Потужність електричного струму: робота, формула, в чому вимірюється

Електрична енергія має ряд параметрів, які не можна побачити і відчути, але можливо виміряти, обчислити і оцінити. Одним з найважливіших параметрів є потужність електричного струму, що позначається латинською літерою P. Одиниця виміру потужності – Ват (W, Вт). Для змінного струму використовують несистемні одиниці – вольт-ампер ВАР, ВА.

Загальна теорія

Електрична потужність – це величина, яка відображає швидкість генерації, передачі або перетворення електричної енергії в інші види енергії за одиницю часу. Ця величина не існує сама по собі, а є характеристикою роботи, виробленої електричними пристроями і машинами, такими як генератори, нагрівачі, електродвигуни, освітлювальні, електронні прилади. Наприклад, чим потужніший електронагрівач, тим швидше він перетворює 1 кіловат електроенергії в 3600 кілоджоулів тепла.

Основними характеристиками електричного кола є сила струму і напруга, що позначаються латинськими літерами I і U відповідно. З цих двох величин обчислюються всі інші. Напруга – це робота по переміщенню заряду величиною 1 кулон, ток – кількість кулонів, що проходять через перетин провідника за 1 секунду. Відповідно потужність – це відношення роботи до часу, протягом якого проводилася робота або твір напруги на струм, де

  • P – потужність, Вт (ват);
  • А – робота ел. струму, Дж (джоулів);
  • t – час роботи, секунд;
  • U – напруга, В (вольт)
  • I – струм, А (ампер).

Як видно з формули, потужність прямо пропорційна струму і напрузі, вона безпосередньо залежить від їх величини. Збільшення потужність відбудеться при підвищенні U або збільшення I. З величиною струму безпосередньо пов’язана ще одна характеристика електричного кола – опір ®. І тут діє один з найважливіших законів – закон Ома, що виражається співвідношенням. Таким чином, струм в ланцюзі прямо пропорційний напрузі і обернено пропорційний опору. Зі збільшенням опору, при постійній напрузі, струм зменшується і навпаки.

У ланцюгах постійного струму

Постійний струм характеризується незмінною полярністю напруги, не змінює напрямок руху зарядів і має позитивний і негативний полюси. Потужність в ланцюгах постійного струму обчислюється простою формулою, одиниці виміру – вати (Вт).

Характеристики електричного кола постійного струму легко уявити у вигляді аналогії з садовим шлангом, за допомогою якого потрібно наповнити відро водою:

  • U – тиск води.
  • I – кількість літрів води, що виливаються через шланг за секунду.
  • R – довжина шланга.
  • P – швидкість наповнення відра з допомогою шланга.

Швидкість наповнення відра:

  • збільшиться при збільшенні U або I. У свою чергу I збільшиться при зменшенні R;
  • зменшиться при зменшенні U або I. При цьому I зменшиться при збільшенні R.

У ланцюгах змінного струму

Тут полярність напруги, полюса, напрямок руху зарядів змінюються з частотою, яка виражається в Герцах (Гц). Російські електричні мережі працюють на частоті 50 Гц. Це означає, що полярність напруги і напрямок руху зарядів змінюється 50 разів на секунду, графік зміни величин має форму синусоїди.

Цей факт впливає на споживану потужність, вона так само змінюється по синусоїді. Відповідно, вже знайома формула набирає вигляду.

косинус Фі

На малюнку синій графік U зміщений щодо червоного графіка I на деякий кут. Косинус цього кута і називають коефіцієнтом потужності або косинусом фі.

В ідеальному випадку, коли, графіки накладаються один на одного, кут зсуву дорівнює 0, cos j = 1.

Cos j має величезне значення. Зменшення коефіцієнта означає зниження ефективності, а для підприємств може навіть обернутися штрафами. Значення косинуса j менше 0,5 вважається неприпустимим. Для поліпшення якості мережі, підвищення cos j застосовують пристрої компенсації.

Активна, реактивна і повна потужність

Явище властиве тільки ланцюгах змінного струму.

  • активна, P. Споживається в ланцюгах, що містять активну навантаження. Прикладом таких навантажень можуть бути електронагрівачі, лампи розжарювання і інші електроприлади, які мають низькими значеннями власної ємності © й індуктивності (L). У цьому випадку велика частина енергії передається в навантаження з максимальною ефективністю, як показано на рис.3. Обчислюється за формулою.
  • реактивна, Q. Виникає в ланцюгах зі значними величинами індуктивності і ємності. Це можуть бути трансформатори, електродвигуни, дроселі, конденсатори. Її утворення пов’язане з тим, що індуктивна і ємнісна навантаження здатні запасати, потім віддавати назад накопичену енергію. Повернення енергії відбувається в протифазі джерела живлення, в результаті коефіцієнт активної потужності знижується (рис.2). Реактивна складова не споживається навантаженням, витрачається на нагрів провідників, викликає інші негативні явища. Позначається латинською буквою Q, одиницею виміру є вольт-ампер реактивний (ВАР). Обчислюється за формулою.
  • повна, S. Цей твір значень діючих величин напруги і струму. Позначається латинською буквою S, одиницею виміру є вольт-ампер (ВА) і пов’язана співвідношеннями:.

Компенсація реактивної складової

Для боротьби з реактивною складовою, збільшення косинуса фі мереж на промислових підприємствах використовують конденсаторні установки. Справа в тому, що основне електрообладнання цехів фабрик і заводів – трансформатори, електродвигуни мають обмотки з високими значеннями індуктивності. Індуктивна і місткість навантаження мають протилежні напрямки зсуву фаз струму щодо напруги, тому компенсацію впливу индуктивностей виробляють за допомогою введення ємностей.

На малюнку синя пунктирна лінія показує зрушення фази струму при індуктивному навантаженні, зелена – при ємнісний. При правильному співвідношенні обох типів навантаження, відбувається взаємна компенсація зсуву фаз, а результуюча червона лінія збігається по фазі з напругою. У підсумку, характер споживання енергії стає близький до активного, знижуються втрати, підвищується ефективність роботи.

Завдання компенсації реактивної складової ускладнюється мінливістю величини навантаження. Так, на заводі в ранкову зміну може працювати 3 виробничих лінії, а в вечірню зміну тільки одна. Зміна рівня споживання енергії призводить до нестачі або надлишку компенсуючого впливу. У таких випадках використовують автоматично регульовані пристрої.

Застосування засобів компенсації реактивної потужності дозволяє скоротити витрату електроенергії в середньому на 10%, зменшити перетин проводів живлення при загальному зниженні навантажень.

Вимірювання електричної потужності

Вимірювання електричної потужності можна робити:

  • методом прямого вимірювання за допомогою ватметра
  • методом вимірювання струму, напруги та обчислень за формулами, наведеними вище.

Розуміння процесів, що відбуваються в електричних ланцюгах важливо не тільки на виробництві, а й у побуті. Наприклад, вибираючи зварювальний апарат для дрібних робіт на дачі, слід мати на увазі, що вибираючи пристрій надлишкової потужності, ми спочатку переплачуємо за непотрібний запас. Крім того, слабка електромережа не дозволить повною мірою реалізувати потенціал занадто потужного апарату.

У будь-якому випадку, знання теорії робить усвідомленим вибір обладнання, інструментів, що допоможе уникнути зайвих витрат при купівлі та експлуатації, на роботі і вдома.

Ссылка на основную публикацию