Мощность электрического тока — определение, единица измерения, формулы для переменного и постоянного тока, определите мощности цепи

Понятие мощности электрического тока отражает скорость передачи или преобразования электрической энергии в другой вид. Это мера интенсивности этих процессов.

Численно она равна работе по переносу электрических зарядов в единицу времени под действием источника напряжения.

Единицей измерения ее является Ватт, сокращенно Вт.

Содержание

Определения, единицы измерения

Мощность, работа, энергия

В международной системе СИ, устанавливающей единицы измерения различных величин, энергия, или совершенная работа измеряется в Джоулях, сокращенно Дж.

Один ватт – это работа, произведенная электрическим током в течение одной секунды – 1 Вт = Дж/с.

На практике мощность часто измеряется в киловаттах и мегаваттах: 1 кВт = 1000 Вт, 1 мВт = 1000 кВт.

Электрическая энергия обозначается латинской буквой W:

W = P*t, Вт*с

  • P – мощность, Вт;
  • t – время, в течение которого совершалась работа, с.

В энергетике пользуются более удобными и наглядными единицами измерения расхода электроэнергии – кВт*час.

Пример

4 лампы накаливания, каждая мощностью 100 Вт (0,1 кВт) были включены в течение 5,5 часов.

Тогда расход электроэнергии W = 4*0,1*5,5 = 2,2 кВт час.

Коэффициент мощности

При протекании тока по цепям, имеющим только активную (омическую) нагрузку, ток и напряжение питания совпадают по фазе.

  • Если нагрузка содержит активное и индуктивное сопротивление, например, катушка пускателя, то ток отстает по фазе от напряжения на некоторый угол φ.
  • При чисто активной нагрузке он равен нулю, а при чисто индуктивной – минус 90°.
  • Если нагрузка содержит активное и емкостное сопротивление, то ток опережает напряжение, а угол φ принимает значения от нуля до плюс 90°.
  • Принято определять характер нагрузки с помощью коэффициента мощности Км:
  • Км = cosφ.

Виды электрической мощности

Существует понятие трех видов мощности, каждая из которой обозначается соответствующей буквой латинского алфавита.

P – активная мощность

Ее еще часто называют «полезной». Например, активная мощность, потребляемая электродуговой сталеплавильной печью, расходуется на работу по расплавлению стальной шихты, а затем, в процессе плавки, определяет температуру расплава.

В общем виде, для однофазной сети:

P = U*I*cosφ, или P = I²R, где:

  • U –напряжение питания, обычно равно 220 В;
  • I –ток нагрузки, А;
  • R – активное сопротивление нагрузки, Ом

Для трехфазной сети: P=√3 U*I*cosφ, где U – линейное напряжение, обычно равно 380 В.

Очевидно, что при активной нагрузке cosφ=1

Q – реактивная мощность

Она потребляется или генерируется только реактивными элементами. Например, статорная обмотка асинхронного электродвигателя является индуктивной и активной нагрузкой.

Потребляемая двигателем реактивная мощность расходуется на создание основного магнитного потока, создающего вращающий момент.

S – полная мощность

Это суммарная мощность, потребляемая электроприемниками из сети:

Для однофазной сети S = U*I = P/ Cosφ

Для трехфазной — S = √3U*I = P/ Cosφ

С реактивной мощностью она связана соотношением: Q = S/ sinφ

Отсюда следует, что S² = P² + Q²

P, Q и S измеряются в Вт (Ватт), ВАр (Вольт-Ампер реактивные) и ВА (Вольт-Ампер) соответственно.

Существует также довольно распространенное мнение, что квартирные счетчики подсчитывают расход всей потребляемой электроэнергии.

На самом деле бытовые счетчики любых типов учитывают потребление только активной мощности, и оплачивается только она.

P – мощность в цепях постоянного тока

P = U*I*, или P = I²R, где:

  • U – напряжение питания, В;
  • I – ток нагрузки, А;
  • R – активное сопротивление нагрузки, Ом

В цепях постоянного тока фазовый сдвиг всегда равен нулю, наличие индуктивностей и конденсаторов не изменяет величину потребляемой мощности, значение имеет только омическое сопротивление,

Потери в линиях питания

  1. Активные потери в проводах питания от протекающего тока Pa = I²R, где R – сопротивление проводников.

Ток в линии I² = I²a + I²p, где:

I²a и I²p – активная и реактивная составляющие тока.

Очевидно, что передача реактивной мощности вызывает дополнительную загрузку линии, что приводит к необходимости увеличивать сечение питающих проводов или кабелей.

Потери напряжения в линии: D = I*R, В.

Для уменьшения потерь в линиях электроснабжения большой протяженности необходимо увеличивать сечение проводов и кабелей, соответственно увеличиваются и затраты на их приобретение.

Нужно отметить, что трансформаторы, индукционные печи, электродвигатели, катушки магнитных пускателей и контакторов переменного тока, и многие другие устройства и механизмы не смогли бы работать без источника реактивной мощности, поэтому не нужно воспринимать ее существование только как негативное явление, понижающее энергетические показатели.

Компенсация реактивной мощности

Для того, чтобы снизить потребление реактивной энергии от генерирующих установок электростанций и улучшить энергетические показатели сети, применяются различные виды компенсирующих устройств.

Их действие основано на том, что индуктивные и емкостные токи имеют противоположные направления, так как их фазы сдвинуты относительно друг друга на 180°. Конденсаторы, подключенные к нагрузке, могут рассматриваться как генераторы емкостного тока. При равенстве емкостных и индуктивных токов можно добиться идеальной компенсации и нагрузка будет носить чисто активный характер.

На практике применяются различные виды компенсаторов:

  • статические батареи конденсаторов;
  • синхронные электродвигатели и компенсаторы, работающие в режиме перевозбуждения;

Батареи конденсаторов имеют возможность ручного или автоматического регулирования емкости так, чтобы при всех изменениях индуктивной нагрузки в линии питания поддерживалось оптимальное значение cosφ = 0,9 – 0,95.

Если производственное оборудование имеет мощные синхронные двигатели, например, применяемые для привода компрессоров, то их можно и нужно использовать в качестве генераторов емкостного тока.

Для этого увеличивается ток возбуждения до такого значения, после которого синхронные двигатели не потребляют, а отдают реактивную энергию в сеть.

На таком же принципе работают и вращающиеся синхронные компенсаторы. Они представляют собой синхронные двигатели с облегченной обмоткой, и не имеют никакой механической нагрузки на валу. Работают точно так же, в режиме перевозбуждения.

Заданное значение коэффициента мощности поддерживается с помощью систем автоматического регулирования, устанавливаемых на подстанциях и в распределительных устройствах.

Измерение мощности

Измерение активной мощности, потребляемой от источника однофазного напряжения, производится специальным прибором – ваттметром. Тремя ваттметрами можно абсолютно точно измерить ее и в трехфазной цепи, для этого нужно подключить к каждой фазе по прибору и просуммировать их показания.

Если токи нагрузки больше предельных для ваттметров, то клеммы токовых входов приборов подключаются через трансформаторы тока, а их показания умножаются на коэффициент трансформации.

Для определения общей мощности S измеряются фазные или линейные напряжения и токи.

Далее она рассчитывается по рассмотренным уже формулам:

  • для однофазной цепи S = U*I;
  • для трехфазной — S = √3U*I.

Реактивную мощность можно просто рассчитать по формуле: Q = √ S² — P².

Для измерения мощностей можно использовать имеющиеся счетчики активной и реактивной энергии

  • Для этого включаются все имеющиеся потребители, через время t = 0,1 – 1,0 часа снимаются показания счетчиков, затем производится расчет по формулам: P = Wa/t, Q = Wp/t.
  • В цепях постоянного тока измеряется напряжение питания и ток нагрузки. Мощность вычисляется перемножением этих величин.
  • Напряжения измеряются вольтметрами или мультиметрами, ток – амперметрами прямого действия, а в сильноточных цепях с помощью токоизмерительных клещей или амперметра косвенного действия, подключаемого с помощью измерительного калиброванного шунта.
  • Расчет и измерение мощности электрического тока необходимы при выборе сечения электропроводки.
  • В жилых помещениях компенсирующие устройства, как правило, не предусматриваются.
  • Основным требованием к проводке является соответствие сечения проводов и мощности всех приемников, установленных в квартире.
  • Для предприятий энергоснабжающие организации устанавливают минимально допустимое значение коэффициента мощности.

Если на практике оно меньше договорной величины, то величина тарифа на электроэнергию соответственно повышается.

Фото вычисления мощности электрического тока

Автор статьи:
Добавить комментарий