Мощность электрического тока

Электрическая энергия обладает рядом параметров, которые нельзя увидеть и почувствовать, но возможно измерить, вычислить и оценить. Одним из важнейших параметров является мощность электрического тока, обозначаемая латинской буквой P. Единица измерения мощности – Ватт (W, Вт). Для переменного тока используют несистемные единицы — вольт-амперы ВАР, ВА.

Содержание

1 Общая теория
2 В цепях постоянного тока
3 В цепях переменного тока

Общая теория

Электрическая мощность — это величина, отображающая скорость генерации, передачи или преобразования электрической энергии в другие виды энергии за единицу времени. Эта величина не существует сама по себе, а является характеристикой работы, производимой электрическими устройствами и машинами, такими как генераторы, нагреватели, электродвигатели, осветительные, электронные приборы. Например, чем мощнее электронагреватель, тем быстрее он преобразует 1 киловатт электроэнергии в 3600 килоджоулей тепла.

Основными характеристиками электрической цепи являются сила тока и напряжение, обозначаемые латинскими буквами I и U соответственно. Из этих двух величин вычисляются все остальные. Напряжение – это работа по перемещению заряда величиной 1 кулон, ток – количество кулонов, проходящих через сечение проводника за 1 секунду. Соответственно мощность – это отношение работы ко времени, в течение которого производилась работа или произведение напряжения на ток , где

P – мощность, Вт (ватт);
А – работа эл. тока, Дж (джоулей);
t – время работы, секунд;
U – напряжение, В (вольт)
I — ток, А (ампер).

Как видно из формулы, мощность прямо пропорциональна току и напряжению, она напрямую зависит от их величины. Увеличение мощность произойдёт при повышении U или увеличения I. С величиной тока напрямую связана ещё одна характеристика электрической цепи – сопротивление ^®. И тут действует один из важнейших законов – закон Ома, выражающийся соотношением . Таким образом, ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. С увеличением сопротивления, при неизменном напряжении, ток уменьшается и наоборот.

В цепях постоянного тока

Постоянный ток характеризуется неизменной полярностью напряжения, не изменяет направление движения зарядов и имеет положительный и отрицательный полюса. Мощность в цепях постоянного тока вычисляется простой формулой , единицы измерения — ватты (Вт).

Характеристики электрической цепи постоянного тока легко представить в виде аналогии с садовым шлангом, с помощью которого нужно наполнить ведро водой:

U – давление воды.
I – количество литров воды, выливающиеся через шланг за секунду.
R – длинна шланга.
P – скорость наполнения ведра с помощью шланга.

Скорость наполнения ведра:

увеличится при увеличении U или I. В свою очередь I увеличится при уменьшении R;
уменьшится при уменьшении U или I. При этом I уменьшится при увеличении R.

В цепях переменного тока

Здесь полярность напряжения, полюса , направление движения зарядов изменяются с частотой, выражаемой в Герцах (Гц). Российские электрические сети работают на частоте 50 Гц. Это значит, что полярность напряжения и направление движения зарядов изменяется 50 раз в секунду, график изменения величин имеет форму синусоиды.

Этот факт оказывает влияние на потребляемую мощность, она так же изменяется по синусоиде. Соответственно, уже знакомая формула принимает вид .

Косинус Фи

На рисунке синий график U смещён относительно красного графика I на некоторый угол. Косинус этого угла и называют коэффициентом мощности или косинусом фи.

В идеальном случае, когда, графики накладываются друг на друга, угол сдвига равен 0, cos j = 1.

Cos j имеет огромное значение. Уменьшение коэффициента означает снижение эффективности, а для предприятий может даже обернуться штрафами. Значение косинуса j менее 0,5 считается недопустимым. Для улучшения качества сети, повышения cos j применяют устройства компенсации.

Активная, реактивная и полная мощность

Явление свойственное только цепям переменного тока.

Активная, P. Потребляется в цепях, содержащих активную нагрузку. Примером таких нагрузок могут быть электронагреватели, лампы накаливания и другие электроприборы, обладающие низкими значениями собственной ёмкости © и индуктивности (L). В этом случае большая часть энергии передаётся в нагрузку с максимальной эффективностью, как показано на рис.3. Вычисляется по формуле .
Реактивная, Q. Возникает в цепях со значительными величинами индуктивности и ёмкости. Это могут быть трансформаторы, электродвигатели, дроссели, конденсаторы. Её образование связано с тем, что индуктивная и емкостная нагрузки способны запасать, затем отдавать обратно накопленную энергию. Возврат энергии происходит в противофазе источника питания, в результате коэффициент активной мощности снижается (рис.2). Реактивная составляющая не потребляется нагрузкой, расходуется на нагрев проводников, вызывает другие негативные явления. Обозначается латинской буквой Q, единицей измерения является вольт-ампер реактивный (ВАР). Вычисляется по формуле .
Полная, S. Это произведение значений действующих величин напряжения и тока. Обозначается латинской буквой S, единицей измерения является вольт-ампер (ВА) и связана соотношениями: .

Компенсация реактивной составляющей

Для борьбы с реактивной составляющей, увеличения косинуса фи сетей на промышленных предприятиях используют конденсаторные установки. Дело в том, что основное электрооборудование цехов фабрик и заводов – трансформаторы , электродвигатели имеют обмотки с высокими значениями индуктивности. Индуктивная и емкостная нагрузки имеют противоположные направления сдвига фаз тока относительно напряжения, потому компенсацию влияния индуктивностей производят с помощью введения емкостей.

На рисунке синяя пунктирная линия показывает сдвиг фазы тока при индуктивной нагрузке, зелёная – при емкостной. При правильном соотношении обоих типов нагрузки, происходит взаимная компенсация сдвига фаз, а результирующая красная линия совпадает по фазе с напряжением. В итоге, характер потребления энергии становится близок к активному, снижаются потери, повышается эффективность работы.

Задача компенсации реактивной составляющей осложняется непостоянством величины нагрузки. Так, на заводе в утреннюю смену может работать 3 производственных линии, а в вечернюю смену только одна. Изменение уровня потребления энергии приводит к недостатку или избытку компенсирующего воздействия. В таких случаях используют автоматически регулируемые устройства.

Применение средств компенсации реактивной мощности позволяет сократить расход электроэнергии в среднем на 10%, уменьшить сечение питающих кабелей при общем снижении нагрузок.

Измерение электрической мощности

Измерение электрической мощности можно производить:

методом прямого измерения с помощью ваттметра
методом измерения тока, напряжения и вычислений по формулам, приведенным выше.

Понимание процессов, происходящих в электрических цепях важно не только на производстве, но и в быту. Например, выбирая сварочный аппарат для мелких работ на даче, следует иметь в виду, что выбирая устройство избыточной мощности, мы изначально переплачиваем за ненужный запас. Кроме того, слабая электросеть не позволит в полной мере реализовать потенциал слишком мощного аппарата.

В любом случае, знание теории делает осознанным выбор оборудования, инструментов, что поможет избежать лишних затрат при покупке и эксплуатации, на работе и дома.

Как определить мощность электрического тока: видео