Додати сайт до закладок

Поняття потужності електричного струму

Потужність електричного струму

Перш ніж говорити про електричну потужність, слід визначитися з поняттям потужності у загальному розумінні. Зазвичай, коли люди говорять про потужність, вони мають на увазі якусь силу, яку має той чи інший предмет (потужний електродвигун), або дію (потужний вибух).

Але, як ми знаємо зі шкільної фізики, сила та потужність – це різні поняття, хоча залежність у них є.

Спочатку потужність (N) - це характеристика, що відноситься до певної події (дії), а якщо вона прив'язана до деякого предмета, то з ним також умовно співвідносять поняття потужності. Будь-яка фізична дія має на увазі вплив сили. Сила (F), за допомогою якої було пройдено певний шлях (S), дорівнюватиме досконалій роботі (А). А робота, виконана за визначений час(t), і буде прирівнюватись до потужності.

Потужність - це фізична величина, що дорівнює відношенню досконалої роботи, що виконується за деякий проміжок часу, до того ж проміжку часу. Оскільки робота є мірою зміни енергії, ще можна сказати так: потужність - це швидкість перетворення енергії системи.

Розібравшись із поняттям механічної потужності, можна перейти до розгляду електричної потужності (потужність електричного струму). Як ви повинні знати, U – це робота, що виконується при переміщенні 1 Кл, а струм I – кількість кулонів, що проходять за 1 сек. Тому добуток струму на напругу показує повну роботу, Виконану за 1 сек, тобто електричну потужність, або потужність електричного струму.

Аналізуючи наведену формулу, можна зробити дуже простий висновок: оскільки електрична потужність P в однаковій мірі залежить від струму I і від напруги U, то, отже, одну і ту ж електричну потужність можна отримати або при великому струмі і малій напрузі, або навпаки , при великій напрузіі малому струмі (це використовується при передачі електроенергії на віддалені відстані від електростанцій до місць споживання шляхом трансформаторного перетворення на електропідстанціях, що підвищують і знижують).

Активна електрична потужність (це потужність, яка безповоротно перетворюється на інші види енергії - теплову, світлову, механічну тощо) має свою одиницю вимірювання - Вт (Ватт). Вона дорівнює добутку 1 на 1 А. У побуті і на виробництві потужність зручніше вимірювати в кВт (кіловатах, 1 кВт = 1000 Вт). На електростанціях вже використовуються великі одиниці - мВт (мегавати, 1 мВт = 1000 кВт = 1 000 000 Вт).

Реактивна електрична потужність - це величина, яка характеризує такий вид електричного навантаження, що створюються в пристроях (електрообладнанні) коливаннями енергії (індуктивного та ємнісного характеру) електромагнітного поля. Для звичайного змінного струмувона дорівнює добутку робочого струму I і падіння напруги U на синус кута зсуву фаз між ними: Q = U×I×sin(кута). Ре активна потужністьмає свою одиницю виміру під назвою ВАр (вольт-ампер реактивний). Позначається літерою Q.

Активну та реактивну електричну потужність на прикладі можна виразити так: дано електротехнічний пристрій, який має нагрівальні тени та електродвигун. Тени, як правило, виготовлені з матеріалу з високим опором. При проходженні електричного струму по спіралі тена електрична енергія повністю перетворюється на тепло. Такий приклад характерний для активної електричної потужності.

Електродвигун цього пристрою має мідну обмотку. Вона є індуктивністю. А як ми знаємо, індуктивність має ефект самоіндукції, а це сприяє частковому поверненню електроенергії назад у мережу. Ця енергія має деяке зміщення значення струму і напруги, що викликає негативний вплив на електромережу (додатково перевантажуючи її).

Схожими здібностями має і ємність (конденсатори). Вона здатна накопичувати заряд та віддавати його назад. Різниця ємності та індуктивності полягає в протилежному зміщенні значень струму та напруги щодо один одного. Така енергія ємності та індуктивності (зміщена по фазі щодо значення електромережі живлення) і буде, по суті, бути реактивною електричною потужністю.

Електроенергія давно використовується людиною задоволення своїх потреб, але вона невидима, не сприймається органами почуттів, тому складна розуміння. З метою спрощення пояснення електричних процесів їх досить часто порівнюють з гідравлічними характеристиками рідини, що рухається.

Наприклад, до нас у квартиру приходить по проводах від далеко розташованих генераторів і вода по трубі від насоса, що створює тиск. Однак, вимкнений вимикач не дозволяє світитися лампочкам, а закритий водопровідний кран – литися воді з крана. Щоб здійснювалася робота, треба включити вимикач і відкрити кран.

Спрямований потік вільних електронів по дротах спрямує до нитки розжарення лампочки (Піде електричний струм), яка випромінюватиме світло. Вода, що витікає з крана, стікатиме в раковину.

Ця аналогія дозволяє розуміти кількісні характеристики, асоціювати силу струму зі швидкістю переміщення рідини, оцінювати інші параметри.

Напруга електромережі порівнюють із потенціалом енергії джерела рідини. Наприклад, зростання гідравлічного тиску насосом у трубі створить велику швидкістьпереміщення рідини, а збільшення напруги (або різниці між потенціалами фази - вхідного дроту і робочого нуля - відходить) посилить напруження лампочки, силу її випромінювання.

Опір електричної схемизіставляють із силою гальмування гідравлічному потоку. На швидкість переміщення потоку впливають:

в'язкість рідини;

засміченість та зміна перерізу каналів. (У разі водопровідного крана - положення регулюючого вентиля.)

На величину електричного опору впливає кілька факторів:

будова речовини, що визначає наявність вільних електронів у провіднику та впливає на ;

площа поперечного перерізу та довжина тоководу;

Температура.

Електрична потужністьтеж порівнюють з енергетичними можливостями потоку в гідравліці та оцінюють по виконаній роботі в одиницю часу. Потужність електроприладу виражається через споживаний струм і підведену напругу (для ланцюгів змінного та постійного струму).

Всі ці характеристики електроенергії досліджено відомими вченими, які дали визначення струму, напруги, потужності, опору та описали математичними методами взаємні зв'язки між ними.

Розглянемо кілька прикладів їхнього використання.

Допустимо, потрібно підібрати струмообмежуючий резистор для блоку живлення схеми освітлення. Нам відома напруга живлення бортової мережі «U», яка дорівнює 24 вольтам і струм споживання «I» в 0,5 ампера, який не можна перевищувати. За виразом (9) закону Ома обчислимо опір "R". R = 24/0,5 = 48 Ом.

На перший погляд, номінал резистора визначений. Однак цього недостатньо. Для надійної роботи семи потрібно виконати розрахунок потужності струму споживання.

Відповідно до дії закону Джоуля - Ленца активна потужність "Р" прямо пропорційно залежить від струму "I", що проходить через провідник, і прикладеної напруги "U". Цей взаємозв'язок описаний формулою (11) у наведеній таблиці.

Розраховуємо: Р = 24х0, 5 = 12 Вт.

Це значення отримаємо, якщо скористаємося формулами (10) чи (12).

Проведений розрахунок потужності резистора за струмом його споживання показує, що в схемі, що вибирається, треба використовувати опір величиною 48 Ом і 12 Вт. Резистор меншої потужності не витримає доданих навантажень, грітиметься і згорить.

Цим прикладом показана залежність того, як на потужність споживача впливають струм навантаження та напруга в мережі.

Для групи розеток, призначених для живлення побутових приладів на кухні, необхідно підібрати захисний автоматичний вимикач. Потужності приладів за паспортними даними становлять 2,0, 1,5 та 0,6 кВт.

Рішення. У квартирі використовується однофазна змінна мережа 220 вольт. Загальна потужність всіх приладів, підключених до роботи одночасно, становитиме 2,0+1,5+0,6=4,1 кВт=4100 Вт.

За формулою (2) визначимо загальний струмгрупи споживачів: 4100/220 = 18,64 А.

Найближчий номіналом автоматичний вимикач має величину спрацьовування 20 ампер. Його і вибираємо. Автомат меншого значення на 16 А постійно відключатиметься від навантаження.

Відмінності параметрів електросхем на змінному струмі

Однофазні мережі

При аналізі параметрів електроприладів слід враховувати особливості їх роботи в ланцюгах змінного струму, коли завдяки впливу промислової частоти у конденсаторів виникають ємнісні навантаження (зсувають вектор струму на 90 градусів вперед від вектора напруги), а у обмоток котушок - індуктивні (струм на 90 градусів) від напруги). У електротехніці їх називають. Вони в комплексі створюють реактивні втрати потужності Q, які не виконують корисної роботи.

На активних навантаженнях відсутнє зсув фази між струмом та напругою.

Таким чином, до активної величини потужності електроприладу в ланцюгах змінного струму додається реактивна складова, за рахунок якої збільшується загальна потужність, яку називають повною і позначати індексом «S».

Електричний струм та напруга промислової частоти змінюються у часі за синусоїдальним законом. Відповідно до цього відбувається зміна потужності. Визначати їх параметри в різні моменти часу не має особливого сенсу. Тому вибирають сумарні (інтегруючі) значення за певний часовий проміжок, як правило – період коливання Т.

Знання відмінностей параметрів ланцюгів для змінного та постійного струму дозволяє правильно розраховувати потужність через струм та напругу у кожному конкретному випадку.

Трифазні мережі

У принципі вони складаються із трьох однакових однофазних ланцюгів, зрушених один щодо одного на комплексній площині на 120 градусів. Вони трохи відрізняються навантаженнями в кожній фазі, що зсувають струм від напруги на кут фі. За рахунок цієї нерівномірності створюється струм I0 у нульовому дроті.

Напруга в цій системі складається з напруг у фазах (220 В) та лінійних (380 В).

Потужність приладу трифазного струму, підключеного до схеми, складається зі складових у кожній фазі. Її вимірюють за допомогою спеціальних приладів: ватметрів (активна складова) та варметрів (реактивна). Розрахувати повну потужність споживання приладу трифазного струму можна на основі вимірів ватметра та варметра з використанням формули трикутника.

Існує ще непрямий метод виміру, заснований на використанні вольтметра та амперметра з наступними обчисленнями отриманих значень.

Кожен сучасний прилад має електричну потужність. Її цифрове значення вказується виробником корпусі фена чи електричного чайника, на кришці кухонного комбайна.

Одиниці виміру

Розрахунок електричної потужності дозволяє визначати вартість електричної енергії, що споживається різними приладами за певний проміжок часу Вати та кіловати у надмірній кількості призводять до виходу з ладу проводів, деформації контактів.

Залежність між електричним струмом та потужністю, що споживається приладами

Електрична потужність є роботу, яка здійснюється за проміжок часу. Включений у розетку прилад виконує роботу, що вимірюється у ватах (Вт). На корпусі вказується кількість енергії, яка буде спожита приладом за певний проміжок часу, тобто споживана електрична потужність.

споживана потужність

Вона витрачається те що, щоб у провіднику відбувалося переміщення електронів. У разі одного електрона, що має одиничний заряд, вона можна порівняти з величиною напруги мережі. Повна енергія, яка необхідна для переміщення всіх електронів, визначатиметься як добуток напруги на число електронів, що знаходяться в ланцюзі під час роботи електричного приладу. Нижче наведена формула електричної потужності:

Враховуючи, що число електронів, що протікають за проміжок часу через поперечний переріз провідника, є електричним струмом, можна уявити його у вираз для шуканої величини. Формула електричної потужності виглядатиме:

Насправді доводиться обчислювати не саму потужність, а величину струму, знаючи напругу мережі та номінальну потужність. Визначивши струм, який споживається певним приладом, можна співвіднести номінал розетки та автоматичного вимикача.

Приклади розрахунків

Для чайника, електрична потужність якого розрахована на два кіловати, споживаний струм визначається за формулою:

I = P / U = (2 * 1000) / 220 = 9А

Щоб підключати такий прилад до звичайної електричної мережі, роз'єм, розрахований на 6 ампер, явно не підійде.

Наведені вище залежності між потужністю та електричним струмом доречні лише при повному збігу по фазі значень напруги та струму. Практично всім побутових електричних приладів підходить формула електричної потужності.

Виняткові ситуації

У тому випадку, якщо в ланцюзі є велика ємність або індуктивність, використовувані формули будуть недостовірними, ними не можна скористатися для проведення математичних розрахунків. Наприклад, електрична потужність для двигуна змінного струму визначатиметься таким чином:

cos - це коефіцієнт потужності, який для електричних двигунів становить 0,6-0,8 одиниць.

Визначаючи параметри приладу в трифазній мережі з напругою 380, необхідно підсумовувати потужність з окремих величин для кожної фази.

Приклад розрахунку

Наприклад, у разі трифазного котла, розрахованого на потужність 3 кВт, у кожній фазі споживається по 1 кВт. Розрахуємо величину фазного струму за формулою:

I = P / U_ф = (1 * 1000) / 220 = 4,5А.

Для сучасної людини характерне постійне застосування на виробництві та у побуті електрики. Він використовує прилади, які споживають електричний струм, застосовує такі пристрої, що його виробляють. Працюючи з такими джерелами, важливо враховувати максимальні можливості, які передбачаються в технічних характеристиках.

Така фізична величина як електрична потужність є одним з основних показників будь-якого приладу, що функціонує при протіканні через нього потоку електронів. Для транспортування чи передачі електричних потужностей великому обсязі, яка у виробничих умовах, застосовуються високовольтні лінії електричних передач.

Перетворення енергії виконується на потужних трансформаторних підстанціях. Трифазне перетворення характерне для промислових та побутових приладіврізної сфери застосування. Наприклад, завдяки такому перетворенню, функціонують лампи розжарювання різного номіналу.

У теоретичній електротехніці існує таке поняття, як миттєва електрична потужність. Пов'язана така величина з протіканням через певну поверхню за незначний часовий проміжок одиничного елементарного заряду. Відбувається здійснення роботи цим зарядом, який пов'язаний з поняттям миттєвої потужності.

Виконуючи нескладні математичні обчислення можна визначити величину потужності. Знаючи цю величину, можна підбирати напругу для повноцінного функціонування різноманітних побутових та промислових приладів. У такому випадку можна уникнути ризиків, пов'язаних з перегоранням дорогих електричних приладів, а також з необхідністю періодично змінювати електричну проводку в квартирі або офісі.

Робота електричного струму

До ланцюга, представленого на малюнку 1, додано постійна напруга U.

U = φ А – φ Б

За час tпо ланцюгу протікала кількість електрики Q. Сили електричного поля, що діє вздовж провідника, за цей час перенесли заряд Qз точки Ав точку Б. Робота електричних сил поля або, що те саме, робота електричного струму може бути підрахована за формулою:

A = Q × ( φ А – φ Б) = Q × U,

Так як Q = I × t, то остаточно:

A= U × I × t,

де A– робота у джоулях; I- Струм в амперах; t- Час у секундах; U- Напруга у вольтах.

За законом Ома U = I × r. Тому формулу роботи можна написати і так:

A = I 2 × r × t.

Потужність електричного струму

Робота, проведена в одиницю часу, називається потужністю та позначається буквою P.

З цієї формули маємо:

A = P × t.

Одиниця виміру потужності:

1 (Дж/сек) інакше називається ватом (Вт). Підставляючи у формулу потужності вираз для роботи електричного струму, маємо:

P = U × I(Вт).

Формула потужності електричного струму може бути виражена також через споживаний струм і опір споживача:

Крім вата, практично застосовуються більші одиниці виміру електричної потужності. Електрична потужність вимірюється в:

100 Вт = 1 гектоватт (гВт);
1000 Вт = 1 кіловат (кВт);
1000000 Вт = 1 мегават (МВт).

Електрична потужність вимірюється спеціальним приладом – ватметром. Ваттметр має дві обмотки (котушки): послідовну та паралельну. Послідовна котушка є струмовою і включається послідовно з навантаженням на ділянці ланцюга, де проводяться вимірювання, а паралельна котушка – це котушка напруги, вона відповідно включається паралельно до цього навантаження. Принцип дії ватметра заснований на взаємодії двох магнітних потоків створюваних струмом, що протікає по обмотці рухомої котушки (струмової котушки), і струмом, що проходить по нерухомій котушці (котушки напруги). При проходженні вимірюваного струму по обмотці рухомий і нерухомий котушок утворюються два магнітні поля, при взаємодії яких рухома котушка прагне розташуватися так, щоб напрямок її магнітного поля збігався з напрямком магнітного поля нерухомої котушки. Обертовому моменту протидіє момент, створений спіральними пружинками, через які в рухому котушку проводиться струм, що вимірювається. Протидіючий момент пружинок прямо пропорційний куту повороту котушки. Стрілка, укріплена на рухомий котушці, вказує значення вимірюваної величини. Схема включення ватметра показана малюнку 2.

Якщо ви вирішили виміряти споживану потужність, який є у вас навантаження, і при цьому у вас відсутній ватметр, ви можете "виготовити" ватметр своїми руками. З формули P = I × Uвидно, що потужність, що споживається в мережі, можна визначити, помноживши струм на напругу. Тому для визначення потужності, що споживається з мережі, слід використовувати два прилади, вольтметр та амперметр. Вимірявши амперметром споживаний струм і вольтметром напруга мережі живлення, необхідно показання амперметра помножити на показання вольтметра.

Так, наприклад, потужність, що споживається опором rпри показанні амперметра 3 А і вольтметра 220 В буде:

P = I × U= 3×220 = 660 Вт.

Для практичних вимірювань електричної роботи (енергії) джоуль є надто дрібною одиницею.

Якщо час tпідставляти не в секундах, а в годинах, то отримаємо більші одиниці електричної енергії:

1 Дж = 1 Вт × сек;
1 Вт × год = 3600 ватт × секунд = 3600 Дж;
100 Вт × год = 1 гектоватт × год (гВт × год);
1000 Вт × год = 1 кіловат × год (кВт × год).

Електрична енергія вимірюється лічильниками електричної енергії.

Відео 1. Робота та потужність електричного струму

Відео 2. Ще трохи про потужність

приклад 1.Визначити потужність, споживану електричним двигуном, якщо струм ланцюга дорівнює 8 А і двигун включений в мережу напругою 220 В.

P = I × U= 8×220 = 1760 Вт = 17,6 гВт = 1,76 кВт.

приклад 2.Яка потужність, що споживається електричною плиткою, якщо плитка бере з мережі струм 5 А, а опір спіралі плитки дорівнює 24 Ом?

P = I 2 × r= 25×24 = 600 Вт = 6 гВт = 0,6 кВт.

При переведенні механічної потужності в електричну та назад необхідно пам'ятати, що
1 кінська сила (к. с.) = 736 Вт;
1 кіловат (кВт) = 1,36 л. с.

приклад 3.Визначити енергію, яка витрачається електричною плиткою потужністю 600 Вт протягом 5 годин.

A = P × t= 600 × 5 = 3000 Вт × год = 30 гВт × год = 3 кВт × год

приклад 4.Визначити вартість горіння дванадцяти електричних ламппротягом місяця (30 днів), якщо чотири з них по 60 Вт горять по 6 годин на добу, інші вісім ламп по 25 Вт горять по 4 години на добу. Ціна за енергію (тариф) 2,5 рубля за 1 кВт×год.

Потужність чотирьох ламп по 60 Вт.

P= 60×4 = 240 Вт.

t= 6×30 = 180 годин.

A = P × t= 240 × 180 = 43200 Вт × год = 43,2 кВт × год.

Потужність решти восьми ламп по 25 Вт.

P= 25×8 = 200 Вт.

Число годинника горіння цих ламп на місяць:

t= 4×30 = 120 годин.

Енергія, що витрачається цими лампами:

A = P × t= 200 × 120 = 24000 Вт × год = 24 кВт × год.

Загальна кількість енергії, що витрачається:

43,2 + 24 = 67,2 кВт × год

Вартість всієї спожитої енергії:

67,2 × 2,5 = 168 рублів.

При проектуванні електрообладнання та розрахунку кабелів та пускової та захисної апаратури важливо правильно розрахувати потужність та струм електроапаратури. У цій статті розповідається, як знайти ці параметри.

Що таке потужність

Під час роботи електронагрівача чи електродвигуна вони виділяють тепло чи виконують механічну роботу, одиниця виміру якої – 1 джоуль (Дж).

Одна з основних характеристик електроустаткування- Потужність, що показує кількість тепла або проведеної роботи за 1 секунду і виражається у Ват (Вт):

1Вт = 1Дж / 1с.

В електротехніці 1Вт виділяється при проходженні струму в 1А при напрузі 1В:

Відповідно до закону Ома, знайти потужність можна також, знаючи опір навантаження і струм чи напруга:

P=U*I=I*I*R=(U*U)/R, де:

• P (Вт) – потужність електроприладу;
• I (А) - струм, що протікає через пристрій;
• R (Ом) – опір апарату;
• U (В) – напруга.

Номінальною називають потужність при номінальних параметрах мережі та номінальному навантаженні на валу електродвигуна.

Щоб дізнатися кількість електрики, спожитого за період роботи, її необхідно помножити на час, який апарат працював. Величина, що повчилася, вимірюється в кВт*год.

Розрахунок у мережах змінної та постійної напруги

Електромережа, що живить електроприлади, може бути трьох видів:

• постійна напруга;
• змінне однофазне;
• змінне трифазне.

До кожного виду при розрахунках використовується своя формула потужності.

Розрахунок у мережі постійної напруги

Найпростіші розрахунки виробляються в електромережі постійного струму. Потужність електроапаратів, підключених до неї, прямо пропорційна струму та напрузі і, щоб знайти її, використовується формула:

Наприклад, в електродвигуні з номінальним струмом 4,55А, підключеному до електромережі 220В, потужність дорівнює 1000 Ватт, або 1кВт.

І, навпаки, при відомих напрузі мережі та потужності струм розраховується за формулою:

Однофазні навантаження

У мережі, в якій відсутні електродвигуни, а також у побутовій електромережі, можна користуватися формулами для мережі постійної напруги.

Цікаво.У побутовій електромережі 220В струм можна обчислити за спрощеною формулою: 1кВт = 5А.

Потужність змінного струму обчислюється складніше. Ці апарати, крім активної, споживають реактивну енергію, та формула:

показує повну споживану енергію пристрою. Щоб дізнатися активну складову, потрібно врахувати cosφ- Параметр, що показує частку активної енергіїу повній:

Ракт = Розділ * cosφ = U * I * cosφ.

Відповідно, Робщ = Ракт / cosφ.

Наприклад, в електродвигуні з Ракт 1кВт та cosφ 0,7 повна енергія, що споживається пристроєм, буде 1,43кВт, і струм – 6,5А.

Розрахунок у трифазній мережі

Трифазну електромережу можна уявити як три однофазні мережі. Однак в однофазних мережах використовується поняття «фазна напруга» (Uф), що вимірюється між нульовим та фазним проводами, у мережі 0,4кВ, що дорівнює 220В. У трифазних електромережах замість «фазного» застосовується поняття «лінійна напруга» (Uлін), що вимірюється між лінійними проводами та в мережі 0,4кВ, що дорівнює 380В:

Uлін = Uф√3.

Тому формула для активного навантаження, наприклад електрокотла, виглядає так:

При визначенні потужності електродвигуна необхідно враховувати cosφ, вираз набуває наступного вигляду:

P=U*I*√3*cosφ.

Насправді цей параметр зазвичай відомий, а дізнатися необхідно струм. Для цього використовується наступний вираз:

I=P/(U*√3*cosφ).

Наприклад, для електродвигуна 3кВт (3000Вт) та cosφ 0,7 розрахунок виходить таким:

I=3000/(380*√3*0,7)=5,8А.

Цікаво.Замість обчислень вважатимуться, що у трифазної мережі 380В 1кВт відповідає 2А.

Кінська сила

У деяких випадках щодо потужності автомобілів користуються застарілою одиницею виміру «кінська сила».

Цю одиницю ввів у звернення Джеймс Уайт, на честь якого названа одиниця потужності 1 Ватт, 1789 року. Його найняв один пивовар для побудови парового двигуна для насоса, здатного замінити коня. Щоб визначити, який необхідний двигун, взяли коня і запрягли його качати воду.

Вважається, що пивовар взяв найсильнішого коня і змусив його працювати без відпочинку. Реальна сила коня менше 1,5 разу.