Как найти полную мощность всей цепи

Большинство бытовых приборов, подключаемых к сети, характеризуются таким параметром, как электрическая мощность устройства. С физической точки зрения мощность представляет собой количественное выражение совершаемой работы. Поэтому для оценки эффективности того или иного устройства вам необходимо знать нагрузку, которую он будет создавать в цепи. Далее мы рассмотрим особенности самого понятия и как найти мощность тока, обладая различными характеристиками самого устройства и электрической сети.

Понятие электрической мощности и способы ее расчета

С электротехнической точки зрения она представляет собой количественное выражение взаимодействия энергии с материалом проводников и элементами при протекании тока в электрической цепи. Из-за наличия электрического сопротивления во всех деталях, задействованных в проведения электротока, направленное движение заряженных частиц встречает препятствие на пути следования. Это и обуславливает столкновение носителей заряда, электроэнергия переходит в другие виды и выделяется в виде излучения, тепла или механической энергии в окружающее пространство. Преобразование одного вида в другой и есть потребляемая мощность прибора или участка электрической цепи.

В зависимости от параметров источника тока и напряжения мощность также имеет отличительные характеристики. В электротехнике обозначается S, P и Q, единица измерения согласно международной системы СИ – ватты. Вычислить мощность можно через различные параметры приборов и электрических приборов. Рассмотрим каждый из них более детально.

Через напряжение и ток

Наиболее актуальный способ, чтобы рассчитать мощность в цепях постоянного тока – это использование данных о силе тока и приложенного напряжения. Для этого вам необходимо использовать формулу расчета: P = U*I

Где:

• P – активная мощность;
• U – напряжение приложенное к участку цепи;
• I  — сила тока, протекающего через соответствующий участок.

Этот вариант подходит только для активной нагрузки, где постоянный ток не обеспечивает взаимодействия с реактивной составляющей цепи. Чтобы найти мощность вам нужно выполнить произведение силы тока на напряжение. Обе величины должны находиться в одних единицах измерения – Вольты и Амперы, тогда результат также получится в Ваттах. Можно использовать и другие способы кВ, кА, мВ, мА, мкВ, мкА и т.д., но и параметр мощности пропорционально изменит свой десятичный показатель.

Через напряжение и сопротивление

Для большинства электрических устройств известен такой параметр, как внутреннее сопротивление, которое принимается за константу на весь период их эксплуатации. Так как бытовые или промышленные единицы подключаются к источнику с известным номиналом напряжения, определять мощность достаточно просто. Активная мощность находится из предыдущего соотношения и закона Ома для участка цепи, согласно которого ток на участке прямо пропорционален величине приложенного напряжения и имеет обратную пропорциональность к сопротивлению:

I = U/R

Если выражение для вычисления токовой нагрузки подставить в предыдущую формулу, то получится такое выражение для определения мощности:

P = U*(U/R)=U²/R

Где,

• P – величина нагрузки;
• U – приложенная разность потенциалов;
• R – сопротивление нагрузки.

Через ток и сопротивление

Бывает ситуация, когда разность потенциалов, приложенная к электрическому прибору, неизвестна или требует трудоемких вычислений, что не всегда удобно. Особенно актуален данный вопрос, если несколько устройств подключены последовательно и вам неизвестно, каким образом потребляемая электроэнергия распределяется между ними. Подход в определении здесь ничем не отличается от предыдущего способа, за основу берется базовое утверждение, что электрическая нагрузка рассчитывается как P = U×I, с той разницей, что напряжение нам не известно.

Поэтому ее мы также выведем из закона Ома, согласно которого нам известно, что падение напряжения на каком-либо отрезке линии или электроустановки прямо пропорционально току, протекающему по этому участку и сопротивлению отрезка цепи:

U=I*R

после того как выражение подставить в формулу мощности, получим:

P = (I*R)*I =I²*R

Как видите, мощность будет равна квадрату силы тока умноженной на сопротивление.

Полная мощность в цепи переменного тока

Сети переменного тока кардинально отличаются от постоянного тем, что изменение электрических величин, приводит к появлению не только активной, но и реактивной составляющей. В итоге суммарная мощность будет также состоять активной и реактивной энергии:

Где,

• S – полная мощность
• P – активная составляющая – возникает при взаимодействии электротока с активным сопротивлением;
• Q – реактивная составляющая – возникает при взаимодействии электротока с реактивным сопротивлением.

Также составляющие вычисляются через тригонометрические функции, так:

P = U*I*cosφ

Q = U*I*sinφ

что активно используется в расчете электрических машин.

Пример расчета полной мощности для электродвигателя

Отдельный интерес представляет собой нагрузка, подключенная к трехфазной сети, так как электрические величины, протекающие в ней, напрямую зависят от номинальной нагрузки каждой из фаз. Но для наглядности примера мы не будем рассматривать, как найти мощность несимметричного прибора, так как это довольно сложная задача, а приведем пример расчета трехфазного двигателя.

Особенность питания и асинхронной и синхронной электрической машины заключается в том, что на обмотки может подаваться и фазное и линейное напряжение. Тот или иной вариант, как правило, обуславливается способом соединения обмоток электродвигателя. Тогда мощность будет вычисляться по формуле:

S = 3*U_ф*I_ф

В случае выполнения расчетов с линейным напряжением, чтобы найти мощность формула примет вид:

Активная и реактивная мощности будут вычисляться по аналогии с сетями переменного тока, как было рассмотрено ранее.

Теперь рассмотрим вычисления на примере конкретной электрической машины асинхронного типа. Следует отметить, что официальная производительность, указываемая в паспортных данных электродвигателя – это полезная мощность, которую двигатель может выдать при совершении оборотов вала. Однако полезная кардинально отличается от полной, которую можно вычислить за счет коэффициента мощности.

Как видите, для вычислений с шильда мы возьмем следующую информацию об электродвигателе:

• полезная производительность – 3 кВт, а в переводе на систему измерения – 3000 Вт;
• коэффициент полезного действия – 80%, а в пересчете для вычислений будем пользоваться показателем 0,8;
• тригонометрическая функция соотношения активных и реактивных составляющих – 0,74%;
• напряжение, при соединении обмоток треугольником составит 220 В;
• сила тока при том же способе соединения – 13,3 А.

С таким перечнем характеристик можно воспользоваться несколькими способами:

S = 1,732*220*13,3 = 5067 Вт

Чтобы найти искомую величину, сначала определяем активную составляющую:

P = P_{полезная} / КПД = 3000/0.8 = 3750 Вт

Далее полную по способу деления активной  на коэффициент cos φ:

S = P/cos φ = 3750/0.74 = 5067 Вт

Как видите, и в первом, и во втором случае искомая величина получилась одинакового значения.

Примеры задач

Для примера рассмотрим вычисление на участках электрической цепи с последовательным и параллельным соединением элементов. Первый вариант предусматривает ситуацию, когда все детали соединяются друг за другом от одного полюса источника питания до другого.

Как видите на рисунке, в качестве источника мы используем батарейку с номинальным напряжением 9 В и три резистора по 10, 20 и 30 Ом соответственно. Так как номинальный ток нам не известен, расчет произведем через напряжение и сопротивление:

P = U²/R = 81 / (10+20+30) = 1.35 Вт

Для параллельной схемы подключения возьмем в качестве примера участок цепи с двумя резисторами и одним источником тока:

Как видите, для удобства расчетов нам нужно привести параллельно подключенные резисторы к схеме замещения, из чего получится:

R_общ = (R₁*R₂) / (R₁+R₂) = (10*15) / (10+15) = 6 Ом

Тогда искомый номинал нагрузки мы можем узнать через значение тока и сопротивления:

P = I²*R = 25*6 = 150 Вт

Видео по теме

Что такое активная и реактивная мощность, кто их придумал и какие формулы существуют для их расчета – все это несложные вопросы физики, если рассказать о них простыми словами. Поймут даже чайники.

Мощность в цепи переменного электрического тока

Многих пугает все разнообразие мощностей, которое описывается в задачниках по физике. Но все не так сложно, если ознакомиться с теорией, написанной простыми словами. Что такое активная и реактивная мощность, как они соотносятся между собой и что на самом деле означает выражение на полную мощность.

Для начала стоит вспомнить, что же собственно подразумевается под мощностью в физике. Это соотношение передаваемой энергии от одной системы к другой в течение определенного времени передачи. Мощность обычно измеряют в Ваттах (сокращенно Вт/W), которые представляют собой 1 джоуль энергии, который передается другой системе за 1 секунду.

И лишь в астрофизике или теоретической физике могут применяться другие величины для мощности, но они уже не являются системными по умолчанию. В электричестве под этим понятием подразумевается именно передача электроэнергии. Далее речь пойдет о сетях переменного тока, которые используются в быту и производстве.

Если говорить о практическом значении физики, то, в первую очередь, интерес будет представлять активная мощность. Реактивная мощность интересует тех, кто собирается заниматься процессами ее компенсации.

На заметку! Следует отметить уникальность единицы измерения активной мощности, которая отличается среди всех остальных типов мощностей.

Мощность переменного тока может быть разделена на:

• P — активную;
• Q — реактивную;
• S — полную.

Что такое активная мощность

Активная мощность — это некая часть мощности, связанная непосредственно с трансформацией в какой-либо другой вид энергии. Она измеряется в таких единицах измерения, как ватты, сокращенно Вт. Когда речь заходит о формулах, в них активная мощность обозначается буквой Р. Она также связана с неким периодом частоты переменного типа тока. Логично, что этот тип мощности может описывать процессы лишь с участием переменного тока.

Бытовые электроприборы обладают различной мощностью. В чем измеряется их активная мощность, уже шла речь выше: в ваттах. Другая проблема, что производители бытовых приборов часто указывают лишь пиковую мощность, которую устройство готово демонстрировать лишь на протяжении ограниченного временного промежутка.

Одна из наименьших активных мощностей у зарядных устройств – всего около 2 Вт в час. Одна из наибольших у бытовых моек высокого давления – мощность доходит до 3500 Вт. Где-то посередине окажутся стиральные машины, водонагреватели и блендеры.

Интересно! Единица измерения активной мощности, ватты, названа в честь шотландского инженера и изобретателя Джеймса Уатта, жившего на рубеже XVIII – XIX веков.

Среди наименее известных изобретений механика значится машина для копирования скульптур и барельефов. А наиболее известна первая придуманная им единица для измерения мощности – это была лошадиная сила. Здесь речь шла не о движении, производимом в горизонтальной плоскости, а о способности лошадей поднимать людей или грузы в шахтах.

Что такое реактивная мощность

Реактивная мощность – это та часть мощности, которая вернется в сеть обратно. Более детально этот процесс можно описать так: это «вредоносный» процесс, который не полезен для всей системы, он характерен для устройств с нагрузкой индуктивного или емкостного типа.

Логично, что эта часть мощности никак не помогает полезным процессам, не является активной. Задача состоит в том, чтобы компенсировать реактивную мощность. Ее обозначают заглавной буквой Q, а единица измерения реактивной мощности: вольт-амперы, которые обозначаются как Вар.

Что такое полная мощность

Если кратко, то в бытовом аспекте многие путают активную и полную мощность, называя «полной» активную. На самом деле полная мощность – это сочетание активной и неполезной реактивной.

Так что в сети переменного тока считают вместе рассеиваемую и поглощаемую мощность, и получают общее значение. Мощность в этом случае обозначается буквой S. Для ее измерения также используются единицы Вар.

Смысл реактивной нагрузки

Что такое реактивная мощность в рамках производства – это потеря средств. Как только она становится повышенной, предприятие может начать тратить на электроэнергию больше, чем изначально рассчитывалось.

Полная мощность должна включать как можно меньше работы для двигателей вхолостую, нормальным считаются показатели от 60% и выше. Важно перенаправить все так, чтобы избежать чрезмерного перегрева проводников сети. Чаще всего это достигается тем, что устанавливается устройство под названием конденсаторный блок.

Что такое реактивная мощность – мощность, которая появляется в тех сетях, в которых присутствуют реактивные элементы. Энергия накапливается в цепи, после чего она возвращается обратно.

Таким образом, устройства нагреваются при работе, что можно заметить по длительной работе даже такого маломощного предмета ежедневного быта, как зарядное устройство для смартфона.

Для электроприбора есть нормальный коэффициент реактивной мощности. Обычно он составляет от 0,9 до 0,5. Производители указывают его в инструкции по эксплуатации или в паспорте устройства.

Смысл реактивной нагрузки состоит в том, что она создает сдвиг по времени между напряжением и фазами тока. Расчеты и применение формул для вычисления реактивной мощности позволяют не только достигать высокой производительности устройств при меньших затратах на электроэнергию, но и помогают избегать аварийных ситуаций.

Часто возникает вопрос, как правильно определять коэффициент реактивной мощности в случае с бытовыми электросетями перед домашним счетчиком.

Для этого используется формула:

tgφ = Q/P = Eq/Еw

В данном случае Еw – это активная мощность, а вот Eq – это уже реактивная.

Треугольник мощностей

Формула расчета полной, активной и реактивной мощностей достаточно понятно может описывать взаимоотношения этих трех аспектов. Но яснее их взаимоотношения можно выразить на плоскости в виде треугольника мощностей. Так как все они тригонометрически соотносятся. Угол, который возникает между полной и активной мощностями называется фазовым углом и ясно показан на рисунке.

Формулы и единицы измерения

Единица измерения реактивной мощности такая же, как у полной – вольт-амперы, Вар, а для расчета активной используется единица в виде Вт.

Что такое активная и реактивная мощность в совокупности – так называемая полная мощность. Она рассчитывается по следующей простой формуле:

√ (Активная мощность2 + Реактивная мощность2)

То есть требуется найти квадратный корень из суммы квадрата активной и квадрата реактивной мощностей.

Как найти реактивную мощность:

√ (Полная мощность2 – Активная мощность2)

То есть квадратный корень из вычитания квадрата активной мощности из квадрата полной мощности. Когда речь заходит о вычислении активной мощности, то применяется, соответственно, формула:

√ (Полная мощность2 – Реактивная мощность2)

Квадрат из вычитания квадрата реактивной мощности из квадрата полной мощности.

Также могут понадобиться другие формулы для точных вычислений в некоторых случаях. Для однофазных цепей может применяться своя формула:

P = V I cosθ

А в трехфазных цепях уже будет действовать следующий вариант:

P = √3 VL IL cosθ

Важно! Во всех случаях необходимо внимательно следить за единицами измерений. Киловатты необходимо еще до вычисления по формулам переводить в ватты. Киловольтамперы, соответственно, переводят в вольтамперы.

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Коэффициент реактивной мощности позволяет оптимизировать работу и избежать нагрева устройства. Профессионалы обычно используют большее количество параметров в расчетах, чтобы компенсировать негативные моменты реактивной мощности. Но для решения рядовых задач по физике вполне применима приведенная выше формула.

Полная мощность, активная и реактивная мощность для чайников может быть представлена несколькими формулами. Важно лишь помнить о ситуационных единицах измерения, об актуальных обозначениях и о треугольнике мощностей, чтобы справиться с расчетами.

Баланс мощностей цепи переменного тока│Активная, реактивная и полная мощности

Помогла ли вам статья?