При проектировании любых электрических цепей выполняется расчет мощности. На его основе производится выбор основных элементов и вычисляется допустимая нагрузка. Если расчет для цепи постоянного тока не представляет сложности (в соответствии с законом Ома, необходимо умножить силу тока на напряжение – Р=U*I), то с вычислением мощности переменного тока – не все так просто. Для объяснения потребуется обратиться к основам электротехники, не вдаваясь в подробности, приведем краткое изложение основных тезисов.

Полная мощность и ее составляющие

В цепях переменного тока расчет мощности ведется с учетом законов синусоидальных изменений напряжения и тока. В связи с этим введено понятие полной мощности (S), которая включает в себя две составляющие: реактивную (Q) и активную (P). Графическое описание этих величин можно сделать через треугольник мощностей (см. рис.1).

Под активной составляющей (Р) подразумевается мощность полезной нагрузки (безвозвратное преобразование электроэнергии в тепло, свет и т.д.). Измеряется данная величина в ваттах (Вт), на бытовом уровне принято вести расчет в киловаттах (кВт), в производственной сфере – мегаваттах (мВт).

Реактивная составляющая (Q) описывает емкостную и индуктивную электронагрузку в цепи переменного тока, единица измерения этой величины Вар.

Рис. 1. Треугольник мощностей (А) и напряжений (В)

В соответствии с графическим представлением, соотношения в треугольнике мощностей можно описать с применением элементарных тригонометрических тождеств, что дает возможность использовать следующие формулы :

• S = √P 2 +Q 2 , – для полной мощности;
• и Q = U*I*cos⁡ φ , и P = U*I*sin φ – для реактивной и активной составляющих.

Эти расчеты применимы для однофазной сети (например, бытовой 220 В), для вычисления мощности трехфазной сети (380 В) в формулы необходимо добавить множитель – √3 (при симметричной нагрузке) или суммировать мощности всех фаз (если нагрузка несимметрична).

Для лучшего понимания процесса воздействия составляющих полной мощности давайте рассмотрим «чистое» проявление нагрузки в активном, индуктивном и емкостном виде.

Активная нагрузка

Возьмем гипотетическую схему, в которой используется «чистое» активное сопротивление и соответствующий источник переменного напряжения. Графическое описание работы такой цепи продемонстрировано на рисунке 2, где отображаются основные параметры для определенного временного диапазона (t).

Рисунок 2. Мощность идеальной активной нагрузки

Мы можем увидеть, что напряжение и ток синхронизированы как по фазе, так и частоте, мощность же имеет удвоенную частоту. Обратите внимание, что направление этой величины положительное, и она постоянно возрастает.

Емкостная нагрузка

Как видно на рисунке 3, график характеристик емкостной нагрузки несколько отличается от активной.

Рисунок 3. График идеальной емкостной нагрузки

Частота колебаний емкостной мощности вдвое превосходит частоту синусоиды изменения напряжения. Что касается суммарного значения этого параметра, в течение одного периода гармоники оно равно нулю. При этом увеличения энергии (∆W) также не наблюдается. Такой результат указывает, что ее перемещение происходит в обоих направлениях цепи. То есть, когда увеличивается напряжение, происходит накопление заряда в емкости. При наступлении отрицательного полупериода накопленный заряд разряжается в контур цепи.

В процессе накопления энергии в емкости нагрузки и последующего разряда не производится полезной работы.

Индуктивная нагрузка

Представленный ниже график демонстрирует характер «чистой» индуктивной нагрузки. Как видим, изменилось только направление мощности, что касается наращения, оно равно нулю.

Негативное воздействие реактивной нагрузки

В приведенных выше примерах рассматривались варианты, где присутствует «чистая» реактивная нагрузка. Фактор воздействия активного сопротивления в расчет не принимался. В таких условиях реактивное воздействие равно нулю, а значит, можно не принимать его во внимание. Как вы понимаете, в реальных условиях такое невозможно. Даже, если гипотетически такая нагрузка бы существовала, нельзя исключать сопротивление медных или алюминиевых жил кабеля, необходимого для ее подключения к источнику питания.

Реактивная составляющая может проявляться в виде нагрева активных компонентов цепи, например, двигателя, трансформатора, соединительных проводов, питающего кабеля и т.д. На это тратится определенное количество энергии, что приводит к снижению основных характеристик.

Реактивная мощность воздействует на цепь следующим образом:

• не производит ни какой полезной работы;
• вызывает серьезные потери и нештатные нагрузки на электроприборы;
• может спровоцировать возникновение серьезной аварии.

Именно по этому, производя соответствующие вычисления для электроцепи, нельзя исключать фактор влияния индуктивной и емкостной нагрузки и, если необходимо, предусматривать использование технических систем для ее компенсации.

Расчет потребляемой мощности

В быту часто приходится сталкиваться с вычислением потребляемой мощности, например, для проверки допустимой нагрузки на проводку перед подключением ресурсоемкого электропотребителя (кондиционера, бойлера, электрической плиты и т.д.). Также в таком расчете есть необходимость при выборе защитных автоматов для распределительного щита, через который выполняется подключение квартиры к электроснабжению.

В таких случаях расчет мощности по току и напряжению делать не обязательно, достаточно просуммировать потребляемую энергию всех приборов, которые могут быть включены одновременно. Не связываясь с расчетами, узнать эту величину для каждого устройства можно тремя способами:

При расчетах следует учитывать, что пусковая мощность некоторых электроприборов может существенно отличаться от номинальной. Для бытовых устройств этот параметр практически никогда не указывается в технической документации, поэтому необходимо обратиться к соответствующей таблице, где содержатся средние значения параметров стартовой мощности для различных приборов (желательно выбирать максимальную величину).

Электроэнергия давно используется человеком для удовлетворения своих потребностей, но она невидима, не воспринимается органами чувств, потому сложна для понимания. С целью упрощения объяснения электрических процессов их довольно часто сравнивают с гидравлическими характеристиками движущейся жидкости.

Например, к нам в квартиру приходит по проводам от далеко расположенных генераторов и вода по трубе от создающего давление насоса. Однако, отключенный выключатель не позволяет светиться лампочкам, а закрытый водопроводный кран - литься воде из крана. Чтобы совершалась работа надо включить выключатель и открыть кран.

Направленный поток свободных электронов по проводам устремится к нити накала лампочки (пойдет электрический ток) , которая станет излучать свет. Вода, вытекающая из крана, будет стекать в раковину.

Эта аналогия позволяет также понимать количественные характеристики, ассоциировать силу тока со скоростью перемещения жидкости, оценивать другие параметры.

Напряжение электросети сравнивают с потенциалом энергии источника жидкости. К примеру, возрастание гидравлического давления насосом в трубе создаст большую скорость перемещения жидкости, а увеличение напряжения (или разности между потенциалами фазы - входящего провода и рабочего нуля - отходящего) усилит накал лампочки, силу ее излучения.

Сопротивление электрической схемы сопоставляют с силой торможения гидравлическому потоку. На скорость перемещения потока влияют:

вязкость жидкости;

засоренность и изменение сечения каналов. (В случае с водопроводным краном - положение регулирующего вентиля.)

На величину электрического сопротивления влияет несколько факторов:

строение вещества, определяющее наличие свободных электронов в проводнике и влияющее на ;

площадь поперечного сечения и длина токовода;

температура.

Электрическую мощность тоже сравнивают с энергетическими возможностями потока в гидравлике и оценивают по выполненной работе в единицу времени. Мощность электроприбора выражается через потребляемый ток и подведенное напряжение (для цепей переменного и постоянного тока).

Все эти характеристики электроэнергии исследованы известными учеными, которые дали определения току, напряжению, мощности, сопротивлению и описали математическими методами взаимные связи между ними.

В приведенной таблице показаны общие соотношения для цепей постоянного и переменного тока, которые можно применять для анализа работы конкретных схем.

Рассмотрим несколько примеров их использования.

Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом.

На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.

Согласно действию закона Джоуля - Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой (11) в приведенной таблице.

Рассчитываем: Р=24х0,5=12 Вт.

Это же значение получим, если воспользуемся формулами (10) или (12).

Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит.

Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.

Для группы розеток, предназначенных для питания бытовых электроприборов на кухне, необходимо подобрать защитный автоматический выключатель. Мощности приборов по паспортным данным составляют 2,0, 1,5 и 0,6 кВт.

Решение.В квартире используется однофазная переменная сеть 220 вольт. Общая мощность всех приборов, подключенных в работу одновременно, составит 2,0+1,5+0,6=4,1 кВт=4100 Вт.

По формуле (2) определим общий ток группы потребителей: 4100/220=18,64 А.

Ближайший по номиналу автоматический выключатель имеет величину срабатывания 20 ампер. Его и выбираем. Автомат меньшего значения на 16 А будет постоянно отключаться от перегрузки.

Отличия параметров электросхем на переменном токе

Однофазные сети

При анализе параметров электроприборов следует учитывать особенности их работы в цепях переменного тока, когда, благодаря влиянию промышленной частоты у конденсаторов возникают емкостные нагрузки (сдвигают вектор тока на 90 градусов вперед от вектора напряжения), а у обмоток катушек - индуктивные (ток на 90 градусов отстает от напряжения). В электротехнике их называют . Они в комплексе создают реактивные потери мощности «Q», которые не выполняют полезной работы.

На активных нагрузках отсутствует сдвиг фазы между током и напряжением.

Таким образом, к активной величине мощности электроприбора в цепях переменного тока добавляется реактивная составляющая, за счет которой увеличивается общая мощность, которую принято называть полной и обозначать индексом «S».

Электрический ток и напряжение промышленной частоты меняются во времени по синусоидальному закону. Соответственно этому происходит изменение мощности. Определять их параметры в различные мгновенные моменты времени не имеет особого смысла. Поэтому выбирают суммарные (интегрирующие) значения за определенный временной промежуток, как правило - период колебания Т.

Знание отличий параметров цепей для переменного и постоянного тока позволяет правильно рассчитывать мощность через ток и напряжение в каждом конкретном случае.

Трехфазные сети

В принципе они состоят из трех одинаковых однофазных цепей, сдвинутых друг относительно друга на комплексной плоскости на 120 градусов. Они немного отличаются нагрузками в каждой фазе, сдвигающими ток от напряжения на угол фи. За счет этой неравномерности создается ток I0 в нулевом проводе.

Напряжение в этой системе состоит из напряжений в фазах (220 В) и линейных (380 В).

Мощность прибора трехфазного тока, подключенного к схеме, складывается из составляющих в каждой фазе. Ее измеряют с помощью специальных приборов: ваттметров (активная составляющая) и варметров (реактивная). Рассчитать полную мощность потребления прибора трехфазного тока можно на основе замеров ваттметра и варметра с использованием формулы треугольника.

Существует еще косвенный метод измерения, основанный на использовании вольтметра и амперметра с последующими вычислениями полученных значений.

Добавить сайт в закладки

Понятие мощности электрического тока

Мощность электрического тока

Прежде чем говорить об электрической мощности, следует определиться с понятием мощности в общем смысле. Обычно, когда люди говорят о мощности, они подразумевают некую силу, которой обладает тот или иной предмет (мощный электродвигатель), либо действие (мощный взрыв).

Но, как мы знаем из школьной физики, сила и мощность - это разные понятия, хотя зависимость у них есть.

Первоначально мощность (N) – это характеристика, относящаяся к определённому событию (действию), а если оно привязано к некоторому предмету, то с ним также условно соотносят понятие мощности. Любое физическое действие подразумевает воздействие силы. Сила (F), с помощью которой был пройден определённый путь (S), будет равняться совершенной работе (А). А работа, проделанная за определённое время (t), и будет приравниваться к мощности.

Мощность - это физическая величина, которая равна отношению совершенной работы, что выполняется за некоторый промежуток времени, к этому же промежутку времени. Поскольку работа является мерой изменения энергии, то ещё можно сказать так: мощность - это скорость преобразования энергии системы.

Разобравшись с понятием механической мощности, можно перейти к рассмотрению электрической мощности (мощность электрического тока). Как вы должны знать,U - это работа, выполняемая при перемещении 1 Кл, а ток I - количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность, или мощность электрического тока.

Анализируя приведённую формулу, можно сделать очень простой вывод: поскольку электрическая мощность P в одинаковой степени зависит от тока I и от напряжения U, то, следовательно, одну и ту же электрическую мощность можно получить либо при большом токе и малом напряжении, или же, наоборот, при большом напряжении и малом токе (это используется при передаче электроэнергии на удалённые расстояния от электростанций к местам потребления путём трансформаторного преобразования на повышающих и понижающих электроподстанциях).

Активная электрическая мощность (это мощность, которая безвозвратно преобразуется в другие виды энергии - тепловую, световую, механическую и т. д.) имеет свою единицу измерения - Вт (Ватт). Она равна произведению 1 В на 1 А. В быту и на производстве мощность удобнее измерять в кВт (киловаттах, 1 кВт = 1000 Вт). На электростанциях уже используются более крупные единицы - мВт (мегаватты, 1 мВт = 1000 кВт = 1 000 000 Вт).

Реактивная электрическая мощность - это величина, которая характеризует такой вид электрической нагрузки, который создаются в устройствах (электрооборудовании) колебаниями энергии (индуктивного и емкостного характера) электромагнитного поля. Для обычного переменного тока она равна произведению рабочего тока I и падению напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними: Q = U×I×sin(угла). Реактивная мощность имеет свою единицу измерения под названием ВАр (вольт-ампер реактивный). Обозначается буквой Q.

Активную и реактивную электрическую мощность на примере можно выразить так: дано электротехническое устройство, которое имеет нагревательные тэны и электродвигатель. Тэны, как правило, сделаны из материала с высоким сопротивлением. При прохождении электрического тока по спирали тэна электрическая энергия полностью преобразуется в тепло. Такой пример характерен активной электрической мощности.

Электродвигатель этого устройства внутри имеет медную обмотку. Она представляет собой индуктивность. А как мы знаем, индуктивность обладает эффектом самоиндукции, а это способствует частичному возврату электроэнергии обратно в сеть. Эта энергия имеет некоторое смещение в значениях тока и напряжения, что вызывает негативное влияние на электросеть (дополнительно перегружая её).

Похожими способностями обладает и ёмкость (конденсаторы). Она способна накапливать заряд и отдавать его обратно. Разница ёмкости и индуктивности заключается в противоположном смещении значений тока и напряжения относительно друг друга. Такая энергия ёмкости и индуктивности (смещённая по фазе относительно значения питающей электросети) и будет, по сути, являться реактивной электрической мощностью.

При помощи данного видеоурока, вы сможете самостоятельно изучить тему "Мощность электрического тока". Используя этот видеоматериал, вы сможете получить представление о новом понятии - мощности электрического тока. Учитель расскажет о том, что представляет собой мощность - работа в единицу времени - и как правильно использовать и рассчитывать эту величину.

Определение

Мощность - работа, выполненная в единицу времени.

В документах на каждый электрический прибор указывается, как правило, две величины: напряжение (как правило, 220 В) и мощность этого прибора.

Чтобы определить электрическую мощность, нужно работу электрического тока разделить на время протекания этого тока по электрической цепи.

Р - электрическая мощность (в механике N - механическая мощность)

А - работа

Работа измеряется в Джоулях (Дж);

Время - в секундах (с);

Мощность (электрическая и механическая) измеряется в Ваттах (Вт).

Прибор для измерения мощности - ваттметр (рис. 1).

Рис. 1. Ваттметр

Работа определяется как произведение силы тока на напряжение и на время протекания тока по электрической цепи.

В формулу для вычисления работы подставим в формулу для вычисления мощности, время t сократится. Это значит, что мощность не зависит от времени протекания электрического тока в цепи, а определяется как произведение напряжения на силу тока.

Из закона Ома для участка цепи

Мощность электрического тока - это величина, которая характеризует производительность данного прибора. В быту все приборы рассчитаны на одно и то же напряжение - 220 В. Из первого уравнения следует, что если мощность возрастает, напряжение постоянно, то сила тока тоже увеличится.

К примеру, во время нагревания воды в электрочайнике нагревается провод, соединяющий чайник с электрической цепью. Это значит, что мощность чайника достаточно велика, напряжение - 220 В, и ток, который протекает в цепи включенного электрочайника, тоже достаточно велик.

Оплачивая электрическую энергию, мы оплачиваем работу электрического тока. Эта оплата производится по киловатт-часам.

1 кВт=1000 Вт;

1 час = 3600 с;

(работа определяется, как мощность, умноженная на время);

1 кВт∙ч =3 600 000 Дж.

Получили единицу для расчета работы электрического тока - 1 кВт∙ч=3 600 000 Дж.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что нельзя в одну и ту же розетку включать сразу несколько приборов. Напряжение - величина постоянная (220 В), а сила тока в цепи меняется. Чем больше включено приборов, тем больше электрический ток в цепи.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Electrono.ru ().
2. Electricalschool.info ().
3. Stoom.ru ().

Домашнее задание

1. П. 51, 52, вопросы 1-6, стр. 121, 1-3, стр. 122, задание 25 (2). Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. Найдите мощность тока в электрической лампе, если сила тока в ней - 0,4 А, а напряжение в цепи - 220 В.
3. С помощью каких приборов можно измерить мощность электрического поля?

У каждого современного прибора есть электрическая мощность. Ее цифровое значение указывается производителем на корпусе фена либо электрического чайника, на крышке кухонного комбайна.

Единицы измерения

Расчет электрической мощности позволяет определять стоимость электрической энергии, потребляемой разными приборами за определённый промежуток времени. Ватты и киловатты в избыточном количестве приводят к выходу из строя проводов, деформации контактов.

Зависимость между электрическим током и мощностью, потребляемой приборами

Электрическая мощность представляет собой работу, которая совершается за промежуток времени. Включенный в розетку прибор совершает работу, измеряемую в ваттах (Вт). На корпусе указывается количество энергии, которое будет потреблено прибором за определенный промежуток времени, то есть дается потребляемая электрическая мощность.

Потребляемая мощность

Она расходуется на то, чтобы в проводнике происходило перемещение электронов. В случае одного электрона, имеющего единичный заряд, она сопоставима с величиной напряжения сети. Полная энергия, которая необходима для перемещения всех электронов, будет определяться как произведение напряжения на число электронов, находящихся в цепи при работе электрического прибора. Ниже представлена формула электрической мощности:

Учитывая, что число электронов, протекающих за промежуток времени через поперечное сечение проводника, представляет собой электрический ток, можно представить его в выражение для искомой величины. Формула электрической мощности будет выглядеть:

В реальности приходится вычислять не саму мощность, а величину тока, зная напряжение сети и номинальную мощность. Определив ток, который потребляется определенным прибором, можно соотнести номинал розетки и автоматического выключателя.

Примеры расчетов

Для чайника, электрическая мощность которого рассчитана на два киловатта, потребляемый ток определяется по формуле:

I=P/U=(2*1000)/220=9А

Чтобы подключать такой прибор в обычную электрическую сеть, разъем, рассчитанный на 6 ампер, явно не подойдет.

Приведенные выше зависимости между мощностью и электрическим током уместны только при полном совпадении по фазе значений напряжения и тока. Практически для всех бытовых электрических приборов подходит формула электрической мощности.

Исключительные ситуации

В том случае, если в цепи присутствует большая емкость либо индуктивность, используемые формулы будут недостоверными, ими нельзя пользоваться для проведения математических расчетов. Например, электрическая мощность для двигателя переменного тока будет определяться следующим образом:

cosφ - это коэффициент мощности, который для электрических двигателей составляет 0,6-0,8 единиц.

Определяя параметры прибора в трехфазной сети с напряжением 380 В, необходимо суммировать мощность из отдельных величин для каждой фазы.

Пример расчета

Например, в случае трехфазного котла, рассчитанного на мощность в 3 кВт, в каждой фазе потребляется по 1 кВт. Рассчитаем величину фазного тока по формуле:

I=P/U_ф =(1*1000)/220=4,5А.

Для современного человека характерно постоянное применение на производстве и в быту электричества. Он использует приборы, которые потребляют электрический ток, применяет такие устройства, которые его производят. Работая с такими источниками, важно учитывать те максимальные возможности, которые предполагаются в технических характеристиках.

Такая физическая величина, как электрическая мощность, является одним из основных показателей любого прибора, функционирующего при протекании через него потока электронов. Для транспортировки либо передачи электрических мощностей в большом объеме, необходимой в производственных условиях, применяются высоковольтные линии электрических передач.

Преобразование энергии выполняется на мощных трансформаторных подстанциях. Трехфазное преобразование характерно для промышленных и бытовых приборов разной сферы применения. Например, благодаря такому преобразованию, функционируют лампы накаливания разного номинала.

В теоретической электротехнике существует такое понятие, как мгновенная электрическая мощность. Связана такая величина с протеканием через определенную поверхность за незначительный временной промежуток единичного элементарного заряда. Происходит совершение работы этим зарядом, который и связан с понятием мгновенной мощности.

Выполняя несложные математические вычисления, можно определить величину мощности. Зная данную величину, можно подбирать напряжение для полноценного функционирования разнообразных бытовых и промышленных приборов. В таком случае можно избежать рисков, связанных с перегоранием дорогостоящих электрических приборов, а также с необходимостью периодически менять в квартире либо офисе электрическую проводку.