Электрическая мощность: что это такое и как ее рассчитать

Обозначаемая на схемах буквой Р электрическая мощность – это физическая величина, которая характеризует скорость преобразования или передачи электроэнергии. Стандартное понятие – это усилие по перемещению электрического заряда по маршруту из точки F1 до точки F2.

Электрическая мощность прибора — ключевой параметр, благодаря которому определяется потенциальная возможность его функционирования в электрической сети. Используется для расчета схем и режима работы оборудования, чтобы обеспечить безопасность электросетей. Чем больше мощность прибора, тем быстрее выполняется ими нужное действие.

Формулы расчета напряжения, силы тока, мощности, сопротивления Источник amperof.ru

Сила электрического тока через напряжение и ток

Поскольку разница потенциалов, вычисляемая по формуле (F1-F2), определяет напряжение (U), нетрудно сделать вывод о том, что нельзя использовать соотношение, установленное законом Ома. Электрическая мощность (P) также квалифицируется силой тока (I) на конкретном участке линии. Финальное выражение: P = U х I.

Чему равна нагрузка, определяемая через ток и сопротивление

За счет простого преобразования определяется потребление электрической энергии по следующей формуле: P = I2 х R. Здесь показывается зависимость мощности от номинального значения резистора, присоединенного к линии элемента сети. Для полной цепи указываются сопротивление источника (внутреннее) и проводимость точки соединения.

Используем электросчетчик

Третий способ — практически все устройства учета снабжены световым индикатором, количество вспышек означает какую-то потребляемую мощность imp/kW.

Отключаем всех потребителей в квартире, оставляем подключенным только интересующий прибор. В течение 15 минут производим подсчет импульсов и умножаем на четыре (что бы получить количество за час). Узнав цифру делим ее на imp/kW и узнаем мощность агрегата.

Также можно записать показание счетчика, включить электроприбор, потребление которого пытаемся определить, на какое-то время, желательно на час. Записываем новые показания, от них отнимаем старые, в результате узнаем приблизительную мощность.

Электронный счетчик позволяет посмотреть все параметры в реальном времени: ток, потребление электроэнергии, напряжение сети, путем перебора меню устройства учета. О том, как снять показания с электросчетчика, мы рассказывали в соответствующей статье!

Аналогом электросчетчика может быть бытовой ваттметр, с помощью которого можно быстро и точно определить мощность потребления электроэнергии прибором. На видео ниже наглядно демонстрируется работа данного устройства:

Что это такое и как рассчитать нагрузку

Нагрузка электрического тока – величина, характеризующая его свойства. Показывает сколько энергии потребляется электрическими приборами. Измеряется мощность тока с помощью специального прибора – ваттметра.

Если последовательно подключить измерительный прибор, можно проверить силу тока. При параллельном присоединении определяется напряжение. Количество потребления схемы рассчитывается по формулам: P = I х U или P = U2/ R = I2 х R.

Электрическая нагрузка равняется напряжению на потребителе умноженному на величину тока, протекающего через него.

P = U х I

Формула указывает, какие измерения определяют этот параметр. Если нагрузка активная, меряется Ваттами, реактивная единица электрической мощности – ВА.

Реактивная единица электрической мощности – ВА Источник infourok.ru

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.

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.

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.

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

Мультиметр

Приведенные в пример приборы сегодня используют лишь в школах на уроках физики. Для профессиональных задач были придуманы мультиметры. Самое обычное устройство включает в себя одновременно функции амперметра, вольтметра и омметра. Прибор бывает как легко переносимым, так и огромным стационарным с большим количеством возможностей. Название «мультиметр» в первый раз было применено именно к цифровому измерителю. Аналоговые приборы чаще называют «авометр», «тестер» или просто «Цешка».

Универсальный мультиметр

Работа тока — сложная, но очень важная тема в электродинамике. Не зная ее, не получится решить даже простейших задач. Даже электрики используют формулы по нахождению работы для проведения необходимых подсчетов.

Как определить максимальную нагрузку тока

Полезная мощность показывает максимальное значение при ситуации, когда сопротивление нагрузки R сравнивается с таким же параметром внутри источника — r.

R = r.

P max = E2 / 4r, где E — это движущая сила источника тока.

Для расчета предельной токовой нагрузки для электрического устройства нужно знать параметр номинальной нагрузки и напряжение переменного тока на входе. Технический паспорт прибора, руководство или эмблема содержат первый показатель.

Например, когда номинальный параметр бытовой техники (P) составляет 12 Вт, максимальная величина потребляемого тока при переменном напряжении составит для:

• 120 В – I = 12/120 = 0,100 А или 100 мА.
• 220 В – I = 12 / 220= 0,055A или 55 мА.

При необходимости, количество потребленной электроэнергии выражается через комплексную величину. С этой целью применяют базовые соотношения, импеданс используют вместо сопротивления.

Коэффициент полезного действия

При выполнении необходимой (полезной) работы, например, механической, приходится выполнять работу большую по величине, так как в реальности существуют силы сопротивления и часть энергии подвержена диссипации (рассеиванию). Эффективность совершения работы определяется при помощи коэффициента полезного действия ($\eta $), при этом:

\[\eta =\frac{P_p}{P}\left(5\right),\]

где $P_p$ — полезная мощность; $P$ — затраченная мощность. Из выражения (5) следует, что полезная мощность может быть найдена как:

\[P_p=\eta P\ \left(6\right).\]

Параметры электрических приборов

Каждую современную квартиру нужно оснащать электрическими приборами. Для их подключения к сети необходимо составить принципиальную схему, где согласованно друг с другом распределятся нагрузки, подключенные к отдельным линиям. Нужно встраивать автоматический выключатель на основании ПУЭ для недопущения аварийных случаев.

Вначале уточняются параметры электропроводки. Затем проверяются по схеме группы для подключения к сети бытовых электроприборов.

Стандартные характеристики электрической мощности потребления (Вт):

• стационарный компьютер – 170-1 250;
• жидкокристаллический телевизор – 120 – 265;
• ноутбук – 40-280;
• кондиционер – 1 200 – 2 500;
• утюг – 450-1850.

Для защиты сети необходим автомат, его выбираем с учетом всех существенных факторов.

Автоматический выключатель для защиты электрической сети Источник vmasshtabe.ru

Важно уделить внимание нагрузкам, имеющим повышенные параметры реактивной энергии.

Подбор номинала автоматического выключателя

КПД источника тока

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.

В чем измеряется?

Единица измерения электрической мощности – Вт для России. По международным стандартам – W. Это энергия, предоставленная за единицу времени. Один Вт равен джоулю за 1 секунду (Дж/с). Причем джоуль – это единица электрической мощности, секунда – времени.

Для небольшого значения используют кратные приставки: «милли-», «микро-», для крупной величины — «мега-». Например: 5 800 Вт = 5,8 киловатт = 5,8 кВт.

При умножении 1 Киловатта на 1 час получается Киловатт-час (кВт х ч). Это единица измерения количества предоставленной абонентам электроэнергии. Применяется энергетическими предприятиями, которые владеют соответствующим оборудованием (генераторы и трансформаторные подстанции). На них вырабатывается и преобразуется произведенная электроэнергия, которая затем распределяется по потребителям.

Таким же образом энергетическая емкость батарей измеряется в единицах ампер-часов (А-ч). Переносные виды аккумуляторов энергии меряются миллиампер-часами (мА-ч).

Энергии в батареях измеряется в миллиампер-часах (мА-ч). Источник listtopa.ru

Для единицы измерения Ватт по международным стандартам выделено буквенное обозначение W по имени Джеймса Уатта. Он впервые стал употреблять термин «лошадиная сила», являющая сегодня устаревшей единицей параметра Вт.

Показатели преобразования энергии:

• лошадиные силы (HP) — 746 Вт;
• кило Ватты (кВт) — 1×1000 Вт;
• мегаватты (МВт) −1×1000000 Вт;
• гигаватт (ГВт) — 1×1000000000 Вт.

Сегодня «лошадиная сила» применяется для указания второго показателя силы двигателя транспортных средств.

Используем электросчетчик

Третий способ — практически все устройства учета снабжены световым индикатором, количество вспышек означает какую-то потребляемую мощность imp/kW.

Отключаем всех потребителей в квартире, оставляем подключенным только интересующий прибор. В течение 15 минут производим подсчет импульсов и умножаем на четыре (что бы получить количество за час). Узнав цифру делим ее на imp/kW и узнаем мощность агрегата.

Также можно записать показание счетчика, включить электроприбор, потребление которого пытаемся определить, на какое-то время, желательно на час. Записываем новые показания, от них отнимаем старые, в результате узнаем приблизительную мощность.

От чего зависит нагрузка электрического тока

Существующие линии электропроводки при передвижении электронов испытывают сопротивление, характеризующее потери напряжения. Схемы, где присутствует источник переменного тока, имеют одну особенность – ключевую роль здесь играет синусоидальное колебание электрических показателей.

Синусоидальное колебание электрических показателей. Источник urpsvet.ru

Указанная далее информация позволит подобрать наилучший способ расчета с учетом фактических условий сети.

Мгновенная электрическая мощность: вычисляем значение

Этот показатель устанавливает мгновенные величины измеряемых данных. Ключевое определение рассмотрено с учетом того, что единичный простой заряд (q) перемещается за определенное время Δt. На выполнение конкретного действия затрачивается энергия электрического тока PF1-F2 = U/ Δt или (U/ Δt) х q = U х (q/ Δt). Формула учитывает движение q за период Δt. Поскольку ток по классическому определению равняется заряду, переходящему из F1 в F2 (I = q/ Δt), выводится финальное выражение: PF1-F2 = U х I.

Условно допуская, что очень маленький промежуток времени, получаем мгновенную мощность для части электрической цепи P(t) = U(t) х I(t). Такие же выводы можно сделать с учетом соответствующего параметра сопротивления: P (t) = (I (t))2 х R = (U(t))2/ R.

Электрическая мощность: цепь постоянного тока

Указанные ранее формулы показаны без корректирующих коэффициентов. Ими пользуются для того, чтобы рассчитать схему с присоединением к источнику постоянного тока. С помощью обыкновенного прибора – мультиметра при правильном положении переключателя устанавливается сопротивление нагрузки, подключенной к сети.

С его помощью устанавливается сопротивление нагрузки Источник hammer-shop.ru

Смотрим в паспорт

Первый способ — посмотреть в паспорт электроприбора. Все фабричные агрегаты снабжаются этикеткой на корпусе, инструкцией и паспортом с гарантией. В данных книжечках указывается сфера применения, условия эксплуатации, и технические данные.

Выше представлен небольшой фрагмент паспортных данных, вернее таблицы с данными модельного ряда конвекторных нагревателей. В столбце №1 указывается ток, проходящий через устройство, во втором столбце указано, сколько потребляет электроэнергии прибор при включении одного ТЭНа и двух. Вот на примере обогревателя с помощью паспорта можно запросто узнать потребляемую мощность аппарата. Аналогичным образом можно определить, сколько потребляет телевизор или даже светодиодная лампа.

Электрическая мощность: цепь переменного тока

Для таких линий пользоваться формулами, определяющими мгновенные параметры, недопустимо, поскольку итоговый показатель меняется от минимального значения до максимального с частотой сети. Для типовой однофазной сети 220 В характерен синусоидальный сигнал 50 Гц. Разрешается применять простую формулу P = U х I при присоединении приборов, имеющих резистивные параметры:

• ТЭН стиральных машин;
• спирали инфракрасных обогревателей;
• лампочки накаливания.

С помощью этой формулы устанавливается нагрузка.

Единицы измерения и обозначение

Единицей измерения мощности в Международной системе единиц (СИ), является ватт. При этом русское обозначение: Вт, международное: W). 1 Вт = 1 Дж/c. Из формулы P = U*I следует, что: 1 ватт = 1 вольт * 1 ампер, или 1 Вт = 1 В*А.

Есть также единицы измерения мощности, кратные ваттам: гектаватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт). Другими словами 1 гВт = 100 Вт, 1 кВт = 1000 Вт, 1 МВт = 1 000 000 Вт.

Единицы мощности, применяемые в электротехнике, кратны ватту: микроватт (мкВт), милливатт (мВт), гектоватт (гВт), киловатт (кВт) и мегаватт (МВт). Другими словами, 1 мкВт = 1*10-6 Вт, 1 мВт = 1*10-3 Вт, 1 гВт = 1*102 Вт, 1 кВт = 1*103 Вт, 1 МВт = 1*106 Вт.

Каждый электроприбор имеет определенную мощность (указана на приборе). Вот типовые значения мощности для некоторых электроприборов.

Раньше для обозначения мощности использовалась единица измерения — лошадиная сила (л.с.), которая известна и сейчас. Переведите из лошадиных сил в ватты, используя выражение: 1 л.с. = 735.5 Вт.

Энергия может быть двух видов: реактивной и активной.

Активная – это истинная электрическая мощность, производит реальную работу в нагрузке, Вт показывает этот параметр. Она преобразует энергию в механическую, тепловую и иные разновидности.

Если включить мощную установку или конденсатор, внутри сети падает напряжение. Такие нагрузки создают колебательный контур, который получает энергию от источника питания. Полезные функции при этой ситуации выполняют лишь P акт составляющие. Активный показатель рассчитывают следующим способом:

• U х I – постоянный ток (переменный при резистивной нагрузке);
• U х I х cos fi – для однофазной линии 220 В;
• U х √3 х cos fi = U х 1,7321 х cos fi – 3-х фазная сеть, U х √3 х 380V.

Бывают другие виды энергии, но об этом позже.

Активна и пассивная энергия Источник ppt-online.org

Реактивная мощность

Этот показатель показывает нагрузки, которые создаются в устройствах за счет колебания энергии электромагнитного поля.

Реактивная мощность, вне зависимости от отсутствия полезной работы, необходимо учитывать для правильной оценки ключевых данных сети. Кабели и провода, при прохождении по ним тока по любому направлению, нагреваются. Это происходит довольно циклично. Энергетические воздействия при высокой интенсивности:

• повреждают кабельные жилы и защитную изоляцию;
• способствуют возникновению короткого замыкания;
• разрушают обмотки трансформаторов и приводов.

Реактивная мощность выражается как ВА (вольт-ампер) и рассчитывается умножением напряжения на силу тока и угол сдвига:

P р = U х I х sin fi.

При подключении нагрузки с емкостными параметрами, значение становится отрицательным, при индукционными – положительным. Поскольку меняются характеристики магнитного поля, единица измерения реактивной мощности ВА.

Если параметры полной электрической мощности показать векторами, возникает треугольник. Длина его сторон будет равняться количеству потребленной электроэнергии конкретной составляющей. Угол, расположенный между полной мощностью (P полн) и активной (ϕ), применяется для расчетов. Общее значение определяется выражением: P полн = √((P акт)2 + (P реакт)2).

Отрицательное влияние реактивной нагрузки

Расчет мощности трехфазной сети

Если представить мощности в виде векторов, то вектора P и Q в сумме будут давать полную мощность. Она равна:

S = √ (P2 + Q2).

График суммарной S

Формулы для P и Q имеют вид:

• P = U*I*sinφ (для сети с одной фазой) и P = √3* U*I*sinφ (для трёхфазной сети);
• Q = U*I* cosφ (для сети 220 В) и Q = √3*U*I* cosφ (для линии 380 В).

К сведению. Расчёты для трёхфазной сети верны при симметрично нагруженных фазах. В противном случае суммируют мощности всех фаз.

Чем меньше угол φ между векторами S и P, тем выше коэффициент мощности cosφ. Полному совпадению векторов препятствует Q. Загруженность ЛЭП и оборудования системы электроснабжения повышается при большом значении угла. Происходят перегревание проводов и износ оборудования энергосистемы.

На практике основными потребителями производственных предприятий выступают трансформаторы, электродвигатели и кабели большой протяжённости. Поэтому там лидирует ИН, потребляющая Q. Происходит перерасход потребляемой энергии, за что предприятия наказывают штрафами.

Реактивная мощность (РМ) несёт с собой следующие минусы:

• не выполняет полезной работы;
• вызывает лишние затраты энергии и непредвиденный перегруз электрооборудования;
• может вызвать аварийную ситуацию.

Чтобы компенсировать РМ, нужно параллельно с такими потребителями включать емкостные элементы. Для этого строят устройства компенсирования Q. Они бывают конденсаторными или индуктивными, в зависимости от того, какого вида реактивная нагрузка преобладает. Конденсаторные установки, включающие в свою комплектацию батареи конденсаторов, размещают, как на силовых подстанциях, так и отдельными блоками. Подобная компенсация восполняет реактивную составляющую потребляемой от поставщика энергии.

Комплектная конденсаторная установка ККУ

Что такое мощность в электричестве

Напряжение – работа, выполняемая по передвижению единицы заряда. Ток – это количество перемещенных кулонов за 1 секунду. При умножении первого параметра на второй получается итоговый объем проделанной работы за 1 секунду.

Сила электричества – числовой измеритель тока, который характеризует его энергетические качества. Силовой показатель одинаково зависит от напряжения и токовой силы. А чем измеряется мощность тока? Для измерения этого параметра используется Ваттметр, таким же образом обозначается единица измерения – Вт (Ватт).

Применяя зависимость силового параметра от силы тока и напряжения, специалисты могут передавать электричество на дальние расстояния. Для этих целей энергия преобразуется на понижающих и повышающих ТП (трансформаторных подстанциях).

Виды мощностей

Мощностью называется измеряемая физическая величина, которая равна скорости изменения с преобразованием, передачей или потреблением системной энергии. Согласно более узкому понятию, это показатель, который равен отношению затраченного времени на работы к самому периоду, который тратится на работу. Обозначается в механике символом N. В электротехнической науке используется буква P. Нередко можно увидеть также символ W, от слова ватт.

Мощность переменного тока -это произведение силы тока с напряжением и косинусом сдвига фаз. При этом беспрепятственно можно посчитать только активную и реактивную разновидность. Узнать полное мощностное значение можно через векторную зависимость этих показателей и площади.

Основные мощностные разновидности.

Мощность электрооборудования и неактивная мощность

Паспорта на оборудование содержат активную нагрузку – коэффициент мощности, являющийся важной характеристикой. Она показывает, насколько эффективно бытовой прибор потребляет электроэнергию.

Рис.8

Это число от −1 до 1, оно не бывает равным единице. Коэффициент этот зависит от вида нагрузки: C, L или R. Первые 2 негативно влияют на PF = cos φ системы. Если его параметр большой, ток, потребляемый приборами, увеличивается. Многие силовые нагрузки индуктивные, вынуждают ток отставать от напряжения.

В электрических АС-цепях сетях переменного тока возникает неактивная энергия. Она рассчитывается просто: квадратный корень из суммы (Pa2+Рr2). Если реактивная нагрузка нулевая, то пассивная равняется модулю |Pa|.

Наличие нелинейных искажений тока в электросетях вызвано несоблюдением направления, возникающего между U/I, поскольку энергия обладает импульсным характером. При нелинейных режимах увеличивается полная мощность тока (EP). Подобная нагрузка неактивная, потребляет Pr и энергию искажения тока. Единица измерения – как у обычной мощности Вт.

Смотрим в паспорт

Первый способ — посмотреть в паспорт электроприбора. Все фабричные агрегаты снабжаются этикеткой на корпусе, инструкцией и паспортом с гарантией. В данных книжечках указывается сфера применения, условия эксплуатации, и технические данные.

Выше представлен небольшой фрагмент паспортных данных, вернее таблицы с данными модельного ряда конвекторных нагревателей. В столбце №1 указывается ток, проходящий через устройство, во втором столбце указано, сколько потребляет электроэнергии прибор при включении одного ТЭНа и двух. Вот на примере обогревателя с помощью паспорта можно запросто узнать потребляемую мощность аппарата. Аналогичным образом можно определить, сколько потребляет телевизор или даже светодиодная лампа.