Мощность электрического тока является одной из ключевых величин в классической электродинамике. Данный параметр электрической энергии применяется в характеристике генераторов тока, электропроводящих линий, а также промышленных и бытовых электроприборов.
Определение и единицы измерения
Говоря о мощности электрического тока, обычно имеют в виду скорость электроэнергии, проходящей по проводнику, а также количество работы, совершаемой током за одну единицу времени. Работа электрического поля, посредством которой определяется мощность тока, через ее отношение к электрическому заряду, переносимому между двумя точками цепи, дает понятие напряжения поля.
Таким образом, данное понятие численно приравнивается к работе, затрачиваемой для переноса заряда (Q) в проводнике. Произведение же общего количества зарядов в цепи на напряжение (U) и есть работа, которую делят на количество времени, получая тем самым мощность тока. По международным стандартам электрическая мощность определяется в ваттах. Данная единица обозначает работу тока в 1 джоуль за 1 секунду.
В математическом выражении величина определяется в соответствии со следующей формулой:
P = A / t,
где P – мощность, A – работа, t — период времени.
В свою очередь, работа определяется по формуле A = P × t или же A = U × Q. Учитывая, что заряд равен силе тока, помноженной на время (Q = I × t), получаем A = U × I × t. Приравняв все формулы работы и сократив переменную t, можно определить мощность как произведение напряжения на силу тока: P = U × I.
Если допустить, что в электрический контур включен резистор, дающий сопротивление R, то, по закону Ома, мощность равна квадрату силы тока, помноженного на сопротивление, или же отношению квадрата напряжения к сопротивлению: P = I² × R = U² / R.
Вышеприведенные формулы абсолютно верны только для постоянного тока. Однако для того, чтобы вычислить мощность в проводниках переменного тока, где соответствующие величины непрерывно изменяются, дополнительно принимают во внимание коэффициент мощности (фазовый угол) со среднеквадратичными величинами U и I.
Виды
Относительно цепей переменного тока мощность в целом принято подразделять на активную и реактивную.
Активная мощность
Активная мощность тока — вид мощности, которая напрямую идет на необратимое превращение энергии тока в механическую или тепловую. Такой тип задействован, например, в электронагревателях, лампах накаливания и других схожих приборах.
Для расчета активной мощности применяют следующую формулу:
P = U × I × cos φ
При этом «косинус фи» равен углу сдвига фаз между напряжением и силой тока. В несинусоидальных проводниках мощностной показатель складывается из средних значений отдельных колебаний. Однако независимо от типа цепи мощность всегда равняется сумме мощностей активного вида на всех участках данной цепи.
В трехфазных системах электроснабжения с одинаковыми частотами, созданными синусоидальными источниками электродвижущей силы, и постоянным углом фаз электрическую мощность описывают как совокупную энергию отдельно взятых фаз, которая равна произведению полной мощности и фазового угла — P = S × cos φ.
Реактивная мощность
Под реактивной мощностью подразумевают энергию, которая передается на отдельные элементы самого устройства (конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности и т. д.), после чего измененная под необходимые параметры электроэнергия возвращается назад в источник. Этот вид мощности присутствует в трансформаторах, электродвигателях и других приборах с реактивными деталями.
В реактивных системах «косинус φ» может принимать положительные значения (0 — 90º) или отрицательные (0 — -90º). Положительная реактивная мощность проявляется при потреблении энергии частями прибора, а при отдаче электроэнергии обратно показатель определяется как отрицательный.
При всем этом реактивная мощность не включена в общую производительность электрического тока, а является как бы отдельной составляющей цепи. Тем не менее она выполняет одну из важных задач, регулируя напряжение, что способствует эффективному распределению энергии по электросистеме.
Полная мощность
Дополнительно в электротехнике вводится понятие полной мощности (S) как характеристики энергоемкости, имеющей практическую важность. Эта величина описывает диапазон нагрузок энергосети, которые затребованы потребителем. В этом случае нормативы вычисляют, ориентируясь на потребляемую энергию, а не ту, которая уже использована конечным потребителем. Полная мощность рассчитывается как среднеквадратичное значение от суммы активной и реактивной мощностей.
Пример расчета мощности электрического тока
Для расчета совокупной мощности электроприборов в бытовой сети применяют особую методику в целях определения оптимальной толщины электропроводки и механизмов защиты от сбоев. По электротехническим нормативам, при расчете осветительные и силовые сети группируются отдельно друг от друга. Мощности приборов суммируются по следующим принципам:
- P(сил) = P1 + P2 +P3...+Pn
- P(осв) = P1×n1+P2×n2+P3×n3+...+Pn×nn
P1, P2 и т. д. для обеих групп обозначают мощности отдельных устройств или ламп, а n1, n2... в группе осветительной сети — число ламп с одинаковыми мощностными показателями.
Так как работа всех приборов сразу практически маловероятна, в расчеты вводят так называемый коэффициент спроса, определяемый по следующей таблице.
| Общая мощность (кВт) | <=5 | 6-15 | 16-20 | 21-30 | 31-40 | 41-50 | 51-60 | >60 |
| Коэффициент спроса | 1 | 0,8 | 0,65 | 0,6 | 0,55 | 0,5 | 0,47 | 0,45 |
Рассмотрим вычисления на конкретном примере. Имеются следующая бытовая техника и лампы освещения:
- телевизор — 150 Вт;
- компьютер — 550 Вт;
- пылесос — 700 Вт;
- чайник электрический — 1500 Вт;
- посудомоечная машина — 2000 Вт;
- стиральная машина — 2500 Вт;
- лампы накаливания — 4 шт. х 60 Вт;
- светодиодные лампы — 6 шт. х 20 Вт.
Общая мощность силовых приборов: 150+550+700+1500+2000+2500 = 6400 Вт = 6,4 кВт. Умножив киловатты на коэффициент спроса, получаем расчетную мощность: 6,4×0,8=5,12 кВт. Номинальная и расчетная мощность ламп: 60×4+20×6 = 360 Вт = 0,3 кВт. Таким образом, общая расчетная мощность всех электроприемников составляет 5,15 кВт.
От чего зависит мощность тока
Как уже было показано выше, сила тока и напряжение непосредственно влияют на выходные данные мощностных величин. При их увеличении в проводнике электрического тока возрастает и мощность соответственно с темпами роста одного или обоих показателей.
В реальных проводниках с переменным током существенную роль играет тип цепи и способ подключения тех или иных элементов (последовательный или параллельный), разница между активной и полной мощностью электроприемника, а также расхождение между колебательными фазами силы тока и напряжения.
Измерение мощности электрического тока
Основной единицей измерения мощности является 1 ватт (Вт), названная в честь шотландского ученого-изобретателя Джеймса Уатта. При таком количестве энергии за 1 секунду ток совершает работу в 1 джоуль. Для обозначения энергоемкости электроприборов, линий электропередач и электровырабатывающих станций также используют такие величины, как:
- киловатт (кВт) — 1 000 Вт;
- мегаватт (МВт) — 1 000 000 Вт;
- гигаватт (ГВт) — 1 000 000 000 Вт.
Для сетей переменного тока с непостоянными показателями силы тока и напряжения для обозначения мощности иногда применяют внесистемную единицу вольт-ампер (В·А), имея в ввиду фактические показатели U и I за один период переменного тока. Непосредственное измерение мощности осуществляется с помощью ваттметра. Такие приборы в основном применяются в электросетях промышленной частоты для определения потребляемой энергии.
Связь мощности тока с действием тока в электрической цепи
Мощностные показатели тех или иных электроприборов играют важную роль при определении их корректной работы. Сравнивая номинальную мощность устройства с мощностью от источника питания, можно судить о возможной нагруженности прибора при подключении к сети. Если источник выдает меньшую мощность, чем того требуют энергетические параметры электроприемника, то действие тока окажется недостаточным или же его не будет совсем. В том случае, когда на устройство от питания подается большая мощность, чем та, на которую оно рассчитано, велик риск перегрузки и выхода его из строя.
Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что мощность электрического тока является действительно важным параметром в электротехнике. Правила технической безопасности требуют непременно учитывать эту характеристику при эксплуатации оборудования. При грамотном сопоставлении энергетических свойств приборов и деталей можно не допустить критических сбоев, обычно возникающих при коротком замыкании или перегреве проводников.
Оставить комментарий: