Андрей Смирнов
Время чтения: ~17 мин.
Просмотров: 1

Особенности переменного тока

Электрическая мощность

Основная статья: Электрическая мощность

Электри́ческая мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.

Мгновенная электрическая мощность P(t){\displaystyle P(t)} участка электрической цепи:

P(t)=I(t)⋅U(t){\displaystyle P(t)=I(t)\cdot U(t)\,}
где I(t){\displaystyle I(t)} — мгновенный ток через участок цепи;
U(t){\displaystyle U(t)} — мгновенное напряжение на этом участке.

При изучении сетей переменного тока, помимо мгновенной мощности, соответствующей общефизическому определению, вводятся также понятия:

  • , равной среднему

    мгновенная активная мощность:

    за период значению мгновенной мощности,

p(t)=12⋅Um⋅Im⋅cos⁡(φ)−12⋅Um⋅Im⋅cos⁡(φ)cos(2ωt).{\displaystyle p(t)={1 \over 2}\cdot Um\cdot Im\cdot \cos(\varphi )-{1 \over 2}\cdot Um\cdot Im\cdot \cos(\varphi )cos(2\omega t).}

  • , которая соответствует энергии, циркулирующей без диссипации

    мгновенная реактивная мощность:

    от источника к потребителю и обратно,

при φ>{\displaystyle \varphi >0{:}}

q(t)=12⋅Um⋅Im⋅sin⁡(φ)⋅cos⁡(2ωt+π2),{\displaystyle q(t)={\frac {1}{2}}\cdot Um\cdot Im\cdot \sin(\varphi )\cdot \cos {\Bigl (}2\omega t+{\frac {\pi }{2}}{\Bigr )},}

при φ<{\displaystyle \varphi <0{:}}

q(t)=12⋅Um⋅Im⋅sin⁡(φ)⋅cos⁡(2ωt−π2).{\displaystyle q(t)={\frac {1}{2}}\cdot Um\cdot Im\cdot \sin(\varphi )\cdot \cos {\Bigl (}2\omega t-{\frac {\pi }{2}}{\Bigr )}.}

  • , вычисляемой как произведение действующих значений тока и напряжения без учёта сдвига фаз

    мгновенная полная мощность:

    .

s(t)=12⋅Um⋅Im⋅cos⁡(φ)−12⋅Um⋅Im⋅cos(2ωt−φ),{\displaystyle s(t)={1 \over 2}\cdot Um\cdot Im\cdot \cos(\varphi )-{1 \over 2}\cdot Um\cdot Im\cdot cos{\Bigl (}2\omega t-\varphi {\Bigr )},}
где Im{\displaystyle Im} — амплитуда тока;
Um{\displaystyle Um} — амплитуда напряжения;
φ{\displaystyle \varphi } — угол между начальным углом напряжения ψu{\displaystyle \psi _{u}} и начальным углом силы тока ψi{\displaystyle \psi _{i}} — (φ=ψu−ψi);{\displaystyle (\varphi =\psi _{u}-\psi _{i}){;}}
ω{\displaystyle \omega } — угловая скорость;
t{\displaystyle t} — время.

Приборы для измерения электрической мощности и мощности излучения

Аналоговый стрелочный ваттметр

Ваттметры (в том числе варметры) — измерительные приборы, предназначенные для определения мощности электрического тока или электромагнитного излучения.

По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три категории — низкочастотные (и постоянного тока), радиочастотные и оптические.

Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и её вывода оператору ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.

Что это такое

Мощность — это физическая величина, которая равна скорости передачи или потребления энергии системой. Второе значение — отношение работы к промежутку времени, за который она была выполнена.

Большая часть бытовых приборов работает от электросети

Потребляемая бытовым прибором мощность — это количество электроэнергии, которая необходимо прибору для функционирования. Если устройство статично (неподвижно, например, телефон, лампа, плита), энергия преобразуется в тепло или свет, если устройство двигается (например, двигатель), ток преобразуется в механическую энергию.

Правильное определение мощности необходимо при планировании электросети, количества разветвлений и розеток (нужны ли дополнительные розетки, можно ли запитать несколько приборов от одной), при выборе защитных автоматов, при определении затрат на электричество (сколько тока будут потреблять все приборы).

Излишек приборов, подключенных к одной розетке, может привести к пожару.

От чего зависит мощность тока

Мощность тока, различных приборов и оборудования зависит сразу от двух основных величин – силы тока и напряжения. Чем выше ток, тем больше значение мощности, соответственно, при повышении напряжения, мощность также возрастает. Если напряжение и сила тока увеличиваются одновременно, то мощность электрического тока будет возрастать как произведение той и другой величины: N = I x U.

Очень часто возникает вопрос, в чем измеряется мощность тока? Основной единицей измерения этой величины является 1 ватт (Вт). Таким образом, 1 ватт является мощностью устройства, потребляющего ток силой в 1 ампер, при напряжении 1 вольт. Подобной мощностью обладает, например, лампочка от обычного карманного фонарика.

Расчетное значение мощности позволяет точно определить расход электрической энергии. Для этого необходимо взять произведение мощности и времени. Сама формула выглядит так: W = IUt где W является расходом электроэнергии, произведение IU – мощностью, а t – количеством отработанного времени. Например, чем больше продолжается работа электрического двигателя, тем большая работа им совершается. Соответственно возрастает и потребление электроэнергии.

Формула электрической мощности

В чем измеряется мощность электрического тока

Как найти мощность

Активная реактивная и полная мощность

Расчет тока по мощности и напряжению

Мощность (P) Время (T) Энергия (W)

1 кВт сколько Вт: понятие физических величин

Все бытовые приборы в качестве источника питания используют электроэнергию. В техническом паспорте каждого девайса указывается номинальная мощность без учета условий и режимов его работы. Для маломощных устройств данный параметр указывается в ваттах, а для более мощных применяется величина киловатт. Мощность устройства указывает на скорость преобразования или потребления энергии. Это отношение работы ко времени, в течение которого она выполнялась. Единица измерения мощности получила свое название благодаря ирландскому изобретателю Джеймсу Уатту, который является создателем первой паровой машины.

Потребление электроэнергии приборами в режиме ожидания (кВт.ч/год)

Использование ватта не ограничивается сферой электротехники. Данная единица применяется для определения крутящего момента силовых установок, потока акустической и тепловой энергии, интенсивности ионизирующих излучений. Чтобы понимать, 1 Вт — это много или мало, можно рассмотреть такие примеры. Передатчики мобильных телефонов имеют мощность 1 Вт. Для ламп накаливания данный параметр равен 25-100 Вт, для холодильника или телевизора 50-55 Вт, пылесоса – 1000 Вт, а для стиральной машины – 2500 Вт.

Чтобы не использовать множество нулей, следует знать, сколько Ватт в 1 кВт. Приставка «кило» является кратной тысяче. Она предусматривает умножение величины на одну тысячу. Таким образом, 1 кВт в Вт равен 1000.

Существует также понятие киловатт-час (кВт*ч). Это величина, которая указывает на количество электрической энергии, которую прибор потребляет за единицу времени. Другими словами можно сказать, что кВт-час — это количество работы, которую выполняет прибор за один час. Для понимания зависимости этих величин, рассмотрим пример. Потребляемая мощность телевизора равна 200 Вт. Если он будет работать на протяжении 1 часа, прибор израсходует 200 Вт*1 час = 200 Вт*ч. Если он будет работать 3 часа, то за это время он потратит 200 Вт*3 часа=600 Вт*ч.

Как узнать силу тока, зная мощность и напряжения

Чтобы ответить на вопрос, как определить ток, необходимо поделить электронапряжение на общее число ватт. При этом сделать все необходимые вычисления можно самостоятельно, а можно прибегнуть к специальному онлайн-калькулятору.

Расчет мощностного показателя по амперам и ваттам

Узнать потребление электроэнергии по токовой силе резистора можно умножением первой на сопротивление, выражаемое в Омах. В итоге, получится значение, представленное в вольтах, перемноженных на ом. Получится ампер.

Обратите внимание! Если нет сопротивления, нужно поделить ваттный показатель на токовую энергию, то есть следует поделить ватты на амперы и получится значение электроэнергии в вольтах. Понять мощностное показание через величину электричества с электронапряжением, можно умножив соответствующие показания с устройства

Расчет электроэнергии через электромощность и электронапряжение

Единицы измерения

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт (Вт), равный одному джоулю в секунду (Дж/с). В теоретической физике, астрофизике, в качестве единицы для мощности часто используют эрг в секунду (эрг/с).

Другой распространённой, но ныне устаревшей единицей измерения мощности, является лошадиная сила. В своих рекомендациях Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) относит лошадиную силу к числу единиц измерения, «которые должны быть изъяты из обращения как можно скорее там, где они используются в настоящее время, и которые не должны вводиться, если они не используются».

Соотношения между единицами мощности
ЕдиницыВткВтМВткгс·м/сэрг/сл. с.(мет.)л. с.(анг.)
1 ватт110−310−60,1021071,36·10−31,34·10−3
1 киловатт103110−310210101,361,34
1 мегаватт1061031102·10310131,36·1031,34·103
1 килограмм-сила-метр в секунду9,819,81·10−39,81·10−619,81·1071,33·10−21,31·10−2
1 эрг в секунду10−710−1010−131,02·10−811,36·10−101,34·10−10
1 лошадиная сила (метрическая)735,5735,5·10−3735,5·10−6757,355·10910,9863
1 лошадиная сила (английская)745,7745,7·10−3745,7·10−676,047,457·1091,0141

Применение величины

Согласно ГОСТу, кВт·ч — это основная единица для ведения учета количества применяющейся электрической энергии. Главное ее преимущество — удобство использования. Результаты при ее использовании получаются наиболее приемлемыми. Однако никто не запрещает при необходимости использовать и кратные единицы, например, мегаватт-час, гигаватт-час.

ГОСТом также установлены правила написания единицы измерения — «киловатт-час». Ее полное название необходимо писать с применением дефиса. Если используется краткое обозначение английскими или русскими буквами, то перед «h» и «ч» нужно ставить точку в середине строки. По сути, такая точка является знаком умножения.

Мощность приборов, работающих от электричества, а также потребляемую ими за час энергию принято указывать на их корпусе. При этом единица «ватт» может быть обозначена английской буквой — «W». Выбор той или иной производной единицы зависит от производителя.

Это могут быть кВт-часы, кВт или даже вольт-амперы. Например:

  1. Если на корпусе микроволновой печи присутствуют обозначения «кВт», «kW» или «kVt», то по числу, расположенному перед ними, можно судить о тепловой мощности этого прибора.
  2. Если же на корпусе присутствуют символы «кВт·ч» и «kW·h», то это значит, что производитель микроволновой печи решил указать электрическую мощность, которую потребляет прибор за определенный период своей работы.

1.11. Работа и мощность тока

При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = I Δt. Электрическое поле на выделенном учестке совершает работу

U12работой электрического тока

Если обе части формулы

RIt

Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.

Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена:

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. записывается в виде

Умножив обе части этой формулы на Δq = IΔt, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:

Первый член в левой части ΔQ = R I2Δt – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt, второй член ΔQист = r I2Δt – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.

Выражение  IΔt равно работе сторонних сил ΔAст, действующих внутри источника.

При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил ΔAст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).

Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника

Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.

Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.

Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна

коэффициентом полезного действия источника

На рис. 1.11.1 графически представлены зависимости мощности источника Pист, полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при ) до (при R = 0).

Рисунок 1.11.1.Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока

Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи Pmax, равная

Rr

I → 0R → ∞P

Ватт и другие единицы измерения мощности

Ватт означает мощность, где за одну секунду производится работа в один джоуль. Последнюю единицу назвали так в честь англичанина Дж.Уатта, который изобрел и соорудил первую паровую машину. Но он при этом использовал другую величину — лошадиную силу, каковая применяется и по сей день. Одна лошадиная сила приблизительно равна 735,5 Ватт.

Таким образом, кроме Ватта, мощность измеряют в метрической лошадиной силе. А при очень малом значении также используют Эрг, равный десяти в минус седьмой степени Ватт. Возможно и измерение в одной единице массы/силы/метров в секунду, что равно 9,81 Ватт.

Мощность в механике

Если на движущееся тело действует сила, то эта сила совершает работу. Мощность в этом случае равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется тело:

N=F⋅v=F⋅v⋅cos⁡α,{\displaystyle N=\mathbf {F} \cdot \mathbf {v} =F\cdot v\cdot \cos \alpha ,}
где F{\displaystyle \mathbf {F} } — вектор силы;
v{\displaystyle \mathbf {v} } — вектор скорости;
α{\displaystyle \alpha } — угол между вектором скорости и силы;
F{\displaystyle F} — модуль вектора силы;
v{\displaystyle v} — модуль вектора скорости.

Частный случай мощности при вращательном движении:

N=M⋅ω=2π⋅M⋅n60,{\displaystyle N=\mathbf {M} \cdot \mathbf {\omega } ={\frac {2\pi \cdot \mathbf {M} \cdot \mathbf {n} }{60}},}
где M{\displaystyle \mathbf {M} } — момент силы;
ω{\displaystyle \mathbf {\omega } } — угловая скорость;
n{\displaystyle n} — частота вращения (число оборотов в минуту, об/мин).

Расклейщик объявлений

Работа электрического тока

Рисунок 1. Работа и мощность электрического тока

К цепи, представленной на рисунке 1, приложено постоянное напряжение U.

U = φА – φБ

За время t по цепи протекло количество электричества Q. Силы электрического поля, действующего вдоль проводника, перенесли за это время заряд Q из точки А в точку Б. Работа электрических сил поля или, что то же, работа электрического тока может быть подсчитана по формуле:

A = Q × (φА – φБ) = Q × U,

Так как Q = I × t, то окончательно:

A = U × I × t,

где A – работа в джоулях; I – ток в амперах; t – время в секундах; U – напряжение в вольтах.

По закону Ома U = I × r. Поэтому формулу работы можно написать и так:

A = I 2 × r × t.

По какой формуле вычисляется мощность электрического тока

Правильное и точное решение вопроса чему равна мощность электрического тока, играет решающую роль в деле обеспечения безопасной эксплуатации электропроводки, предупреждения возгораний из-за неправильно выбранного сечения проводов и кабелей. Мощность тока в активной цепи зависит от силы тока и напряжения. Для измерения силы тока существует прибор – амперметр. Однако не всегда возможно воспользоваться этим прибором, особенно когда проект здания еще только составляется, а электрической цепи просто не существует. Для таких случаев предусмотрена специальная методика проведения расчетов. Силу тока можно определить по формуле при наличии значений мощности, напряжения сети и характера нагрузки.

Существует формула мощности тока, применительно к постоянным значениям силы тока и напряжения: P = U x I. При наличии сдвига фаз между силой тока и напряжением, для расчетов используется уже другая формула: P = U x I х cos φ. Кроме того, мощность можно определить заранее путем суммирования мощности всех приборов, которые запланированы к вводу в эксплуатацию и подключению к сети. Эти данные имеются в технических паспортах и руководствах по эксплуатации устройств и оборудования.

Таким образом, формула определения мощности электрического тока позволяет вычислить силу тока для однофазной сети: I = P/(U x cos φ), где cos φ представляет собой коэффициент мощности. При наличии трехфазной электрической сети сила тока вычисляется по такой же формуле, только к ней добавляется фазный коэффициент 1,73: I = P/(1,73 х U x cos φ). Коэффициент мощности полностью зависит от характера планируемой нагрузки. Если предполагается использовать лишь лампы освещения или нагревательные приборы, то он будет составлять единицу.

При наличии реактивных составляющих в активных нагрузках, коэффициент мощности уже считается как 0,95. Данный фактор обязательно учитывается в зависимости от того, какой тип электропроводки используется. Если приборы и оборудование обладают достаточно высокой мощностью, то коэффициент составит 0,8. Это касается сварочных аппаратов, электродвигателей и других аналогичных устройств.

Для расчетов при наличии однофазного тока значение напряжения принимается 220 вольт. Если присутствует трехфазный ток, расчетное напряжение составит 380 вольт. Однако с целью получения максимально точных результатов, необходимо использовать в расчетах фактическое значение напряжения, измеренное специальными приборами.

Как измеряют мощность разных видов

Измерение разных мощностных видов происходит по формулам, выведенным с конца прошлого и позапрошлого столетия. Для каждой разновидности есть свое точное алгебраическое правило. Так, измерить механическую можно по первой формуле, а электрическую по второй. Что касается гидравлической, ее можно вычислить по третьему алгебраическому правилу.

Измерение по формулам

Механическая

Механической мощностью является скалярный вид произведения силового вектора на скоростной вектор, при котором движется какой-то объект. Исходя из формулы для вычисления этого показателя, чтобы отыскать его, необходимо знать показатель вектора силы со скоростным вектором, а последний из них равен модулю силы, перемноженному на модуль скорости и векторный угол скорости с силой.

Что касается вычисления тела, которое совершает вращательные движения, можно отметить, что нужно иметь представление о показателе момента силы с угловой скоростью.

Дополнительная информация! Если в задаче эти данные неизвестны, можно двукратное число Пи перемножить на частоту вращения в минуту на момент силы, а затем полученные сведения поделить на 60. Таким образом совершаются вычисления в механике, если нужно понять, какую силу имеет двигатель или прочий силовой агрегат.

Электрическая

Электрической мощностью называется величина, которая показывает, с какой скоростью или преобразованием двигается электрическая энергия. Для изучения мгновенной электрической мощностной характеристики на определенном участке цепи, необходимо знать значение тока и напряжения мгновенного тока и перемножить данные значения.

Чтобы понять, сколько составляет активный, полный, реактивный или мгновенный реактивный мощностный показатель, нужно знать точные цифры амплитуды тока, амплитуды напряжения, угла тока с напряжением, а также угловую скорость и время, поскольку все существующие физические формулы сводятся к этим параметрам. Также в формулах задействуется синус, косинус угла и значение 1/2.

Понятие электрической мощности

Гидравлическая

Гидравлическим мощностным показателем в гидромашине или гидроцилиндре называется произведение машинного перепада давления на жидкостный расход. Как правило, это основная формулировка, взятая из единственной существующей формулы для вычисления.

Обратите внимание! Больше алгебраических и инженерных правил можно найти в прикладной науке о движениях жидкостей и газов, а именно в гидравлике

Постоянного и переменного тока

Что касается мощности постоянного с переменным током, то чаще всего их причисляют к электрической разновидности. Конкретного понятия для двух разновидностей нет, однако их можно вычислить, исходя из имеющихся алгебраических установок. Так, мощностью постоянного тока является произведение силы тока и постоянного напряжения или же удвоенное значение силы тока на электрическое сопротивление, которое, в свою очередь, вычисляется делением двойного напряжения на обычное сопротивление.

Что касается 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.

Чтобы измерить эти показатели, можно воспользоваться как указанными выше приборами, так и фазометром. Этот прибор служит, чтобы вычислить реактивную разновидность по государственному эталону.

Понятие переменной мощности тока

В целом, мощность — это величина, основное предназначение которой показывать силу работы конкретного прибора и во многих случаях скорость деятельности, взаимодействуя с ним. Она бывает механической, электрической, гидравлической и для постоянного с переменным током. Измеряется по международной системе в ваттах и киловаттах. Приборами для ее вычисления выступает вольтметр, ваттметр. Основные формулы для самостоятельного расчета перечислены выше.

Основные параметры

Для того чтобы иметь возможность охарактеризовать электричество как физическую величину, произвести соответствующие замеры и правильно применить в соотношении с другими принимающими приборами и устройствами, специалисты предусмотрели наличие следующих параметров:

– сила тока (измеряется в амперах);

– напряжение (вольты);

– сопротивление (единица величины – Ом);

– Ватт – единица мощности электрического тока.

Электрическая мощность

Прежде, чем более глубоко разобраться в таком термине, как «единица мощности электрического тока», необходимо вспомнить, что такое мощность как физическая величина в целом.

Обычно, мы под этим понятием подразумеваем какую-то силу, которой обладает конкретное устройство, предмет (например, двигатель внутреннего сгорания) или действие (взрыв газа, тротила и пр.). На самом деле, мощность является одной из физических величин, характеризующих соотношение выполненной работы за определенный промежуток времени по отношению к этому же временному промежутку. Таким образом, применяя данное определение к сфере электроэнергетики, можно сказать, что значение мощности электрического тока позволяет определить степень изменения энергии. Таким образом, резюмируем: мощностью называется скорость, с которой в системе происходит преобразование энергии.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации