Электрическая мощность: определение, единица измерения мощности тока, формула

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.

Прямое измерение тока

Методы той группы отличаются более высокой точностью за счет того, что основаны на прямом измерении тока. Существуют два прибора для выполнения этой процедуры в бытовых условиях.

Замер токовыми клещами

Наиболее удобны для использования токовые клещи, которые не требуют разрыва контролируемой цепи. Выполнены как ручное устройство с измерительным узлом на основе тороидального сердечника. Для замера тока узел раскрывают на манер губок клещей, после чего закрывают с охватом провода, рисунок 3. Действующее значение тока находится по изменению магнитного поля, которое фиксируется датчиком Холла.

Замер тестером

Второй способ основан на применении тестера, который переключают в режим амперметра и включают в разрыв цепи. Сложности реализации этой процедуры простыми средствами делают его мало популярным на практике. Нельзя сбрасывать со счетов также то, что некоторые модели тестеров не имеют токовой защиты и выходят из строя (сгорают) при неправильном выборе диапазона (токовой перегрузке).

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

Способы измерения нагрузки

Узнать мощность прибора можно, обратившись к его инструкции или паспорту, а при отсутствии — посмотреть на шильдик, прикреплённый к корпусу. Если нет данных производителя, то доступны другие способы, чтобы определить энергетику оборудования. Основной из них — измерить нагрузку с помощью ваттметра (прибора для фиксирования электрической мощности).

По назначению их разделяют на 3 класса: постоянного тока и низкочастотные (НЧ), оптические и высокоимпульсивные. Последние относят к радиодиапазону и дробят на 2 вида: включаемые в разрыв линии (проходящая мощность) и монтируемые в конечной точке маршрута как согласованная (поглощаемая) нагрузка. По способу доведения информации до оператора различают приборы цифровые и аналоговые — показывающие стрелочные и самопишущие. Краткие характеристики некоторых измерителей:

НЧ-ваттметры применяют в одно- и трёхфазных сетях промышленной частоты. К этой же категории относятся варметры — приборы для определения реактивной мощности. Аналоговые измерители представлены моделями Д5071, Д8002, Ц301. Цифровые совмещают возможности фиксирования не только составляющей Wа, но и Wр. Итоговая величина выводится на табло и внешние устройства — принтер или электронные хранители информации. Приборы этого типа — ЩВ02, СР3010, MI2010А.
Ваттметры проходящей мощности радиодиапазона. Датчиками в измерителе служат трансформаторы тока и напряжения. Для сверхвысоких частот — термисторные, гальваномагнитные и термоэлектрические преобразователи. Образцы — NAS, М2−32, М2−23.
Ваттметры для измерения поглощаемой нагрузки импульсов радиоспектра — в них используется коэффициент отражения по мощности. Существует несколько разновидностей приборов: термисторные М3−28 и М3−22А, калориметрические МК3−68, МК3−70, М3−13, термоэлектрические М3−93, М3−56, М3−51 ваттметры и с пиковым детектором М3−3А, М3−5А.
Оптические измерители — ОМ3−65, ОМК3−69.

Помимо помощи специальных приборов, мощность узнают посредством применения расчётной формулы: в разрыв одного из питающих проводов включают амперметр, определяют ток и напряжение сети. Перемножение величин даст искомый результат.

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.

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.

Процесс измерения активной и реактивной мощности

Счетчиками индукционными или электронными производят измерения активной мощности цепи переменного напряжения. Они подключаются по тем же схемам что и ваттметры. Учет реактивной энергии в однофазных потребителей в нашей стране не ведется. Ее учет производят в трехфазных цепях крупных промышленных предприятий, потребляющих большие объемы электроэнергии. Счетчики активной энергии имеют маркировку СА, реактивной СР. Также широкое применение получают электронные счетчики электроэнергии.

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.

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

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.

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).

Что такое мощность электрического тока

При описании электрической мощности в широком смысле чаще всего речь идет об энергии или силе, которой наделен некоторый объект либо действие. Например, ее можно определить для взрыва или же механизма, например двигателя. Этот параметр связан с силой и зависит от нее, потому эти явления нередко путают.

Отличие в том, что сила влияет на физические действия, то есть выполняется работа. Если она проделана за указанное время, то через эти два параметра можно вычислить значение мощности.

В случае с электричеством она бывает двух видов:

Активная – превращается в энергию тепла, света, механических действий и т. д. Она измеряется в ваттах и вычисляется по формуле 1 Вт = 1 В х 1А. Но на практике этот показатель чаще всего выражен в киловаттах и мегаваттах.
Реактивная – нагрузка, возникающая из-за колебаний внутри электромагнитного поля. Единица измерения – вольт-амперы (ВА), они вычисляются как Q=U x I x sin угла. Последнее означает изменение фазы между током и снижением напряжения.

На практике отличия обоих видов лучше всего рассмотреть на примере элементов для нагревания и электродвигателей. ТЭНы собраны из материала с высоким сопротивлением, поэтому всю полученную электроэнергию они превращают в тепловую. Электродвигатель же имеет детали, обладающие индуктивностью, то есть часть тока возвращается в сеть и может отрицательно влиять на нее, создавая перегрузки.

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).

Мощность тока через катушку

Пусть на катушку подано переменное напряжение . Ток через катушку отстаёт по фазе от напряжения на :

Для мгновенной мощности получаем:

Снова средняя мощность оказывается равной нулю. Причины этого, в общем-то, те же, что и в случае с конденсатором. Рассмотрим графики напряжения и силы тока через катушку за период (рис. 5).

Рис. 5. Напряжение на катушке и сила тока через неё

Мы видим, что в течение второй и четвёртой четвертей периода энергия поступает в катушку из внешней цепи. В самом деле, напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки, сила тока возрастает по модулю; для создания тока внешнее электрическое поле совершает работу против вихревого электрического поля, и эта работа идёт на увеличение энергии магнитного поля катушки.

В первой и третьей четвертях периода напряжение и сила тока имеют разные знаки: катушка возвращает энергию в цепь. Вихревое электрическое поле, поддерживающее убывающий ток, двигает заряды против внешнего электрического поля и совершает тем самым положительную работу. А за счёт чего совершается эта работа? За счёт энергии, накопленной ранее в катушке.

Таким образом, энергия, запасаемая в катушке за одну четверть периода, полностью возвращается в цепь в ходе следующей четверти. Поэтому средняя мощность, потребляемая катушкой, оказывается равной нулю.

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.

Полная максимальная мощность и максимальный ток

Активная и реактивная максимальные мощности

Расчет максимальной мощности.

Расчет сменной мощности.

Сменная мощность учитывает количество мощности, израсходованной в период наиболее загруженной смены.

Для действующих промышленных предприятий активная и реактивная мощности

Рсм=Wa/Tсм Qcv= Wр/Tсм

где Wa — активная энергия, кВт*ч; Тсм- продолжительность работы электроприемников за смену, ч; Wр – реактивная энергия квар*ч

Для вновь проектируемых промышленных предприятий активная и реактивная мощности каждого одиночного электроприемника

Рсм=РномКи

где Ки-коэффициент использования электроприемника.

Максимальная мощность – это наибольшая мощность потребляемая участком, цехов, заводов в течение первой смены за 30 мин. если за 30 мин провода выдерживают максимальную нагрузку и не перегреваются, то выбранного сечения достаточно, чтобы данные потребители получили достаточное количество электроэнергии.

Рмакс = Рсм Qмакс= Qсм

Sмак=

При расчетах и исследовании силовых электрических нагрузок применяют расчетные коэффициенты, характеризующие режимы работы электроприемников, потребление энергии мощности, времени и графиков нагрузок.

Коэффициент использования Ки одного или средний коэффициент группы Кис электроприемников характеризует использование активной мощности и представляет собой отношение средней активной мощности Рсм одного или группы приемников за наиболее загруженную смену к номинальной мощности Рном

Ки=Рсм/Рном.

Коэффициент включения – отношение времени работы электроприемника Тр и времени цикла Тц:

Кв = Тр/Тц

Если коэффициент цикла меньше 10 мин, то вводим повторное включение.

Включение загрузки – отношение фактической потребляемой активной мощности Рф к номинальной активной мощности электроприемника:

Кз = Рф /Рном

Для электроприемников работающих в повторно –кратковременном длительном и автоматическом режимах работы.

Коэффициент спроса – отношение максимальной активной мощности Ра одного или группы электроприемников в номинальной мощности Рном той же группы:

Кс= Рмакс/Рном

Коэффициент максимума – отношение расчетного максимума активной мощности нагрузки группы электроприемников к средней мощности нагрузки за наиболее загруженную смену:

Кмак = Рмак/Рсм

Значение Кмсакс>1 определяется по таблицам или графикам в зависимости от значения среднего коэффициента использования Ки.с и эффективного числа nэ группы электроприемников.

Эффективным числом называют число однородных по режиму работы электроприемников одинаковой мощности, которое дает то же значение расчетного максимума Рмак, что и группа электроприемников различных по мощности и режиму работы. Так как эффективное число определяются для группы электроприемников, присоединенных к силовым щитам или распределительному щиту подстанции, то необходимо учитывать показатель силовой сборки – чисмло m, равное отношению номинальной мощности наибольшего электроприемника Рном мак1 к номинальной мощности наименьшего Рном мин1:

m=Pноммак1/Рном мин1

число nэ определяют по следующим показателям: количеству электроприемников n, подключенных к источнику питания; показателю силовой сборки m среднему коэффициенту использования Ки,с номинальной активной мощности Рном индивидуального электроприемника.

При n>5; Кис>0.2; m> 3 Рном =const nэ=n

При n>5 Кис<0.2 m>3 Рном≠const

Nэ=n*эn

n*э=f(n*;P*)

— относительное эффективное число

n*=n’/n

-относительное число наибольших по мощности электроприемников; n- число приемников с единичной мощностью больше или равной Рном макс 1

Р*=Р n/Рном

Определение расчетных силовых нагрузок методом коэффициента максимума.

В основу определения таких нагрузок от группы электроприемников с учетом коэффициента максимума положен метод упорядоченных диаграмм, позволяющий по номинальной мощности и характеристике электроприемников определить расчетный максимум нагрузки:

Рмак =КмаксРсм

В соответствии с практикой проектирования:

Q макс=1,1Qсм

Если в группе электроприемников цеха или предприятия имеют электроприемники, работающие с опережающим током, то реактивные мощности Qсм принимают со знаком минус и вычитают их из общей реактивной мощности.

После определения Рмак и Qмкак можно подсчитать полную мощность:

Расчетный максимальный ток для электроприемников переменного тока: