Содержание
Любой электроприбор характеризуется несколькими основными параметрами, среди которых номинальное напряжение, ток и мощность. Иногда в техническом паспорте указываются лишь мощность и напряжение, ток в этом случае легко найти, воспользовавшись знаменитыми формулами Ома (разумеется, с рядом оговорок – например, должен быть известен cos). Верно также обратное: зная ток и напряжение, можно выполнить расчет мощности. В глобальной Сети есть много материалов по данной теме, но большая их часть рассчитана на специалистов.
Давайте рассмотрим, что понимают под термином «электрическая мощность», какие существуют ее разновидности и как можно сделать расчет мощности. Физический смысл мощности указывает, насколько быстро в установке (приборе) происходит преобразование электроэнергии в тот или иной вид полезной работы. Вот так все просто! Для неэлектрических же устройств вполне допустимо использовать термин «производительность».
В электротехнике принято разделение, согласно которому существует активная и реактивная мощность. Первая непосредственно преобразуется в полезную работу, поэтому считается основной. Единицей измерения служит Ватт и производные – Киловатт, Мегаватт и пр. На бытовых электроприборах указывается именно она. Хотя это вовсе не означает, что реактивной составляющей нет. В свою очередь вторая – нежелательная, так как в выполнении работы не участвует, а растрачивается на различные виды потерь. Измеряется в «вар» (вольт-ампер реактивный) и производных – киловольт-ампер реактивный и т.д. Сумма активной и реактивной составляющих формируют полную мощность (вольт-ампер, ВА).
Яркий пример потребителя с чистой активной нагрузкой – электрический ТЭН. При прохождении по нему электрического тока генерируется тепло, причем в прямой зависимости. Точно так же действует потребитель реактивной энергии – классический трансформатор. При его работе в витках обмотки создается магнитное поле, которое само по себе не нужно (используется свойство электромагнитной индукции). Магнитопровод намагничивается, происходят потери. Другими словами:
где sin Fi – синус угла между векторами тока и напряжения. Его знак зависит от характера нагрузки (емкостная или индуктивная).
Расчет мощности начинают с определения рода тока: постоянный или переменный, так как формулы не являются универсальными.
В первом случае используется следствие из классического закона Ома. Мощность P является произведением тока I на напряжение U:
При цепи с источником питания учитывается направление ЭДС: это нужно для расчета сопротивления самого источника. Так, генератор или батарея, в которых ток течет от «-» к «+», выдавая энергию в нагрузку цепи, отдает мощность. Если же течение тока противоположно приложенному потенциалу (зарядка аккумуляторной батареи), то имеет место поглощение мощности источником ЭДС.
Формула расчета мощности для переменного тока (однофазная цепь) учитывает коэффициент – «косинус фи». Он представляет собой отношение активной составляющей мощности к полной. Очевидно, что в случае с ТЭНом косинус будет равняться 1 (идеальный вариант), так как реактивной составляющей нет. Иначе для снижения потерь на стороне генератора применяют различные компенсаторы или иные технические решения.
Расчет мощности в трехфазных цепях выполняется для каждой фазы, а полученные значения затем суммируются. Для переменного тока полная мощность рассчитывается как квадратный корень из суммы квадратов активной и реактивной составляющих. Для генерирующих устройств (подстанции) более важно знать именно полную мощность, так как на основе этого подбираются все остальные элементы последующих цепей. Очевидно, что в большинстве случаев нельзя заранее узнать характер нагрузки.
При проектировании любых электрических цепей выполняется расчет мощности. На его основе производится выбор основных элементов и вычисляется допустимая нагрузка. Если расчет для цепи постоянного тока не представляет сложности (в соответствии с законом Ома, необходимо умножить силу тока на напряжение — Р=U*I), то с вычислением мощности переменного тока — не все так просто. Для объяснения потребуется обратиться к основам электротехники, не вдаваясь в подробности, приведем краткое изложение основных тезисов.
Полная мощность и ее составляющие
В цепях переменного тока расчет мощности ведется с учетом законов синусоидальных изменений напряжения и тока. В связи с этим введено понятие полной мощности (S), которая включает в себя две составляющие: реактивную (Q) и активную (P). Графическое описание этих величин можно сделать через треугольник мощностей (см. рис.1).
Под активной составляющей (Р) подразумевается мощность полезной нагрузки (безвозвратное преобразование электроэнергии в тепло, свет и т.д.). Измеряется данная величина в ваттах (Вт), на бытовом уровне принято вести расчет в киловаттах (кВт), в производственной сфере – мегаваттах (мВт).
Реактивная составляющая (Q) описывает емкостную и индуктивную электронагрузку в цепи переменного тока, единица измерения этой величины Вар.
Рис. 1. Треугольник мощностей (А) и напряжений (В)
В соответствии с графическим представлением, соотношения в треугольнике мощностей можно описать с применением элементарных тригонометрических тождеств, что дает возможность использовать следующие формулы:
- S = √ P 2 +Q 2 , — для полной мощности;
- и Q = U*I*cos φ , и P = U*I*sin φ — для реактивной и активной составляющих.
Эти расчеты применимы для однофазной сети (например, бытовой 220 В), для вычисления мощности трехфазной сети (380 В) в формулы необходимо добавить множитель – √ 3 (при симметричной нагрузке) или суммировать мощности всех фаз (если нагрузка несимметрична).
Для лучшего понимания процесса воздействия составляющих полной мощности давайте рассмотрим «чистое» проявление нагрузки в активном, индуктивном и емкостном виде.
Активная нагрузка
Возьмем гипотетическую схему, в которой используется «чистое» активное сопротивление и соответствующий источник переменного напряжения. Графическое описание работы такой цепи продемонстрировано на рисунке 2, где отображаются основные параметры для определенного временного диапазона (t).
 также не наблюдается. Такой результат указывает, что ее перемещение происходит в обоих направлениях цепи. То есть, когда увеличивается напряжение, происходит накопление заряда в емкости. При наступлении отрицательного полупериода накопленный заряд разряжается в контур цепи.</p>
<p>В процессе накопления энергии в емкости нагрузки и последующего разряда не производится полезной работы.</p>
<h3><span id=)
Индуктивная нагрузка
Негативное воздействие реактивной нагрузки
Потребляемая мощность прибора часто указывается на тыльной стороне
Таблица значений средней потребляемой мощности
,
