулевое активное сопротивление. Часть электрической мощности, пришедшая к потребителю, используется для совершения полезной работы и тепловое рассеяние на нагрузке у потребителя. Но не вся дошедшая до потребителя мощность к нему попадает. В чем причина, и куда девается остальная электроэнергия?
Причина нерационального использования электроэнергии – характер сопротивления нагрузки. Электрические цепи характеризуются сопротивлением переменному току, и это сопротивление имеет активную и реактивную составляющую. На активном сопротивлении электрическая мощность рассеивается, реактивное сопротивление не рассеивает мощность, но создает фазовый сдвиг между переменным напряжением и током.
В идеале фазовый такой сдвиг должен быть нулевым, тогда использование энергии потребителем максимальное. Но на практике ток несколько отстает от напряжения или опережает его, в зависимости от того, носит ли сопротивление нагрузки емкостной или индуктивный характер.
Почему фазовый сдвиг приводит к потерям электроэнергии?
Если активное сопротивление проводника просто рассеивает электроэнергию, переводя ее в тепловую, то фазовый сдвиг между током и напряжением приводит к повышенному расходу энергии на электростанции.
Процесс, происходящий при подаче переменного тока на нагрузку с реактивной составляющей, можно представить, как частичное отражение электрической волны от нагрузки, возвращение ее в электросеть. Такая отраженная мощность в итоге рассеивается на активном сопротивлении проводов.
Эффективность энергопотребления зависит от соотношения между активной и реактивной составляющими полного сопротивления нагрузки.
Треугольник сопротивлений и электрические потери
Соотношения между активным, реактивным и полным сопротивлениями нагрузки можно наглядно представить в виде треугольника сопротивлений.
Мерой реактивного сопротивления является косинус φ, то есть косинус угловой меры фазового сдвига между напряжением и током. Чем больше реактивная составляющая, тем активнее нагрузка «сопротивляется» подаче переменного тока.
Коэффициент мощности и cos(φ)
Отношение активной мощности, потребляемой в нагрузке, и полной мощности, подаваемой на нагрузку по линии электропередач, численно равно cos(φ), где φ – угол фазового сдвига между током и напряжением. Это отношение называется коэффициентом мощности, используется также термин косинус фи.
Коэффициент мощности, теоретически, может меняться от нуля до 1. Это соответствует использованию в нагрузке от 0% поступающей электроэнергии до 100%. При этом стопроцентное потребление мощности соответствует чисто активной нагрузке, φ=0, cos(φ)=1.
С другой стороны, 0% — крайне нежелательный вариант, когда φ=π/2, cos(φ)=0, при этом вся подаваемая мощность переменного тока отражается от реактивной нагрузки и рассеивается в подводящих проводах.
На практике коэффициент мощности имеет промежуточное значение; например, φ= π/2, cos(φ)=0,701.
Какой косинус лучше?
Качество электрической нагрузки можно повысить, если скомпенсировать реактивность. Значения косинуса φ оцениваются следующим образом:
- 0.91 – отлично
- 0.70.9 – хорошо
- 0.50,7 – допустимо
- Менее 0,5 – плохо
Тангенс фи – характеристика потерь
Рассмотрев треугольник сопротивлений, можно понять смысл термина «тангенс фи». Это отношение между реактивной и активной составляющими нагрузки. При возрастании доли реактивной составляющей тангенс возрастает, в пределе стремясь к бесконечности. Тангенс угла потерь также используется в электроэнергетике, но более привычным является показатель cos(φ).
Источник: http://solo-project.com/articles/10/kosinus-fi-tangens-fi.html
Тригонометрические функции SIN COS в Excel для синуса и косинуса
Функция SIN в Excel используется для вычисления синуса угла, заданного в радианах, и возвращает соответствующее значение.
Функция SINH в Excel возвращает значение гиперболического синуса заданного вещественного числа.
Функция COS в Excel вычисляет косинус угла, заданного в радианах, и возвращает соответствующее значение.
Функция COSH возвращает значение гиперболического косинуса заданного вещественного числа.
Пример 1. Путешественник движется вверх на гору с уклоном в 17°. Скорость движения постоянная и составляет 4 км/ч. Определить, на какой высоте относительно начальной точке отсчета он окажется спустя 3 часа.
Таблица данных:
Для решения используем формулу:
=B2*B3*SIN(РАДИАНЫ(B1))
Описание аргументов:
- B2*B3 – произведение скорости на время пути, результатом которого является пройденное расстояние (гипотенуза прямоугольного треугольника);
- SIN(РАДИАНЫ(B1)) – синус угла уклона, выраженного в радианах с помощью функции РАДИАНЫ.
В результате расчетов мы получили величину малого катета прямоугольного треугольника, который характеризует высоту подъема путешественника.
Пример 2. Ранее в учебных заведениях широко использовались справочники тригонометрических функций. Как можно создать свой простой справочник с помощью Excel для косинусов углов от 0 до 90?
Заполним столбцы значениями углов в градусах:
Для заполнения используем функцию COS как формулу массива. Пример заполнения первого столбца:
=COS(РАДИАНЫ(A2:A16))
Вычислим значения для всех значений углов. Полученный результат:
Примечание: известно, что cos(90°)=0, однако функция РАДИАНЫ(90) определяет значение радианов угла с некоторой погрешностью, поэтому для угла 90° было получено отличное от нуля значение.
Аналогичным способом создадим таблицу синусов в Excel:
Построение графика функций SINH и COSH в Excel
Пример 3. Построить графики функций sinh(x) и cosh(x) для одинаковых значений независимой переменной и сравнить их.
https://www.youtube.com/watch?v=uPgbYQAumdI
Исходные данные:
Формула для нахождения синусов гиперболических:
=SINH(A2:A12)
Формула для нахождения косинусов гиперболических:
=COSH(A2:A12)
Таблица полученных значений:
Построим графики обеих функций на основе имеющихся данных. Выделите диапазон ячеек A1:C12 и выберите инструмент «ВСТАВКА»-«Диаграммы»-«Вставь точечную (X,Y) или пузырьковую диаграмму»-«Точечная с гладкими кривыми и маркерами»:
Как видно, графики совпадают на промежутке (0;+∞), а в области отрицательных значений x части графиков являются зеркальными отражениями друг друга.
Особенности использования тригонометрических функций в Excel
Синтаксис функции SIN:
=SIN(число)
Синтаксис функции SINH:
=SINH(число)
Синтаксис функции COS:
=COS(число)
Синтаксис функции COSH:
>=COSH(число)
Каждая из приведенных выше функций принимает единственный аргумент число, который характеризует угол, заданный в радианах (для SIN и COS) или любое значение из диапазона вещественных чисел, для которого требуется определить гиперболические синус или косинус (для SINH и COSH соответственно).
Примечания 1:
- Если в качестве аргумента любой из рассматриваемых функций были переданы текстовые данные, которые не могут быть преобразованы в числовое значение, результатом выполнения функций будет код ошибки #ЗНАЧ!. Например, функция =SIN(“1”) вернет результат 0,8415, поскольку Excel выполняет преобразование данных там, где это возможно.
- В качестве аргументов рассматриваемых функций могут быть переданы логические значения ИСТИНА и ЛОЖЬ, которые будут интерпретированы как числовые значения 1 и 0 соответственно.
- Все рассматриваемые функции могут быть использованы в качестве формул массива.
Примечения 2:
- Синус гиперболический рассчитывается по формуле: sinh(x)=0,5*(ex-e-x).
- Формула расчета косинуса гиперболического имеет вид: cosh(x)=0,5*( ex+e-x).
- При расчетах синусов и косинусов углов с использованием формул SIN и COS необходимо использовать радианные меры углов. Если угол указан в градусах, для перевода в радианную меру угла можно использовать два способа:
Скачать примеры тригонометрических функций SIN и COS
- Функция РАДИАНЫ (например, =SIN(РАДИАНЫ(30)) вернет результат 0,5;
- Выражение ПИ()*угол_в_градусах/180.
Источник: https://exceltable.com/funkcii-excel/primery-funkciy-sin-sinh-cos-cosh
Тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторного масла
Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) является показателем качества масла, чувствительным к присутствию в масле различных загрязнений (коллоидных образований, растворимых металлоорганических соединений и различных продуктов старения масла и твердой изоляции). Определение tgδ позволяет выявить незначительные изменения свойства масла даже при очень малой степени загрязнения, которые не определяются химическими методами контроля. Характер температурной зависимости tgδ позволяет определить тип загрязнения.
Диэлектрические потери в трансформаторном масле
Диэлектрические потери для свежих масел характеризуют качество и степень очистки масел на заводе, а в эксплуатации – степень загрязнения и старения масла.
Повышение диэлектрических потерь в изоляционных маслах имеет место за счет асфальто-смолистых веществ, которые образуют в масле коллоидный раствор, а также из-за наличия мыл.
Присутствие воды в масле повышает диэлектрические потери и придает U-образную форму зависимости tgδ от температуры. Однако на тангенс угла диэлектрических потерь практически не влияет влага, находящаяся в состоянии истинного раствора. Существует порог концентрации воды в данном масле для заданных температур и относительной влажности воздуха, выше которого tgδ сильно возрастает.
Кислоты при комнатной температуре не повышают диэлектрических потерь масла. При повышении температуры масла потери возрастают и тем более, чем больше кислотное число масла.
Повышение диэлектрических потерь трансформаторного масла может привести к ухудшению всех изоляционных характеристик трансформатора, на основании чего может быть принято ошибочное решение о необходимости сушки трансформатора вместо принятия мер к восстановления масла. Поэтому при получении изоляционных характеристик, не удовлетворяющих нормам, проверяют диэлектрические потери масла.
Диэлектрические потери в твердой изоляции
В реальном трансформаторе имеется не только жидкая, но и твердая изоляция, пропитанная маслом.
Поэтому повышение диэлектрических потерь в маслах в процессе эксплуатации, не связанное с их качеством, может быть обусловлено растворением в них лаков трансформатора, сопровождающимся, как правило, повышением кислотного числа.
В свежих маслах в коллоидном состоянии могут находиться смолы и мыла. В процессе эксплуатации коллоидными веществами, накапливающимися в масле, могут быть:
- компоненты лака обмоток и старого шлама масел;
- мыла, образующиеся в результате взаимодействия кислых продуктов старения масел с метлами трансформатора;
- кислые шламоподобные продукты, не содержащие в своем составе металла, например: кислоты, в том числе асфальтеновые, плохо растворимые в масле, смолы, асфальтены, карбены и другие продукты окисления;
При недостаточно совершенной конструкции трансформаторов имеются места с повышенной напряженностью электрического поля, в которых затруднена циркуляция масла. Именно в этих местах за счет высокой проводимости масла повышается температура. В результате этого усилено идут процессы старения.
Образующиеся при этом продукты в свою очередь повышают tgδ масла и твердой изоляции. Эти взаимосвязанные и ускоряющие друг друга процессы, ведущие к локальному перегреву и старению жидкой и твердой изоляции, в конечном счете могут привести к пробою.
Это опасение является весьма серьезным и подкрепляется рядом случаев пробоя трансформаторов, эксплуатировавшихся на маслах с повышенным tgδ.
Тангенс угла диэлектрических потерь: как определить
На практике диэлектрические потери трансформаторного масла определяются по мостовой схеме. Для этой цели используют мосты переменного тока, образцовый конденсатор, высоковольтный трансформатор, сосуд типа СИМ-2.
Обязательным условием при определении угла диэлектрических потерь является величина напряженности электрического поля между электродами. Она по требования ГОСТ должна быть равной 1 кВ/мм.
Повышение диэлектрических потерь в маслах, не связанное с их качеством, может быть обусловлено растворением компонентов плохо запеченных лаков трансформаторов, сопровождающимся, как правило, повышением кислотного числа. Во время эксплуатации тангенс угла диэлектрических потерь может увеличиваться из-за влияния мыла, образующегося в результате взаимодействия кислых продуктов старения масел с металлами трансформатора.
С практической точки зрения важно не только знать абсолютную величину tgδ в свежем масле, сколько суметь предвидеть изменение ее в процессе эксплуатации.
Источник: https://globecore.ru/tangens-ugla-dielektricheskih-poter/
Коэффициент мощности косинус фи — наглядное объяснение простыми словами
Многие из вас наверняка видели на электроинструментах, двигателях, а также люминесцентных лампах, лампах ДРЛ, ДНАТ и других, такие надписи как косинус фи — cos ϕ.
Однако люди далекие от электротехники и позабывшие школьные уроки физики, не совсем понимают, что же означает данный параметр и зачем он вообще нужен.
Давайте рассмотрим и объясним этот косинус, как можно более простыми словами, исключая всякие непонятные научные определения, типа электромагнитная индукция. В двух словах про него конечно не расскажешь, а вот в трех можно попробовать.
Когда ток отстает от напряжения
Предположим перед вами есть 2 проводника. Один из этих проводников имеет потенциал. Не суть важно какой именно — отрицательный (минус) или положительный (плюс).
У другого провода вообще нет никакого потенциала. Соответственно между этими двумя проводниками будет разность потенциалов, т.к. у одного он есть, а у другого его нет.
Эту разность потенциалов как раз таки и принято называть напряжением.
Если вы соедините кончики двух проводов не непосредственно между собой, а через лампочку накаливания, то через ее вольфрамовую нить начнет протекать ток. От одного провода к другому.
На первый взгляд может показаться, что лампочка загорается моментально. Однако это не так. Ток проходя через нить накала, будет нарастать от своего нулевого значения до номинального, какое-то определенное время.
В какой-то момент он его достигает и держится на этом уровне постоянно. То же самое будет, если подключить не одну, а две, три лампочки и т.д.
А что случится, если вместе с лампой последовательно включить катушку, намотанную из множества витков проволоки?
Изменится ли как-то процесс нарастания тока? Конечно, да.
Данная катушка индуктивности, заметно затормозит время увеличения тока от нуля до максимума. Фактически получится, что максимальное напряжение (разность потенциалов) на лампе уже есть, а вот ток поспевать за ним не будет.
Его нарастание слишком медленное. Из-за чего это происходит и кто виноват? Виноваты витки катушки, которые оказывают влияние друг на друга и тормозят ток.
Если у вас напряжение постоянное, например как в аккумуляторах или в батарейках, ток относительно медленно, но все-таки успеет дорасти до своего номинального значения.
А далее, ток будет вместе с напряжением идти, что называется «нога в ногу».
А вот если взять напряжение из розетки, с переменной синусоидой, то здесь оно не постоянно и будет меняться. Сначала U какое-то время положительная величина, а потом — отрицательная, причем одинаковое по амплитуде. На рисунке это изображается в виде волны.
Эти постоянные колебания не дают нашему току, проходящему сквозь катушку, достигнуть своего установившегося значения и догнать таки напряжение. Только он будет подбираться к этой величине, а напряжение уже начинает падать.
Поэтому в этом случае и говорят, что ток отстает от напряжения.
Причем, чем больше в катушке намотано витков, тем большим будет это самое запаздывание.
Как же это все связано с косинусом фи — cos ϕ?
Что такое коэффициент мощности
А связано это таким образом, что данное отставание тока измеряется углом поворота. Полный цикл синусоиды или волны, который она проходит от нуля до нуля, вместив в себя максимальное и минимальное значение, измеряется в градусах. И один такой цикл равен 360 градусов.
А вот угол отставания тока от напряжения, как раз таки и обозначается греческой буквой фи. Значение косинуса этого угла опаздывания и есть тот самый cos ϕ.
Таким образом, чем больше ток отстает от напряжения, тем большим будет этот угол. Соответственно косинус фи будет уменьшаться.
По научному, ток сдвинутый от напряжения называется фазовым сдвигом. При этом почему-то многие уверены, что синусоида всегда идеальна. Хотя это далеко не так.
В качестве примера можно взять импульсные блоки питания.
Не идеальность синусоиды выражается коэфф. нелинейных искажений — КНИ. Если сложить две эти величины — cos ϕ и КНИ, то вы получите коэффициент мощности.
Однако, чтобы все не усложнять, чаще всего под понятием коэфф. мощности имеют в виду только лишь один косинус фи.
На практике, данный коэффициент мощности рассчитывают не при помощи угла сдвига фаз, а отношением активной мощности к полной.
Активная и реактивная мощность
Существует такое понятие как треугольник мощностей. Сам косинус — это тригонометрическая функция, которая и появилась при изучении свойств прямоугольных треугольников.
Она здорово помогает производить определенные вычисления с ними. Например, наглядно показывает отношение длин прилежащего катета (P-активная мощность) к гипотенузе (S-полная мощность).
То есть, зная угол сдвига, можно узнать, сколько активной мощности содержится в полной. Чем меньше этот угол, тем меньше реактивной составляющей находится в сети, и наоборот.
Только не путайте cos ϕ с КПД. Это разные понятия. Реактивная составляющая не расходуется, а «возвращается» на подстанцию в сеть, т.е. фактически потери ее нет. Только небольшая ее часть может тратиться на нагрев проводов.
В КПД все более четко — полезная мощность используется на нагрев — охлаждение — механическую работу, остальное уходит безвозвратно. Эта разница и показывается в КПД.
Более подробно, с графиками, рисунками и простыми словами, без особых научных формулировок обо всем этом говорится в ролике ниже.
Низкий коэффициент мощности и его последствия
Рассмотренное запаздывание тока относительно напряжения — это не хорошее явление. Как оно может сказаться на ваших лампочках или проводке?
- во-первых, это повышенное потребление электроэнергии
Часть энергии будет просто «болтаться» в катушке, при этом не принося никакой пользы. Правда не пугайтесь, ваш бытовой счетчик реактивную энергию не считает и платить вы за нее не будете.
Например, если вы включите в розетку инструмент или светильник с полной мощностью 100Ва, на блоке питания которого будет указано cos ϕ=0,5. То прибор учета накрутит вам только на половину от этой величины, то есть 50Вт.
Зато по проводам питания будет проходить вся нагрузка, разогревая их бесполезной работой.
- величина тока в проводке увеличится
Вот известное наглядное видео, демонстрирующее последствия этого для проводки.
- для эл.станций и трансформаторов оно вредно перегрузкой
Казалось бы, выбрось катушку и вся проблема исчезнет. Однако делать этого нельзя.
В большинстве светильников, лампы работают не отдельно, а в паре с источниками питания. И в этих самых источниках, как раз таки присутствуют разнообразные катушки.
Катушки просто необходимы как функциональная часть всей схемы и избавиться от них не получится. Например в тех же дроссельных лампах ДРЛ, ДНАТ, люминесцентных и т.п.
Поэтому характеристика коэфф. мощности, здесь больше относится к блоку питания, нежели к самой лампе. Данный cos ϕ может принимать значение от ноля до единицы.
Ноль означает, что полезная работа не совершается. Единица — вся энергия идет на совершение полезной работы.
Чем выше коэффициент мощности, тем ниже потери электроэнергии. Вот таблица косинуса фи для различных потребителей:
Как измерить коэффициент мощности
Если вы не знаете точный коэфф. мощности своего прибора, или его нет на бирке, можно ли измерить косинус фи в домашних условиях, не прибегая к различным формулам и вычислениям? Конечно можно.
Для этого достаточно приобрести широко распространенный инструмент — цифровой ваттметр в розетку.
Подключая любое оборудование через него, можно легко без замеров и сложных вычислений, узнать фактический cos ϕ.
Зачастую, фактические данные могут быть даже точнее, чем написанные на шильдике, которые рассчитаны для идеальных условий.
Если он слишком низкий, что делать, чтобы привести его значение как можно ближе к единице? Можно это дело определенным образом компенсировать. Например, с помощью конденсаторов.
Однако это тема совсем другой статьи.
Источник: https://svetosmotr.ru/koeffitsient-moshhnosti-kosinus-fi-naglyadnoe-obyasnenie/
Увеличение косинуса фи
25 апреля 2015.
Категория: Электротехника.
Недо электродвигателей переменного тока
При недозагрузке электродвигателя потребляемая им активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке. В то же время реактивная мощность изменяется меньше. Поэтому чем меньше нагрузка двигателя, тем с меньшим коэффициентом мощности он работает.
Так, например, асинхронный двигатель в 400 кВт при 1000 оборотах в минуту имеет «косинус фи», равный при полной нагрузке 0,83. При ¾ нагрузки тот же двигатель имеет cos φ = 0,8. При ½ нагрузке cos φ = 0,7 и при ¼ нагрузки cos φ = 0,5.
Двигатели, работающие вхолостую, имеют «косинус фи», равный от 0,1 до 0,3 в зависимости от типа, мощности и скорости вращения.
Неправильный выбор типа электродвигателя
Двигатели быстроходные и большой мощности имеют более высокий «косинус фи», чем тихоходные и маломощные двигатели. Двигатели закрытого типа имеют cos φ ниже, чем двигатели открытого типа. Двигатели, неправильно выбранные по типу, мощности и скорости, понижают cos φ.
Повышение напряжения в сети
В часы малых нагрузок, обеденных перерывов и тому подобного напряжение сети на предприятии увеличивается на несколько вольт. Это ведет к увеличению намагничивающего тока индивидуальных потребителей (реактивной составляющей их полного тока), что в свою очередь вызывает уменьшение cos φ предприятия.
Неправильный ремонт двигателя
При перемотке электродвигателей обмотчики вследствие неправильного подбора проводов иногда не заполняют пазы машины тем количеством проводников, которое было в фабричной обмотке. При работе такого двигателя, вышедшего из ремонта, увеличивается магнитный поток рассеяния, что приводит к уменьшению cos φ двигателя.
При сильном износе подшипников ротор двигателя может задевать при вращении за статор. Вместо того чтобы сменить подшипники, обслуживающий персонал иногда идет по неправильному и вредному пути и подвергает ротор обточке.
Увеличение воздушного зазора между ротором и статором вызывает увеличение намагничивающего тока и уменьшение cos φ двигателя.
Способы увеличения «косинуса фи»
Вышеперечисленные последствия низкого cos φ с достаточной убедительностью говорят о том, что необходимо вести борьбу за высокий cos φ. К мерам увеличения cos φ относятся:
- Правильный выбор типа, мощности и скорости вновь устанавливаемых двигателей;
- Увеличение загрузки двигателей;
- Недопущение работы двигателей вхолостую продолжительное время;
- Правильный и высококачественный ремонт двигателей;
- Применение статических (то есть неподвижных, невращающихся) конденсаторов.
Малый вес конденсаторов, отсутствие вращающихся частей, незначительные потери энергии в них, легкость обслуживания, безопасность и надежность в работе дают возможность широкого применения статических конденсаторов для повышения cos φ двигателей.
Подбирая величину емкости при параллельном соединении и емкости, можно добиться уменьшения угла сдвига фаз между напряжением и общим током при неизменной активной и реактивной мощности, потребляемой ветвью с индуктивностью. Этот угол можно сделать равным нулю. Тогда ток, текущий на общем участке цепи, будет иметь наименьшую величину и совпадать по фазе с напряжением сети.
Это явление называется компенсацией сдвига фаз и широко используется на практике.
По экономическим соображениям невыгодно доводить угол φ до нуля, практически целесообразно иметь cos φ = 0,9 – 0,95.
Рассмотрим расчет емкости конденсаторов, которые нужно включить параллельно индуктивной нагрузке, чтобы повысить cos φ до заданной величины.
На рисунке 1, а изображена схема включения индуктивной нагрузки в сеть переменного тока. Для увеличения коэффициента мощности параллельно потребителю включена батарея конденсаторов. Векторная диаграмма начинается с построения вектора напряжения U.
Ток I1 вследствие индуктивного характера нагрузки отстает по фазе от напряжения сети на угол φ1. Необходимо уменьшить угол сдвига фаз между напряжением U и общим током до величины φ.
Иначе говоря, увеличить коэффициент мощности от значения cos φ1 до значения cos φ.
Рисунок 1. Увеличение cos φ при помощи статических конденсаторов:
а – схема включения; б – векторная диаграмма
Отрезок ос, представляющий активную слагающую тока I1, равен:
ос = I1 × cos φ1 = оа × cos φ1 .
Пользуясь выражением мощности переменного тока
P = U × I × cos φ ,
отрезок ос выразим так:
Ток на общем участке цепи I равен геометрической сумме тока нагрузки I1 и тока конденсатора IC.
Из треугольника оас и овс имеем:
ас = ос × tg φ1 ;
bс = ос × tg φ .
Из диаграммы получаем:
ab = od – ac – bc = ос × tg φ1 – ос × tg φ = oc × (tg φ1 – tg φ) .
Так как и ab = IC , то
Вместе с этим, как было указано выше,
IC = U × ω × C .
Следовательно,
Пример 1. Электрические двигатели шахты потребляют мощность 2000 кВт при напряжении 6 кВ и cos φ1 = 0,6. Требуется найти емкость конденсаторов, которую нужно подключить на шины установки, чтобы увеличить cos φ до 0,9 при f = 50 Гц.
Решение.
cos φ1 = 0,6; φ1 = 53°10’; tg φ1 = 1,335;
cos φ = 0,9; φ = 25°50’; tg φ = 0,484;
Источник: https://www.electromechanics.ru/electrical-engineering/668-increase-cosine-phi.html
