Мощность: в чем измеряется, как применяется, формулы расчета

Что такое мощность в электричестве

Механическая мощность как физическая величина равна отношению работы, выполненной за определенный период времени. Поскольку понятие работы определяется количеством затраченной энергии, вполне правомерно представлять мощность как коэффициент преобразования энергии. Изучив составляющие механической мощности, давайте рассмотрим, что представляет собой электрическая мощность. Напряжение — это работа, совершаемая для перемещения кулона электрического заряда, а ток — это количество кулонов, которое проходит за секунду. Произведение напряжения и тока показывает общий объем работы, выполненной за одну секунду.

Мощность электрического тока — это количественная мера тока, характеризующая его энергетические свойства. Определяется по основным параметрам: току и напряжению. Мощность электрического тока измеряется прибором, называемым ваттметром. Единица измерения — ватт (Вт).

Проанализировав полученную формулу, можно сделать вывод, что показатель мощности в равной степени зависит от силы тока и напряжения. То есть одно и то же значение может быть получено при низком напряжении и большом токе или при высоком напряжении и низком токе. Используя зависимость мощности от напряжения и тока, инженеры узнали, как передавать электроэнергию на большие расстояния, преобразовывая энергию в понижающие и повышающие трансформаторные подстанции.

Наука делит электрическую энергию на:

• активный. Это означает преобразование мощности в тепловую, механическую и другую энергию. Показатель выражается в ваттах и ​​рассчитывается по формуле U * I;
• реактивный. Эта величина характеризует электрические нагрузки, создаваемые в устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Датчик выражается как реактивный вольт-ампер и представляет собой произведение напряжения, силы и угла сдвига.

Чтобы было легче понять значение активной и реактивной мощности, перейдем к нагревательным приборам, где электрическая энергия преобразуется в тепло.

От чего зависит мощность тока

В реальных схемах движению электронов препятствует электрическое сопротивление, которое характеризует потери в проводнике. В цепях с источником переменного тока становится существенным синусоидальное изменение электрических параметров. Следующая информация поможет вам выбрать лучший метод расчета, основанный на реальных условиях.

Зависимость между электрическим током и мощностью

Плотность тока: что это такое и как ее измеряют

В электротехнике работой будет U — напряжение, перемещающееся на 1 кулон, количество кулонов, перемещаемых за единицу времени, — это ток (I). Мощность электрического тока или электрическая мощность P получается умножением тока на напряжение:

P = U * I.

Это полная работа, выполненная за 1 секунду. Зависимость здесь проста. Изменяя ток или напряжение, изменяется мощность, потребляемая устройством.

Такое же значение P получается путем изменения одного из двух значений.

Виды электрических мощностей

Некоторые механизмы генерируют энергию для создания электромагнитного и электрического поля, которое им необходимо для функционирования: это реактивный компонент нагрузки. С другой стороны, активный компонент показывает способность устройства преобразовывать полученную энергию в механическую работу или тепло.

Этот положительный эффект называется активной мощностью и измеряется в кВтч.

Ресиверы, сформированные из чистых резисторов: нагревательные приборы, лампы накаливания и другие, имеют исключительно этот тип нагрузки.

Примечание! Коэффициент мощности относится к активному и кажущемуся потреблению энергии установкой. Кажущаяся энергия, в свою очередь, зависит от активной и реактивной энергии. При одинаковом потреблении активной нагрузки, чем выше расход реактивной составляющей, тем ниже коэффициент.

Синусоидальный ток

Активная мощность

Активная — действительная или истинная мощность (Па) выполняет фактическую работу с нагрузкой и выражается в ваттах.

Для однофазной цепи:

Па = I * U * cosφ = UI PF

Вам будет интересно. Реактивное и активное сопротивление

где это находится:

• φ = фазовый угол;
• PF = cosφ — коэффициент нагрузки.

Трехфазная сеть:

Па = 3 * U * I * cosφ = 1,732 * U * I * PF

Реактивная мощность

Реактивная мощность (Pr) присутствует в двигателях, трансформаторах и устройствах с реактивным сопротивлением и индуктивностью. Эти устройства, обычно индуктивные, поглощают энергию из сети, создавая магнитные поля, и возвращают ее при изменении направления синусоиды. При таком энергообмене происходит дополнительное потребление, которое некоторые приемники не могут использовать. Этот тип называется реактивной энергией и измеряется в квар. Линии перегрузки, трансформаторы и генераторы.

Для однофазной цепи:

Pr = U * I * sinφ

Реактивная сила

Трехфазная сеть:

Pr = 3 * U * I * sinφ

Во многих отношениях реактивную мощность можно представить как пену на стакане пива. Заказчик платит бармену за полный стакан пива, но пьет только само пиво, а его становится все меньше и меньше.

Основное преимущество использования распределения мощности переменного тока заключается в том, что уровень напряжения питания можно изменять с помощью трансформаторов, но не все электрическое оборудование потребляет реактивную мощность, которая потребляет часть нагрузки на линии передачи.

В то время как реальная или реальная мощность — это энергия, подаваемая для запуска двигателя, обогрева дома или зажигания лампочки, реактивная мощность обеспечивает важную функцию регулирования напряжения, тем самым помогая эффективно перемещать энергию через систему электропитания по линиям электропередач.

Оборудование энергосистемы рассчитано на работу в пределах ± 5% номинального напряжения. Колебания уровней напряжения вызывают сбои в работе различных устройств. Высокое напряжение повреждает изоляцию обмотки, а низкое напряжение вызывает ухудшение работы различного оборудования, например, плохое освещение на сборных шинах или перегрев асинхронных двигателей.

Если потребляемая мощность больше, чем потребляемая линиями передачи, ток, потребляемый из линий электропередачи, увеличивается до такого высокого уровня, что вызывает большое падение напряжения на стороне приемника. Если низкое напряжение продолжает падать, это приведет к остановке генераторных установок, перегреву двигателей и повреждению другого оборудования.

Чтобы преодолеть это, реактивная мощность должна подаваться на нагрузку путем включения реактивных катушек индуктивности или реакторов в линию питания. Мощность этих реакторов зависит от количества подаваемой полной мощности.

Полная мощность

Полная мощность — это энергия, поставляемая поставщиком в сеть для покрытия активных и реактивных компонентов.

Полная мощность

Он рассчитывается по формуле:

S = (Pa2 + Pr2) ½

Где: S — питание цепи, ВА.

Кажущееся EP будет измеряться в вольт-амперах (ВА) — напряжении системы, умноженном на ток. Это комплексное значение, равное векторной сумме активной и реактивной энергии.

Вам будет интересно. Особенности маркировки

Однофазная сеть:

S = U * I

Где: U — электрический потенциал, В.

Трехфазная сеть:

S = 3 * U * I = 1732 * U * I

Комплексная мощность

Взаимосвязь между этими тремя показателями легла в основу работы всего современного электрооборудования электрических сетей. Связь между величинами выражается с помощью треугольника степеней. Использование векторов упрощает ряд математических операций. Преобразование комплексных чисел позволяет установить размер комплексной степени:

S = P + jQ

Где: j — число, квадрат которого равен -1 или мнимой единице.

Например, мы можем проанализировать работу идеальной схемы от источника, который создает переменную ЭДС и имеет полную нагрузку, где I и U изменяются синусоидальным образом. Если потребление только резистивное / активное, I и U меняют полярность синхронно, направление I не меняет знак и всегда имеет положительное значение, в этом случае потребляется нагрузка Па.

В случае реактивной нагрузки — U и I имеют фазовый сдвиг 90 градусов и полезная энергия равна нулю. Для 1/4 периода я создаю реактивную нагрузку, а следующая 1/4 периода возвращается. Когда цепь состоит из L и C, соединенных параллельно, токи, протекающие через них, имеют противоположные знаки. Следовательно, C создает нагрузку Pr, а L ее гасит.

Неактивная мощность

В цепях переменного тока генерируются неактивные или пассивные нагрузки. Он равен квадратному корню из суммы (Pa2 + Pr2), когда нет реактивной нагрузки, тогда пассивная нагрузка будет равна модулю | Па|.

Наличие нелинейных искажений тока в сетях вызвано несоблюдением направленности между U / I, вызванным нелинейностью сети, в частности, когда энергия имеет импульсный отклик. В случае нелинейных режимов полная ЭП увеличивается. Эта нагрузка не считается активной, потребляя Pr и энергию других искажений тока. Измеряется в нормальных единицах мощности.

Ватт и другие единицы измерения мощности

Ватт означает мощность, при которой за одну секунду выполняется один джоуль работы. Последний агрегат назван в честь англичанина Дж. Ватта, который изобрел и построил первую паровую машину. Но при этом он использовал другую ценность — мощность, которая используется до сих пор. Одна мощность примерно равна 735,5 Вт.

Следовательно, помимо ватт мощность измеряется в лошадиных силах. И с очень маленьким значением также используется Erg, равный десяти минус седьмой мощности ватта. Также возможно измерение в единицах массы / силы / метров в секунду, что составляет 9,81 Вт.

Пример №1

Определите мощность крана, если он выполняет работу 9 МДж за 5 минут.

Данный:

Решение

Приоритет
следовательно

Отвечать. Мощность крана 30 кВт.

Пример №2

Человек весом 60 кг поднимается на пятый этаж дома за 1 минуту. Высота пяти этажей дома — 16 м. Какую мощность развивает человек?

Данный:

Решение

Приоритет

Работа определена

Следовательно

Отвечать. Человек развивает мощность 160 Вт.

Зная мощность и время, можно рассчитать работу:

Отличия мощности при постоянном и переменном напряжении

Выполняем принятые в нашей стране обозначения электрических величин:

• P — активная мощность, измеряемая в ваттах, обозначается W;
• Q — реактивная мощность, измеренная в реактивных вольтах-амперах, обозначается VAR;
• S — полная мощность, измеряемая в вольтах-амперах, обозначаемая VA;
• U — напряжение, измеряемое в вольтах, обозначается VA;
• I — ток, измеряемый в амперах, обозначается А;
• R — сопротивление, измеряемое в омах, указываемое в омах.

Назовем основные отличия P с постоянным током от Q с переменным электрическим током. Расчет P на постоянном электрическом токе самый простой. Закон Ома действует для участков электрической цепи. В этом законе участвуют только амплитуда приложенного U (напряжения) и амплитуда сопротивления R.

Вычислить S (полную мощность) на переменном электрическом токе немного сложнее. Помимо P есть Q и вводится понятие коэффициента мощности. Сложив алгебраически активный P и реактивный Q, мы получим сумму S.

Дифференциальные выражения для электрической мощности

В настоящих проводниках потери энергии на единицу объема существенны. Такие ситуации рассматриваются с учетом плотности тока (j). (Удельная) мощность определяется выражением Pspec = (j2) * Rspec. Для удобства оценки часто используется проводимость, противоположная соответствующему сопротивлению.

Как измерить мощность

всегда необходимо знать силовые характеристики бытовой техники. Это нужно для расчета сечения разводки, для учета расхода электроэнергии или для электрификации дома. Перед началом монтажных работ такую ​​информацию можно получить только сложив показатели мощности каждого отдельного устройства, добавив 10% запаса.

Счетчик поможет определить потребляемую нагрузку в домашних условиях. Прибор показывает, сколько киловатт было израсходовано за один час работы оборудования. А чтобы убедиться в правильности показаний, хозяин квартиры может проверить точность прибора с помощью электронных измерительных приборов. Сюда входит амперметр, вольтметр или мультиметр.
Также существуют ваттметры и варметры, которые показывают результаты измерений в ваттах. Во время чтения оставляйте включенными только активную нагрузку, например, лампочки и обогреватели. Затем измерьте текущее напряжение. Наконец, сверьте показания счетчика с рассчитанным результатом.

Формула мощности электрического тока

Для практических расчетов неудобно пользоваться основным определением. Ниже приведены формулы, которые помогут узнать расход электроэнергии, используя стандартные параметры источника питания и паспортные данные подключенных устройств. В случае отсутствия этой информации в сопроводительной документации, вы можете получить необходимые данные на официальном сайте производителя или с помощью специальных мерок.

Мощность электрического тока через напряжение и ток

Поскольку разность потенциалов (F1-F2) соответствует напряжению (U), несложно сделать вывод о допустимости использования соотношений, определенных в законе Ома. Мощность (P) также характеризуется током (I) в определенном участке цепи. Окончательное выражение:

P = U * I.

Обозначение мощности по международной системе СИ — ватты (Вт). Для малых и больших значений используются несколько префиксов: «милли», «микро», «мега» и другие. Разобраться, как указывается потенция, несложно:

5800 Вт = 5,8 кВт = 5,8 кВт.

Мощность электрического тока через напряжение и сопротивление

По аналогии с предыдущим рассуждением, мы можем выразить мощность следующим образом:

P = U2 / R.

Чему равна мощность электрического тока через ток и сопротивление

Расход энергии определяется простыми преобразованиями следующим образом:

P = I2 * R.

В этом и предыдущем разделе показана зависимость мощности от номинала подключенного резистора. При рассмотрении полной схемы учитывается внутреннее сопротивление источника и проводимость соединений.

Чтобы не ошибиться в расчетах, вы можете скопировать эту картинку с основными формулами

Расчет силы тока по мощности и напряжению в сети постоянного тока

Чтобы вычислить силу I (ток), значение U (напряжение) необходимо разделить на значение сопротивления.

Расчет силы тока по мощности и напряжению:

I = U ÷ R

Измеряется в амперах.

В этом случае электрическая P (активная мощность) может быть рассчитана как произведение электрической силы I на значение U.

Формула для расчета мощности по току и напряжению:

P = U × I

Все составляющие в этих двух формулах характерны для постоянного электрического тока и называются активными.

На основе этих двух формул вы также можете вывести две другие формулы, по которым вы можете распознать P:

P = I2 × R

P = U2 ÷ R

Однофазные нагрузки

В однофазных сетях переменного тока необходимо отдельно рассчитывать нагрузки P и Q, а затем складывать их с помощью векторного расчета.

S = P + Q

В скалярной форме это будет выглядеть так:

S = √P2 + Q2

Следовательно, вычисление P, Q, S выглядит как прямоугольный треугольник. Две стороны этого треугольника представляют компоненты P и Q, а гипотенуза — их алгебраическая сумма.

S измеряется в вольт-амперах (VA), Q измеряется в реактивных вольт-амперах (VAR), P измеряется в ваттах (W).

Зная размер ветвей треугольников, можно рассчитать коэффициент мощности (cos φ). Как это сделать, показано на изображении треугольника.

Расчет в трехфазной сети

I переменный (ток) отличается от постоянного по всем параметрам, особенно наличием нескольких фаз. Расчет P в трехфазной нагрузке необходим для правильного определения характеристик подключенной нагрузки. Трехфазные сети получили широкое распространение благодаря простоте использования и невысоким материальным затратам.

Трехфазные цепи можно соединять двумя способами: звездой и треугольником. На всех схемах фазы обозначены символами A, B, C. Нейтральный провод обозначен символом N.

При соединении звездой различают два типа U (напряжения): фазное и линейное. Фаза U определяется как U между фазой и нейтралью. Линейный U определяется как U между двумя фазами.

Эти два U связаны отношениями:

UL = UФ × √3

Линейный и фазный электрические токи при соединении звездой равны между собой: IL = IF

Модуль расчета S при соединении звездой:

S = SA + SB + SC = 3 × U × I

Активный P:

Р = 3 × Uф × Iph × cosφ

Отзывчивый Q:

Q = √3 × Uph × Iph × sinφ.

При соединении треугольником фазный и линейный U равны между собой: UL = UФ

Линейный I при соединении треугольником определяется по формуле:

IL = ЕСЛИ × √3

Формулы мощности электрического тока при соединении треугольником:

• S = 3 × Sph = √3 × Uph × Iph;
• P = √3 × Uph × Iph × cosφ;
• Q = √3 × Uph × Iph × sinφ.

Средняя P в активной нагрузке

В электрических сетях P измеряют с помощью специального прибора — ваттметра. Схемы подключения зависят от того, как подключена нагрузка.

При сбалансированной нагрузке P измеряется в одной фазе, а результат умножается на три. В случае несбалансированной нагрузки для измерения потребуются три инструмента.

P-параметры сети или системы являются важными данными для электрического устройства. Данные о потреблении P активного типа передаются в течение определенного периода времени, то есть среднее потребление P передается в рассчитанный период времени.

Как определить максимальную мощность тока

Полезная мощность имеет наибольшее значение, когда сопротивление нагрузки — R равно сопротивлению внутри источника — r.

R = r.

Pmax = E2 / 4r

Где: E — электродвижущая сила (ЭДС) источника.

вы можете рассчитать максимальную токовую нагрузку, которую будет использовать электрическое устройство, исходя из номинальной нагрузки и входного переменного напряжения. Номинальная мощность нагрузки будет указана в технических характеристиках устройства, руководстве или на этикетке.

Так, например, если номинальная потребляемая мощность электрического устройства (P) составляет 12 Вт, максимальное потребление тока при различных напряжениях U = 120 В переменного тока будет:

I = 12/120 = 0,100 А или 100 мА

В переменной сети 220 В:

I = 12/220 = 0,055 А или 55 мА

Прямые замеры

Ваттметры выпускаются в нескольких модификациях для сетей

380В. Соответствующие исправления вносятся при выполнении рабочих операций. Подключите датчики в соответствии с инструкциями производителя и правильной прокладкой проводов. Как правило, в конструкции устройств используются две катушки с параллельным и последовательным подключением к нагрузке. Для большей точности используются профессиональные приборы из категории «лабораторные.

Косвенные замеры

Эти операции выполняются с помощью мультиметров. Измеряются сопротивление, ток и напряжение, затем рассчитывается мощность.

Фазометры

Эти инструменты измеряют фазовый сдвиг между различными электрическими параметрами. Таким образом, с помощью такого устройства можно определить, отсутствует ли значение паспорта в документах, сопровождающих оборудование.

Регулирование cos

Негативное влияние указанных выше реактивных составляющих компенсируется специальными дополнениями к общей электрической схеме. Расчеты производятся по представленным формулам.

Мощность в цепи переменного электрического тока

Подключенные к сети электроприборы работают в цепи переменного тока, поэтому рассмотрим мощность в этих условиях. Однако сначала дадим общее определение концепции.

Мощность — это физическая величина, которая отражает скорость преобразования или передачи электрической энергии.

В более узком смысле, электричество — это связь между работой, проделанной за определенный период времени, и этим периодом времени.

Если перефразировать это определение менее научным образом, окажется, что мощность — это определенное количество энергии, потребляемое потребителем в течение определенного периода времени. Самый простой пример — обычная лампа накаливания. Скорость, с которой лампочка преобразует потребляемую электроэнергию в тепло и свет, будет ее мощностью. Соответственно, чем выше изначально индикатор этой лампочки, тем больше энергии она будет потреблять и тем больше света будет давать.

Поскольку в этом случае идет не только процесс преобразования электричества в какое-то другое (световое, тепловое и т.д.), Но и процесс колебания электрического и магнитного поля, возникает фазовый сдвиг между током и напряжением, и это следует учитывать в дальнейших расчетах.

Определение активного и реактивного показателя

Активная мощность рассчитывается путем определения общего значения синусоидального тока в однофазной цепи за желаемый период времени. Формула расчета представлена ​​в виде выражения P = U * I * cos φ, где:

• U и I действуют как эффективный ток и напряжение;
• cos — фазовый угол между этими двумя значениями.
  

Благодаря электрической активности электричество преобразуется в другие виды энергии — тепловую и электромагнитную энергию. Любая электрическая сеть с синусоидальным или несинусоидальным током определяет активность участка цепи, складывая мощности каждого отдельного промежутка цепи. Электрическая мощность участка трехфазной цепи определяется суммой мощности каждой фазы.

Аналогичным показателем уровня активной мощности является значение мощности передачи, которое рассчитывается по разнице между ее падением и отражением.

Реактивный индикатор измеряется в вольт-амперах. Это величина, используемая для определения электрических нагрузок, создаваемых электромагнитными полями в цепи переменного тока. Единица измерения мощности электрического тока вычисляется путем умножения среднеквадратичного значения напряжения в сети U на переменный ток I и фазовый синус между этими значениями. Формула расчета выглядит следующим образом: Q = U * I * sin.

Если токовая нагрузка меньше напряжения, фазовый сдвиг положительный, если, наоборот, отрицательный.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередач, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу своих конструктивных характеристик обладают продольным индуктивным сопротивлением. Следовательно, даже для нагрузки, потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет присутствовать индуктивный компонент — реактивная мощность. Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.

Фактически, для самой простой схемы:

• Р — активная мощность в энергоцентре,
• Рн — активная мощность на расходных шинах,
• R — активное сопротивление распределительной сети,
• Q — реактивная мощность в энергоузле,
• Qн — реактивная мощность на шинах потребителей.
• U — напряжение в центре питания,
• Uн — натяжение расходных шин,
• X — индуктивное реактивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, реактивная мощность Q будет передаваться от источника питания через распределительную сеть. С учетом моторного характера нагрузки ситуация ухудшается: значения мощности в центре мощности увеличиваются и стать равным:

= н + (Рн2 + Qн2) * R / UN²;

Q = Qн + (Р2 + Qн) * X / Un².

Реактивная мощность, передаваемая от источника питания потребителю, имеет следующие недостатки:

1. В распределительной сети возникают дальнейшие потери активной мощности — потери при транспортировке электроэнергии:
   δР = (РР2 + Qн2) * R ,некоторые из них (а иногда и значительные) являются потерями из-за переноса реактивной мощности.
2. Значение напряжения для потребителя и, как следствие, качество электроэнергии снижается:
   Un = U — (P * R + Q * X) / U.
3. Нагрузка распределительной сети электричеством увеличивается, что лишает потребителя возможности дальнейшего развития.

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров электроснабжения к потребителям становится сложной технико-экономической проблемой, влияющей как на эффективность, так и на надежность энергосистем.

Классическим решением этой проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности потребителю за счет установки дополнительных источников реактивной энергии — статических конденсаторов потребителя.

Как рассчитать ампераж

Сила тока — это величина электрического тока, выраженная в амперах. Вы можете рассчитать силу тока следующим образом: I = P / U.

Расчет силы тока.

Приборы для измерения электрической мощности

Ваттметр позволяет измерять мощность. Имеет две обмотки. Один включен в цепь последовательно, как амперметр, второй — параллельно, как вольтметр. В электрических системах ваттметры определяют значения в киловатт-часах «кВтч». Измерения необходимы не только для электрической энергии, но и для энергии лазера. Приборы для измерения этого показателя выпускаются как в стационарном, так и в переносном исполнении. С их помощью оценивается уровень лазерного излучения оборудования, использующего этот вид энергии. Один из портативных счетчиков — LP1, японский производитель. LP1 позволяет напрямую определять значения силы света, например, в визуальной точке оптических устройств DVD-плееров.