Мощность: активная, реактивная, полная (P, Q, S), коэффициент мощности (PF)

Что такое мощность электрического тока

При описании электрической мощности в широком смысле чаще всего речь идет об энергии или силе, которой наделен некоторый объект либо действие. Например, ее можно определить для взрыва или же механизма, например двигателя. Этот параметр связан с силой и зависит от нее, потому эти явления нередко путают.

Отличие в том, что сила влияет на физические действия, то есть выполняется работа. Если она проделана за указанное время, то через эти два параметра можно вычислить значение мощности.

В случае с электричеством она бывает двух видов:

1. Активная – превращается в энергию тепла, света, механических действий и т. д. Она измеряется в ваттах и вычисляется по формуле 1 Вт = 1 В х 1А. Но на практике этот показатель чаще всего выражен в киловаттах и мегаваттах.
2. Реактивная – нагрузка, возникающая из-за колебаний внутри электромагнитного поля. Единица измерения – вольт-амперы (ВА), они вычисляются как Q=U x I x sin угла. Последнее означает изменение фазы между током и снижением напряжения.

На практике отличия обоих видов лучше всего рассмотреть на примере элементов для нагревания и электродвигателей. ТЭНы собраны из материала с высоким сопротивлением, поэтому всю полученную электроэнергию они превращают в тепловую. Электродвигатель же имеет детали, обладающие индуктивностью, то есть часть тока возвращается в сеть и может отрицательно влиять на нее, создавая перегрузки.

По какой формуле вычисляется мощность электрического тока

Данная величина привязана одновременно к нескольким физическим параметрам. Напряжение – это работа, необходимая для перемещения 1 кулона. Сила означает число кулонов, которые проходят за 1 секунду. Если умножить ток на напряжение, он будет равен количеству работы в секунду. Для вычисления мощности электрического тока формулу вывести нетрудно.

Она выглядит как

P = A / t = I x U,

обозначения следующие:

• P – мощность тока в ваттах (Вт);
• A – его работа на данном участке цепи в джоулях (Дж);
• t – время, за которое совершена работа (в секундах);
• U – напряжение электричества для участка цепи в вольтах (В);
• I – сила в амперах (А).

Указанная формула показывает, что зависимость мощности от напряжения и силы тока одинакова в этой связке. Один показатель может быть выше и тем самым скомпенсировать другой для обеспечения мощного электротока. Эта особенность обеспечивает передачу электроэнергии на дальние расстояния. Ее преобразование происходит через регулирующие трансформаторы на подстанциях.

Верное определение мощности критически важно для соблюдения правил техники безопасности при эксплуатации электросети и исключения возгораний. Это может произойти, если проводка выбрана неправильно. Для измерения необходимо использовать специальные приборы, но это возможно не всегда.

Определение мощности для переменного тока:

• с помощью амперметра;
• по формуле P= U х I с использованием значений в указанный момент времени;
• по формуле P= U х I x сos φ, если есть сдвиг фаз.

Символ φ обозначает коэффициент мощности. Когда к сети подключен только свет или приборы для нагревания, он равен 1, для более сложного и мощного оборудования промышленного типа цифра составляет 0,8. Формула для расчета мощности через сопротивление в сети постоянного тока – P = IU.

От чего зависит мощность тока

Сила электротока и напряжение – две главные составляющие, из которых складывается этот показатель. Практически это легко можно объяснить на примере маленькой лампочки, получающей ток в 1 А при напряжении 1 В. Ее мощность будет составлять 1 Вт.

Более жизненный пример – учет затраченной электроэнергии по формуле W=IUt, где t – время работы. Чем оно выше, тем больше объем электроэнергии и выше счет за ее оплату в квитанции коммунальных служб.

Почему реактивное сопротивление схемы влияет на мощность переменного тока

Синусоидальная гармоника напряжения, поступая на резистивное сопротивление, изменяет величину тока без его отклонения на комплексной плоскости.

Такой ток совершает полезную работу с минимальными потерями энергии, вырабатывая активную мощность. Частота колебания сигнала не оказывает на нее никакого влияния.

Сопротивление конденсатора и индуктивности зависит от частоты гармоники. Его противодействие отклоняет направление тока на каждом из этих элементов в разные стороны.

Такие процессы связаны с потерей части энергии на бесполезные преобразования. На них расходуется мощность Q, которую называют реактивной.Ее влияние на полную мощность S и связь с активной P удобно представлять графически прямоугольным треугольником.

Захотелось его нарисовать на фоне оборудования из нагромождений фарфора и металла, где пришлось поработать довольно долго. Отвлекся. Не судите за это строго.

Сравните его с опубликованным мною ранее треугольником сопротивлений. Находите общие черты?

Ими являются геометрические пропорции фигуры, описывающие их формулы и угол φ, определяющий потери полной мощности. Перехожу к их более подробному рассмотрению.

Единицы измерения

В системе СИ единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду.

Другой распространённой единицей измерения мощности является лошадиная сила.

Соотношения между единицами мощности

• Единицы
• Втк
• ВтМ
• В
• ткгс·м/сэрг/сл. с.

Мощность в механике

Если на движущееся тело действует сила, то эта сила совершает работу. Мощность в этом случае равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется тело:

F — сила, v — скорость, α — угол между вектором скорости и силы.

Частный случай мощности при вращательном движении:

— угловая скорость,

Электроэнергия и источник питания

Теперь давайте подробнее разберем нашу схему. Немного развернем ее в пространстве для удобства, игнорируя ГОСТ по обозначению источника питания:

Как мы помним с прошлой статьи, электрический ток бежит от точки с бОльшим потенциалом, то есть от плюса, к точке с мЕньшим потенциалом, то есть к минусу. Или говоря простым языком: от плюса к минусу. В настоящий момент у нас выключатель разомкнут. Можно сказать, что мы “оборвали” нашу цепь выключателем. В среде электриков и электронщиков говорят, что цепь ” в обрыве”. Ток не бежит, лампочка не горит.

Но вот мы ловким движением руки щелкаем выключатель и у нас цепь замыкается:

Дорога для электрического тока открыта, и он течет от плюса к минусу через лампочку накаливания, которая начинает ярко светиться.

Вроде бы все понятно, но не совсем. Кто или что заставляет светиться лампочку? Мало того, что она светит, она еще и греет!

Что самое первое появилось во Вселенной? Говорят, что время, хотя я думаю, что энергия). Энергия ниоткуда просто так не берется и никуда просто так не исчезает. Это и есть закон сохранения энергии, так что “побрейтесь” фанаты вечных двигателей).

В данном опыте у нас лампочка светит и греет. Получается, что лампочка излучает и тепловую и световую энергию. Вы ведь не забыли, что световые лучи передают энергию? В быту, например, мы используем солнечные панели, чтобы из лучиков получить электрический ток.

Но теперь вопрос такой. Если лампочка излучает световую и тепловую энергию, то откуда она ее получает? Разумеется, от источника питания. Фраза “источник питания” уже говорит сама за себя. Берет энергию наша лампочка прямо от источника питания через проводкИ. Энергия, которая течет через проводочки, называется электроэнергией.

А откуда берет электроэнергию источник питания? Здесь уже есть разные способы добычи электроэнергии. Это может быть падающий поток воды, который крутит мощные лопасти вертушки, которая работает как генератор. Это могут быть химические реакции в батарейках и акумах. Это может быть даже солнечная панелька или вообще какой-нибудь элемент, типа Пельтье, который может вырабатывать электрический ток под действием разности температур. Способов много, а эффект один. Сделать так, чтобы появилась ЭДС.

Используемые обозначения

Обычно в формулах механики обозначается символом N (происхождение символа подлежит уточнению).

В электротехнике обычно обозначается символом P — от лат. potestas (сила, мощь, действенность);

Иногда используется символ W (от англ. watt).

Гидравлическая мощность

Мощность гидромашины или гидроцилиндра равна произведению перепада давления на машине (разности давлений на входе и выходе) на расход жидкости:

N H = Q H ⋅ P H , {displaystyle N_{H}=Q_{H}cdot P_{H},} где Q H {displaystyle Q_{H}} — расход жидкости, м3/с; P H {displaystyle P_{H}} — перепад давления, .

К примеру, насос НП-89Д, стоящий на Су-24, Ту-134 и Ту-154, имеет производительность 55 л/мин (~0,000917 м3/с) при давлении 210 кгс/см2 (21 МПа)[7] — следовательно, его гидравлическая мощность составляет примерно 19,25 кВт.

Приборы для измерения электрической мощности

Провести измерения мощности позволяет ваттметр. У него две обмотки. Одна включается в цепь последовательно, как амперметр, вторая параллельно, как вольтметр. В установках электроэнергетики ваттметры определяют значения в киловатт-час «кВт*час». В измерениях нуждается не только электрическая, а также лазерная энергия. Приборы, способные измерять этот показатель, изготавливаются как стационарного, так и переносного исполнения.

С их помощью оценивают уровень лазерных излучений оборудования, применяющего этот вид энергии. Один из портативных измерителей – LP1, японского производителя. LP1 разрешает напрямую определять значения силы светового излучения, к примеру, в визуальном пятне оптических устройств проигрывателей DVD.

Приборы для измерения тока

Электроизмерительные приборы — это особый вид устройств, которые используются для измерения многих электрических величин. К ним относятся:

• Амперметр переменного тока;
• Вольтметр переменного тока;
• Омметр;
• Мультиметр;
• Частометр;
• Электрические счетчики.

Омметр

Данный прибор используют для определения электрически активного сопротивления. Принцип действия состоит в изменении измеряемого сопротивления в напрямую зависящее от него напряжение благодаря операционному усилителю. Нужный объект должен быть подключен к цепи обратной связи или к усилителю.

Если омметр электронный, то он будет работать по принципу измерения силы тока, протекающего через необходимое сопротивление при постоянной разности потенциалов. Все элементы соединяют последовательно. В этом случае сила тока будет иметь следующую зависимость:

I = U/(r0 + rx),

где U — ЭДС источника, r0 — сопротивление амперметра, rx — искомое сопротивление. Согласно этой зависимости и определяют сопротивление.

Электронный омметр

Вольтметр

Для определения величины напряжения (разности потенциалов) на участке цепи используют вольтметр. Подключаться прибор должен параллельно цепи и обладать высоким внутренним сопротивлением. Тогда лишь сотые доли силы тока попадут в прибор.

Школьный вольтметр

Принцип работы заключается в том, что внутри вольтметра установлена катушка и последовательно подключенный резистор с сопротивлением не менее 1кОм, на котором проградуирована шкала вольтов. Самое интересное, что на самом деле резистор регистрирует силу тока. Однако деления подобраны таким образом, что показания соответствуют значению напряжения.

Амперметр

Чтобы определить силу тока в электрической цепи, необходимо применить амперметр. Данный прибор включается в цепь последовательным образом и из-за пренебрежимо малого внутреннего сопротивления не оказывает влияния на ее состояние. Шкала амперметра проградуирована в амперах.

В классическом приборе через электромагнитную катушку проходит измеряемый ток, который образует магнитное поле, заставляющее отклоняться магнитную стрелку. Угол отклонения прямо пропорционален измеряемому току.

Классический амперметр

Электродинамический амперметр имеет более сложный принцип работы. В нем находятся две катушки: одна подвижная, другая стоит на месте. Между собой они могут быть соединены последовательно или параллельно. При прохождении тока через катушки их магнитные поля начинают взаимодействовать, что в результате заставляет подвижную катушку с закрепленной на ней стрелкой отклониться на некоторый угол, пропорциональный величине измеряемого тока.

Как определить максимальную мощность тока

Полезная мощность обладает наибольшим значением в случае, когда нагрузочное сопротивление — R равняется сопротивлению внутри источника — r.

R = r.

Pmax=E2 /4r

Где: E — электродвижущая сила (ЭДС) источника.

Можно рассчитать максимальную токовую нагрузку, которую будет использовать электрическое устройство, исходя из номинальной нагрузки и входного напряжения переменного тока. Номинальная энергонагрузка будет указана в технических характеристиках устройства, руководстве или на маркировке.

Так, например, если номинальное энергопотребление электрического устройства (P) составляет 12 Вт, максимальное потребление тока при различных напряжениях U= 120 В переменной сети будет:

I = 12/120 = 0,100 А или 100 мА

В переменной сети 220 В:

I = 12 / 220= 0,055A или 55 мА

Мощность электрооборудования

Во всех паспортных данных на электрооборудование указывают не только его активную нагрузку, но и коэффициент мощности, который является очень важным параметром, в сетях переменного тока AC и определяет, насколько эффективно электроэнергия используется нагрузкой.

Косинус фи

Это рациональное число от −1 до 1, и никогда не равняется единице. Коэффициент мощности системы зависит от типа нагрузки: C, L или R. Первые две отрицательно влияет на PF = cosφ системы. Его большое значение приводит к увеличению тока, потребляемого оборудованием.

PF определяется как отношение реальной активной нагрузки к полной. Его также можно определить, зная по косинусу фазового сдвига между U и I в AC-цепи. Улучшение PF направлено на оптимальное использование электроэнергии, сокращение на электроэнергию и снижение потерь в сетях. Силовые трансформаторы не зависят от коэффициента мощности. Если он близок к единице, для того же номинального значения КВА трансформатора, к нему может быть подключена большая нагрузка. Большинство силовых нагрузок являются индуктивными и заставляют ток отставать от напряжения.

Дополнительная информация! Чтобы преодолеть сдвиг, адаптировано несколько методов коррекции коэффициента PF, помогающих нейтрализовать этот запаздывающий разрыв. Наиболее распространенным методом коррекции коэффициента PF является использование статических конденсаторов параллельно нагрузке. Они подают опережающий ток в систему, тем самым сокращая отставание. Конденсаторные батареи подключены параллельно к индуктивным нагрузкам. Измерить PF можно фазометром — измерительный прибор, определяющий угол сдвига фаз.

Главными параметрами электроприборов считаются: U, I и P. Потребляемую мощность всех устройств абонента учитывают при расчете электропроводки жилого помещения. В противном случае, при включении в сеть большого количества устройств, наступит перегрузка сети. Электропроводка не выдержит ток от электротехнических агрегатов, что приведет к плавлению изоляции, короткого замыкания в сети и воспламенению проводов.

Подбор номинала автоматического выключателя

Формула механической мощности — средняя и мгновенная мощность

Для решения практических задач при подключении нескольких потребителей к стандартной домашней сети 220 V рассчитывают суммарную силу тока в отдельных линиях.

Порядок вычислений для одного бытового кондиционера:

• мощность потребления – 1 250 Вт;
• cosϕ – 0,75;
• I = 1 250/ (220 * 0,75) = 7,58 А.

Аналогичным образом делают расчет других потребителей. Менее мощные устройства объединяют в блок для подключения к одной линии. Делают необходимые коррекции с учетом размещения, чтобы экономно расходовать кабельную продукции. Подходящий автомат выбирают из стандартного модельного ряда в большую сторону номинала (с запасом по силе тока).

Далее проверяют соответствие проводников. Площадь сечения вычисляют по известной геометрической формуле:

S = ¼ * π * d2.

Далее по таблице из ПУЭ выбирают подходящий вариант. Для представленного выше примера при подключении только одного кондиционера достаточно применить медный проводник с площадью сечения 1,5 мм кв. Этого достаточно для длительного пропускания тока силой до 19 А.

Приборы для измерения величин

Отдельные параметры можно измерить с применением специализированных приборов. Амперметры включают в разрыв цепи. Вольтметры – к выходным клеммам нагрузки.

Сильные токи измеряют косвенным способом с применением калиброванного сопротивления (шунта). Также применяют специализированные клещи, образующие при соединении замкнутый контур катушки индуктивности. Рассмотренные выше методики вычислений в сетях переменного тока применяют с учетом реактивных параметров подключаемой техники.

Как узнать напряжение, зная силу тока

Для расчета напряжения используют формулы:

U=P/I – постоянный ток;

U=P/(I*cos(фи)) — однофазная сеть;

U=P/(1,73*I*cos(фи)) — трехфазная сеть.

Из выражения видно, что напряжение прямо пропорционально напряжению и обратно пропорционально силе тока.

Как рассчитать мощность, зная силу тока и напряжение

Силовую характеристику электроустановок рассчитывают по формуле:

P=U*I – постоянный ток;

P=U*I*cos(фи) – переменный ток однофазной сети.

P=1,73*U*I*cos(фи) — трехфазная сеть.

В статье приведены упрощенные формулы расчета активной мощности электросети, которые дают приблизительные результаты.

Для получения точных результатов, необходимо учитывать также реактивное и обычное сопротивление, а также потери.