Полная мощность и ее составляющие
Электрическая мощность (P) в физике – это мера, показывающая, как быстро происходит трансформация или передача электричества. Единица измерений – ватт (Вт, W). Значение P зависит от напряжения (U) и тока (I) в замкнутой цепи.
Для постоянного тока потребляемая нагрузкой P — это результат произведения тока и напряжения:
P = I*U (А*В = Вт).
P в цепи не изменяющегося тока
Внимание! В этом случае значения обеих электрических характеристик постоянны, значит, в каждую секунду времени их величины мгновенны.
Формула меняет вид, если в цепи присутствует источник электродвижущей силы E (ЭДС):
P = I*E.
Цепям, где ток меняет свои значения периодически по синусоиде, такая формула не подходит. Вычислять P необходимо, опираясь на её мгновенные значения во временном интервале.
Полная мощность S по своему значению соответствует выражению:
S = U*I,
где:
- U – разность потенциалов на зажимах, (В);
- I – ток, (А).
Для обозначения S используют внесистемную единицу B*A (V*A).
Нагрузки, включенные в схемы с меняющимся током, могут быть:
- активными;
- реактивными: ёмкостными или индуктивными.
Активная нагрузка (АН)
Подобной нагрузкой являются элементы приборов, имеющие активное сопротивление. Рабочая часть подобных аппаратов при прохождении через них электричества нагревается.
Ток, проходя через нагрузку, совершает работу, которая затрачивается на нагревание и выделение тепловой энергии. В чем измеряется такая нагрузка? Её измеряют в омах (Ом).
К примерам АН относятся: утюг, электроплита, спирали фена, нить накала лампы, резистивное сопротивление.
К сведению. АН ведёт себя одинаково, как при постоянном, так и при изменяющемся во времени токе.
Пример АН
Емкостная нагрузка
Устройства, способные запасаться энергией в электрическом поле и создавать рециркуляцию (полный или частичный возврат) мощности, именуют ёмкостной нагрузкой. Емкостная нагрузка (ЕН) при переменном напряжении, пропуская ток, сдвигает его фазу на 900 вперёд.
Основными элементами, относящимися к ЕН, считаются:
- конденсаторы;
- кабельные линии (ёмкость между жилами);
- ЛЭП (линии электропередач) сверхвысокого напряжения;
- генераторы, работающие в режиме перевозбуждения.
ЕН отдаёт реактивную мощность (Q).
Цепь с конденсатором
Индуктивная нагрузка (ИН)
Нагрузка, в которой ток сдвинут по фазе назад от напряжения на 900, называется индуктивной. Она также потребляет Q.
Цепь с катушкой
При включении в сеть переменного напряжения катушки индуктивности (дросселя), у которой низкое активное сопротивление, в ней образуется ЭДС. Электродвижущая сила противостоит приложенному напряжению.
Важно! В случае чистой индуктивности L сопротивление синусоидальному току увеличивается с ростом частоты. Выделяемая на такой нагрузке средняя мощность P равна нулю.
Примерами ИН служат:
- асинхронные двигатели;
- электромагниты;
- дроссели;
- реакторы;
- трансформаторы;
- выпрямители.
Сюда же можно отнести тиристорные преобразователи.
Измерение мощности ваттметром
Мощность потребления трехфазного тока измеряют, используя ваттметры. Это может быть специальный ваттметр, для 3-х фазной сети, либо однофазный, включенный по определенной схеме. Современные приборы учета электроэнергии часто выполняются по цифровой схемотехнике. Такие конструкции отличаются высокой точностью измерений, большими возможностями оперирования с входными и выходными данными.
Варианты измерений:
- Соединение «звезда» с нулевым проводником и симметричная нагрузка – измерительный прибор подключается к одной из линий, считанные показания умножаются на три.
- Несимметричное потребление тока в соединении «звезда» – три ваттметра в цепи каждой фазы. Показания ваттметров суммируются;
- Любая нагрузка и соединение «треугольник» – два ваттметра, подключенных в цепь любых двух нагрузок. Показания ваттметров также суммируются.
На практике всегда стараются выполнить нагрузку симметричной. Это, во-первых, улучшает параметры сети, во-вторых, упрощает учет электрической энергии.
Отрицательное влияние реактивной нагрузки
Расчет мощности трехфазной сети
Если представить мощности в виде векторов, то вектора P и Q в сумме будут давать полную мощность. Она равна:
S = √ (P2 + Q2).
График суммарной S
Формулы для P и Q имеют вид:
- P = U*I*sinφ (для сети с одной фазой) и P = √3* U*I*sinφ (для трёхфазной сети);
- Q = U*I* cosφ (для сети 220 В) и Q = √3*U*I* cosφ (для линии 380 В).
К сведению. Расчёты для трёхфазной сети верны при симметрично нагруженных фазах. В противном случае суммируют мощности всех фаз.
Чем меньше угол φ между векторами S и P, тем выше коэффициент мощности cosφ. Полному совпадению векторов препятствует Q. Загруженность ЛЭП и оборудования системы электроснабжения повышается при большом значении угла. Происходят перегревание проводов и износ оборудования энергосистемы.
На практике основными потребителями производственных предприятий выступают трансформаторы, электродвигатели и кабели большой протяжённости. Поэтому там лидирует ИН, потребляющая Q. Происходит перерасход потребляемой энергии, за что предприятия наказывают штрафами.
Реактивная мощность (РМ) несёт с собой следующие минусы:
- не выполняет полезной работы;
- вызывает лишние затраты энергии и непредвиденный перегруз электрооборудования;
- может вызвать аварийную ситуацию.
Чтобы компенсировать РМ, нужно параллельно с такими потребителями включать емкостные элементы. Для этого строят устройства компенсирования Q. Они бывают конденсаторными или индуктивными, в зависимости от того, какого вида реактивная нагрузка преобладает. Конденсаторные установки, включающие в свою комплектацию батареи конденсаторов, размещают, как на силовых подстанциях, так и отдельными блоками. Подобная компенсация восполняет реактивную составляющую потребляемой от поставщика энергии.
Комплектная конденсаторная установка ККУ
Расчёт мощности по току и напряжению
Формула мощности электрического тока
Посчитать потребление P можно, зная эти два параметра I и U сети. До того, как подобрать кабели или провода для проводки в квартире, нужно определиться с P потребителей, которые можно к ним подключить. Расчёт производят после того, как измерительными приборами фиксируют действующие показания силы тока I (А), а также напряжения U (В).
Однофазная сеть напряжением 220 вольт
При включении в цепь активной нагрузки пользуются формулой: P = U*I. В случае присутствия сдвига фаз между U и I пользуются формулой: P = U*I* cosφ.
Трёхфазная сеть напряжением 380 В
В трёхфазной сети переменного тока со сдвигом фаз результат последней формулы умножают на √3. Значение угла cosφ можно уточнить в справочнике.
Таблица cosφ для бытовых устройств
При выборе сечения проводов обычно известны суммарная мощность будущих потребителей и напряжение сети.
Нужна только сила тока формула через мощность и напряжение которой имеет вид:
I = P / (U *cosφ).
У формулы для расчёта тока, используя мощность и напряжение, следующие составляющие:
- P – известная мощность прибора, (Вт);
- U – напряжение питания, (220/380 В);
- cosφ – угол сдвига фаз.
Расчет тока можно выполнить с помощью онлайн-калькулятора.
Онлайн-калькулятор – общий вид интерфейса
Взаимосвязь основных величин
Самая распространенная задача, с которой сталкиваются рядовые потребители, заключаются в расчетах реально действующей силы тока. Так как же правильно рассчитать ампераж по известным значениям напряжения и мощности? Решить ее необходимо при обосновании значений сечения жил и номинала автомата, имея техническую информацию об устройствах, которые будут в эту цепь запитаны.
После вычисления силы тока часто выбирают кабеля с наименьшим допустимым сечением. Однако это не всегда правильно, так как такое решение приводит к существенным ограничениям при необходимости добавления новых электроприборов в сеть.
Иногда необходимо провести обратные вычисления и определить какой суммарной мощности можно подключить приборы при известном напряжении и максимально допустимой силе тока, которая ограничена уже существующей проводкой.
Решить эти две задачи для однофазной цепи можно с помощью простой формулы:
I = S / U;
S = U * I,
где S – суммарная полная мощность всех электропотребителей.
Круговая диаграмма, отражающая закон Ома и выражающая зависимость мощности, силы тока, напряжения и сопротивления подходит для вычисления параметров однофазной цепи
Для решения задачи расчета силы тока по известным или вычисленным значениям мощности и напряжения в трехфазной цепи надо знать суммарную нагрузку, налагаемую на каждую фазу.
И необходимое сечение жил кабеля, и минимально допустимый номинал автомата подбирают по самой загруженной линии, считая что:
S = 3 * max{S1, S2, S3}.
I = S / (U * 1.73).
Допустимую мощность для каждой из фаз можно вычислить по следующей формуле:
S1,2,3 < S / 3 = I * U / 1.73,
где I – максимально допустимая сила тока для существующей проводки.
Мощность при токах: постоянном и переменном
Расчет падения напряжения в кабеле
Когда возникает необходимость рассчитывать, сколько будет потреблять установленное оборудование, нужно помнить, что существует разница между значением P при подаче постоянного и переменного напряжений.
Формула P при постоянном токе показывает P в виде произведения мгновенных значений I и U. При этом момент времени может быть абсолютно любой.
Выражение P в условиях синусоидального движения электронов учитывает угол, на который сдвинуты фазы тока и напряжения. Косинус этого угла умножается на произведение тока и напряжения за период времени Т. Это период времени, за который ток меняет своё значение с положительного на отрицательное:
Т = 1/f, где f – это частота 50 Гц.
Особенности расчёта в цепях переменного электричества
Чтобы выполнить расчёты P, потребляемой нагрузкой в цепях изменяющегося электричества, нужно чётко разделять схемы включения. Они могут быть однофазными и трёхфазными.
В однофазных цепях P находят, перемножив значение силы тока на значение напряжения (220 В). При этом учитывают наличие фазного сдвига между ними.
В трёхфазных сетях с напряжением 380 В рассматривают два случая:
- симметричная нагрузка по фазам;
- ассиметричная нагрузка фаз.
В первом случае P находят по формуле:
P = √3*U*I* cosφ.
Во втором случае необходимо рассчитывать P для каждой фазы (А, В, С). Общее значение P – это результат суммирования:
P общ = PфА + PфВ + PфС.
Внимание! Когда необходимо найти полную мощность трёхфазной цепи, находят по такому же принципу значения реактивной Q.
Рассчитать ток по мощности, зная, какое напряжение: фазное (220 В) или линейное (380 В), можно и в этом случае, выразив его из общей формулы P.
Расчёт мощности трёхфазной сети
Привет читатели моего сайта. Сегодня мы с вами на реальном примере рассмотрим формулу, с помощью которой, можно рассчитать мощность (нагрузку) трёхфазной сети.
Но для начала нужно определиться какая у вас мощность, так как она бывает двух видов:
1. равномерная (симметричная)
2. неравномерная (несимметричной)
Пример равномерной нагрузки – это когда у вас работает электродвигатель. То есть ток по всем фазам протекает одинаковый. Не большими разбежностями, тут можно пренебречь. А в нулевом проводе ток равняется нулю. В таком случае формула имеет вот такой вид:
P = √3*Uф*I* cos (φ) = 1,73Uл*I* cos (φ)
Где Uф – это фазное напряжение
Uл – это линейное напряжение
I – ток, который протекает в проводнике. Его можно измерять токоизмерительными клещами.
cos (φ) – коэффициент мощности. Обычно берут 0.76
Неравномерная нагрузка – это когда ток во всех фазах разный. К примеру, от трёхфазной сети питается освещение какого-то помещения. Один ряд светильников включили, и там горят все светильники. Во втором ряду не горит 7 светильник, а в третьем 12. В таком случае нужно взять клещи, и измерить ток во всех фазах. А формула будет выглядеть вот так:
Расчет потребляемой мощности
В расчетах электрической мощности возникает надобность, когда предстоит определить, сколько потребляет энергии тот или иной потребитель. Или, чтобы произвести вычисление нагрузки, которую должны выдержать провода комнатной проводки. Для выбора диаметра проводника, которым будет выполнена проводка, нужно подсчитать суммарную потребляемую мощность Pпотр всех бытовых приборов, одновременно включенных в розетку.
Pпотр = Pном*Т,
где:
- Pном – номинальная мощность прибора, (Вт);
- Т – время работы прибора, (ч).
Если лампа накаливания, имеющая Pном = 60 Вт, будет работать в течение суток четыре часа, то Pпотр = Pном * Т = 100*4 = 400 Вт.
Таблица для определения Pном некоторых бытовых приборов
Расчет электрических цепей
Все формулы, используемые для расчётов электроцепей, вытекают одна из другой.
Взаимосвязи электрических характеристик
Так, например, по формуле расчета мощности можно произвести расчет силы тока, если известны P и U.
Чтобы узнать, какой ток будет потреблять утюг (1100 Вт), включенный в сеть 220 В, нужно выразить силу тока из формулы мощности:
I = P/U = 1100/220 = 5 A.
Зная расчётное сопротивление спирали электроплиты, можно найти P устройства. Мощность через сопротивление узнают по формуле:
P = U2/R.
Существует несколько методов, позволяющих решать поставленные задачи по расчётам различных параметров заданной цепи.
Методы расчёта электрических цепей
Расчёт мощности для цепей разного рода тока помогает правильно оценить состояние линий электропитания. Бытовые и промышленные аппараты, подобранные в соответствии с заданными параметрами Pном и S, будут работать надёжно и выдерживать максимальные нагрузки годами.
Расчет мощности двигателя: методики и необходимые формулы
Кому-то необходимо рассчитать мощность двигательного агрегата, чтобы вычислить автомобильный налог. Некоторым важно самостоятельно произвести расчет мощности двигателя компрессора. Для кого-то важно точно знать мощности машины, чтобы сверить ее с той, что была заявлена. В целом расчет мощности и выбор двигателя – два неразделимых процесса.
Это не единственные причины, по которым автолюбители пытаются самостоятельно рассчитать мощности двигателей своих авто. Это довольно сложно сделать без наличия необходимых формул для расчета. Именно они будут приведены в этой статье, чтобы каждый автомобилист мог сам посчитать, сколько же составляет реальная мощность двигателя его авто.
