Что такое мощность и сила тока. Электрическая мощность - определение
Для начала вспомним школу.
Что такое электрическая мощность
?
Электрическая мощность обозначается при написании формул латинской буквой Р
и измеряется в ваттах Вт
или на латинице W
, киловаттах (кВт
или kW)
, мегаваттах (МВт
или MW)
и так далее.
Электрическая мощность равна произведению напряжения и тока:
P (Вт) = U (В) * I (А)
Различают следующие виды электрической мощности, которые, соответственно, по-разному обозначаются:
Активная мощность:
Обозначение: P
Единица измерения: Вт (W)
Это мощность, отдаваемая при подключении к источнику тока (генератору) нагрузки, имеющей активное (омическое) сопротивление. Если нагрузка, имеет только активное сопротивление и не содержит реактивных сопротивлений, то активная мощность будет равна полной мощности.
P = U * I * cos φ
Примеры: лампы накаливания, нагревательные приборы и т. п.
Реактивная мощность:
Обозначение: Q
Единица измерения: вар или VAr (вольт-ампер реактивный)
Это мощность, отдаваемая при подключении к источнику тока компонента сети или нагрузки, имеющей индуктивные (электродвигатель) или ёмкостные (конденсатор) элементы.
Расчёт производится по формуле: Q = U * I * sin φ
Примеры:
Потребители, придающие нагрузке индуктивный характер: электродвигатели, сварочные трансформаторы и т.п.
Потребители, придающие нагрузке ёмкостной характер: конденсаторы в компенсаторных устройствах, конденсаторы, создающие реактивную мощность в цепи возбуждения генераторов и т.п.
Полная мощность:
Обозначение: S
Единица измерения: В·A или VA (вольт-ампер)
Полная электрическая мощность равна произведению сдвинутых по фазе напряжения и тока. Полная мощность непосредственно связана с активной и реактивной мощностями. Её расчёт производится по формуле, выражающей закон Пифагора. Полная электрическая мощность представляет собой максимальную мощность электрического тока, которая может быть выработана генератором или использована.
Расчёт производится по формуле: S = U * I или S = P + Q
Изображенный на рисунке треугольник отображает взаимосвязь между электрическими мощностями или соответствующими им напряжениями.
Теперь о расчёте мощности генератора.
Для точного определения области применения и пригодности любого электроагрегата для выполнения поставленных задач необходимо прежде всего определить суммарную мощность потребителей тока. Только таким образом можно определить, какой электроагрегат может быть использован для данных целей. При выборе необходимой мощности электроагрегата можно использовать приведённые ниже эмпирические формулы.
1. Потребители, являющиеся только активной нагрузкой (например, электронагреватели, лампы накаливания и подобные им приборы с чисто омическим сопротивлением).
Суммарную мощность можно расчитать путём простого сложения мощностей отдельных потребителей, которые могут быть подключены к генератору. В данном случае полная электрическая мощность, измеряемая в ВА
или VA
(Вольт-ампер) равна активной мощности, измеряемой в Вт
или W
(Ватт). Необходимая мощность электроагрегата определяется путём увеличения суммарной мощности подключаемых потребителей на 10% (т.е. с учётом определённых технических факторов).
Пример: Суммарная мощность потребителей * 110% = Мощность, требуемая от электроагрегата.
Если суммарная мощность всех потребителей 2000 Вт (в данном случае 2000 Вт = 2000 ВА), то требуемая мощность электроагрегата будет: 2000 ВА * 110% = 2200ВА
2. Потребители, имеющие индуктивную составляющую мощности (компрессоры, насосы и прочие электродвигатели). Эти нагрузки потребляют очень большой ток при пуске и выходе на рабочий режим. В данном случае, сначала необходимо определить точное значение мощности одновременно подключаемых потребителей. Далее следует выбрать мощность электроагрегата.
Полная мощность такого электроагрегата должна быть не менее, чем в 3,5 раза больше суммарной мощности потребителей. В исключительных случаях она должна превышать мощность потребителей в 4-5 раз.
Пример: Суммарная мощность потребителей * 3,5 = Мощность, требуемая от электроагрегата.
Если суммарная мощность всех потребителей 2000 ВА, то требуемая мощность электроагрегата будет: 2000 ВА * 3,5 = 7000 ВА
Для того, чтобы дать точное определение, для электрической мощности, нам потребуется углубиться в краткий курс электротехники и физики. Не будем терять времени и дадим официальные научные определения:
– это физическая величина, которая характеризирует скорость преобразование или передачи электрической энергии. Мгновенная электрическая мощность – произведение значений силы тока и напряжения на любом участке цепи. Мощность – это такая физическая величина, которая равняется отношению работы, выполняемой за промежуток времени, к промежутку этого же времени. Обычно, электрическая мощность бывает реактивная и активная.
Активная электрическая мощность – это такая мощность, которая безвозвратно преобразовывается в тепловую, световую или механическую энергию. Такая электрическая мощность измеряется в Ваттах (Вт, Ватт). Мощность (активная мощность) равна произведению одного ампера на один вольт. В быту активная электрическая мощность измеряется в киловаттах (один киловатт равен тысяче ватт). Электростанции используют единицы гораздо крупнее – мВт (мегаватты). Один мегаватт равен тысяче киловатт и равен одному миллиону ватт.
Реактивная электрическая мощность – это такая величина, характеризующаяся таким видом электрической нагрузки, которая создается в устройствах или в специальном электрооборудовании колебаниями энергии электромагнитного поля. Такая электрическая мощность обозначается такой единицей измерения, как Вар (вольт-ампер реактивный). Такая единица обозначается буквой «Q».
Естественно, что для лучшего понимания картины, было бы не плохо представить несколько практических примеров. Итак: возьмем электрическое устройство, в котором имеются нагревательные тэны и специальный электродвигатель. Тэны, обычно, делаются из материалов, которые имеют высокое сопротивление. Когда ток проходит по спирали тэна, электроэнергия полностью преобразуется в тепло.
Электродвигатель такого устройства имеет медную обмотку. Эта обмотка представляет собой индуктивность, а индуктивность, в свою очередь, обладает эффектом самоиндукции. Этот эффект способствует частичному возвращению электричества обратно в цепь.
Электрическая мощность с практической точки зрения
Однако, предлагаю отойти от определений и сложных формул, которые не всегда понятны и нужны потребителю электрической мощности. Если конечно же вы не студент, который ищет материал по заданной теме. В таком случае, вам будет любопытно лишь начало статьи “электрическая мощность - определение”.
Давайте рассмотрим электрическую мощность с практической точки зрения. Вы наверняка знаете, что любой крупный город испытывает не малые затруднения с генерацией дополнительной электрической мощности. Ведь количество потребителей растет год от года в то время, как генерирующие компании не всегда расторопны, поэтому рынок мощностей постоянно испытывает дефицит, что является серьезной проблемой, для потребителей. Особенно, для малого и среднего бизнеса, поскольку крупный бизнес может самостоятельно построить собственную электростанцию и обеспечить себя в необходимым количеством киловатт.
Таким образом, вопрос получения электрической мощности, для новых объектов недвижимости, представителей различных отраслей бизнеса, не теряет свою актуальность.
Мгновенная мощность p произвольного участка цепи, напряжение и ток которого изменяются по законуu =U m sin(t ), i = I m sin(t– ), имеет вид
p = ui= U m sin(t )I m sin(t– ) = U m I m /2 =
= U i cos - UI cos(2t - ) = (UI cos – UI cos cos2t ) – UI sin sin2t . (1)
Активная мощность цепи переменного тока P определяется как среднее значение мгновенной мощностиp (t ) за период:
так как среднее за период значение гармонической функции равно 0.
Из этого следует, что средняя за период мощность зависит от угла сдвига фаз между напряжением и током и не равна нулю, если участок цепи имеет активное сопротивление. Последнее объясняет ее название активная мощность . Подчеркнем еще раз, что в активном сопротивлении происходит необратимое преобразование электрической энергии в другие виды энергии, например в тепловую. Активная мощность может быть определена как средняя за период скорость поступления энергии в участок цепи. Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).
Реактивная мощность
При расчетах электрических цепей находит широкое применение так называемая реактивная мощность. Она характеризует процессы обмена энергией между реактивными элементами цепи и источниками энергии и численно равна амплитуде переменной составляющей мгновенной мощности цепи. В соответствии с этим реактивная мощность может быть определена из (1) как
Q = UI sin.
В зависимости от знака угла реактивная мощность может быть положительной или отрицательной. Единицу реактивной мощности, чтобы отличить ее от единицы активной, называют не ватт, а вольт-ампер реактивныйвар. Реактивные мощности индуктивного и емкостного элементов равны амплитудам их мгновенных мощностейp L иp C . С учетом сопротивленийэтих элементов реактивные мощности катушки индуктивности и конденсатора равныQ L =UI =x L I 2 иQ C =UI = x C I 2 , соответственно.
Результирующая реактивная мощность разветвленной электрической цепи находится как алгебраическая сумма реактивных мощностей элементов цепи с учетом их характера (индуктивный или емкостный): Q =Q L –Q С. ЗдесьQ L есть суммарная реактивная мощность всех индуктивных элементов цепи, аQ С представляет собой суммарную реактивную мощность всех емкостных элементов цепи.
Полная мощность
Кроме активной и реактивной мощностей цепь синусоидального тока характеризуется полной мощностью, обозначаемой буквой S . Под полной мощностью участка понимают максимально возможную активную мощность при заданных напряженииU и токеI . Очевидно, что максимальная активная мощность получается при cos= 1, т. е. при отсутствии сдвига фаз между напряжением и током:
S = UI.
Необходимость во введении этой мощности объясняется тем, что при конструировании электрических устройств, аппаратов, сетей и т. п. их рассчитывают на определенное номинальное напряжение U ном и определенный номинальный токI ном и их произведениеU ном I ном = S ном дает максимально возможную мощность данного устройства (полная мощность S ном указывается в паспорте большинства электрических устройств переменного тока.). Для отличия полной мощности от других мощностей ее единицу измерения называют вольт-ампер и сокращенно обозначают ВА. Полная мощность численно равна амплитуде переменной составляющей мгновенной мощности.
Из приведенных соотношений можно найти связь между различными мощностями:
P = S cos, Q = S sin, S = UI =
и выразить угол сдвига фаз через активную и реактивную мощности:
.
Рассмотрим простой прием, который
позволяет найти активную и реактивную
мощности участка цепи по комплексным
напряжению и току. Он заключается в том,
что нужно взять произведение комплексного
напряжения
и тока
,
комплексно сопряженного току
рассматриваемого участка цепи.
Операция комплексного сопряжения
состоит в смене знака на противоположный
перед мнимой частью комплексного числа
либо в смене знака фазы комплексного
числа, если число представлено в
экспоненциальной форме записи. В
результате получим величину, которая
называетсяполной комплексной мощностью
и обозначается
.
Если
,
то для полной комплексной мощности
получаем:
Отсюда видно, что активная и реактивная мощности представляют собой вещественную и мнимую части полной комплексной мощности, соответственно. Для облегчения запоминания всех формул, связанных с мощностями, на рис. 7, б (с. 38) построен треугольник мощностей.
