Всі ми щодня стикаємося з електроприладами, здається без них наше життя зупиняється. І у кожного з них у технічній інструкції вказано потужність. Сьогодні ми розберемося що це таке, дізнаємося види і способи розрахунку.
Потужність у ланцюгу змінного електричного струму
Електроприлади, що підключаються до електромережі, працюють у ланцюгу змінного струму, тому ми розглядатимемо потужність саме в цих умовах. Проте, насамперед, дамо загальне визначення поняттю.
Потужність - фізична величина, що відображає швидкість перетворення або передачі електричної енергії.
У вужчому сенсі, кажуть, що електрична потужність – це відношення роботи, що виконується за деякий проміжок часу, до цього проміжку часу.
Якщо перефразувати це визначення менш науково, то виходить, що потужність – це певна кількість енергії, яка витрачається споживачем за певний проміжок часу. Найпростіший приклад – це звичайна лампа розжарювання. Швидкість, з якою лампочка перетворює споживану електроенергію на тепло і світло, і буде її потужністю. Відповідно, чим вище цей показник у лампочки, тим більше вона споживатиме енергії, і тим більше віддасть світла.
Оскільки в даному випадку відбувається не тільки процес перетворення електроенергії на деяку іншу (світлову, теплову і т.д.), але і процес коливання електричного та магнітного поля, з'являється зсув фази між силою струму та напругою, і це слід враховувати при подальших розрахунках.
При розрахунку потужності ланцюга змінного струму прийнято виділяти активну, реактивну і повну складові.
Поняття активної потужності
Активна «корисна» потужність — це частина потужності, яка характеризує безпосередньо процес перетворення електричної енергії на якусь іншу енергію. Позначається латинською літерою P і вимірюється у ватах (Вт).
Розраховується за формулою: P = U⋅I⋅cosφ,
де U та I – середньоквадратичне значення напруги та сили струму ланцюга відповідно, cos φ – косинус кута зсуву фази між напругою та струмом.
ВАЖЛИВО! Описана раніше формула підходить для розрахунку ланцюгів з напругою 220В, однак потужні агрегати зазвичай використовують мережу з напругою 380В. У такому разі вираз слід помножити на корінь із трьох або 1.73
Поняття реактивної потужності
Реактивна «шкідлива» потужність - це потужність, яка утворюється в процесі роботи електроприладів з індуктивним або ємнісним навантаженням, і відображає електромагнітні коливання, що відбуваються. Простіше кажучи, це енергія, яка переходить від джерела живлення до споживача, а потім повертається до мережі.
Використовувати цю складову природно не можна, мало того, вона багато в чому шкодить мережі харчування, тому зазвичай його намагаються компенсувати.
Позначається ця величина латинською літерою Q.
ПАМ'ЯТАЙТЕ! Реактивна потужність вимірюється над звичних ватах (Вт), а вольт-амперах реактивних (Вар).
Розраховується за формулою:
- де U та I – середньоквадратичне значення напруги та сили струму ланцюга відповідно, sinφ – синус кута зсуву фази між напругою та струмом.
ВАЖЛИВО! При розрахунку ця величина може бути як позитивною, і негативною – залежно від руху фази.
Ємнісні та індуктивні навантаження
Головна відмінність реактивного (ємнісного та індуктивного) навантаження – наявність, власне, ємності та індуктивності, які мають властивість запасати енергію і пізніше віддавати її в мережу.
Індуктивне навантаження перетворює енергію електричного струму спочатку в магнітне поле (протягом половини напівперіоду), а далі перетворює енергію магнітного поля в електричний струм і передає мережу. Прикладом можуть бути асинхронні двигуни, випрямлячі, трансформатори, електромагніти.
ВАЖЛИВО! При роботі індуктивного навантаження крива струму завжди відстає від кривої напруги половину напівперіоду.
Ємне навантаження перетворює енергію електричного струму в електричне поле, а потім перетворює енергію отриманого поля назад в електричний струм. Обидва процеси знову ж таки протікають протягом половини півперіоду кожен. Прикладами є конденсатори, батареї, синхронні двигуни.
ВАЖЛИВО! Під час роботи ємнісного навантаження крива струму випереджає криву напруги половину напівперіоду.
Коефіцієнт потужності cosφ
Коефіцієнт потужності cosφ (читається косинус фі) - це скалярна фізична величина, що відображає ефективність споживання електричної енергії. Простіше кажучи, коефіцієнт cosφ показує наявність реактивної частини та величину одержуваної активної частини щодо всієї потужності.
Коефіцієнт cosφ знаходиться через відношення активної електричної потужності до повної електричної потужності.
ЗВЕРНІТЬ УВАГУ! При більш точному розрахунку слід враховувати нелінійні спотворення синусоїди, проте у звичайних розрахунках ними нехтують.
Значення цього коефіцієнта може змінюватися від 0 до 1 (якщо розрахунок ведеться у відсотках, то від 0% до 100%). З розрахункової формули не складно зрозуміти, що чим більше його значення, тим більша активна складова, а значить краще показники приладу.
Концепція повної потужності. Трикутник потужностей
Повна потужність – це геометрично обчислювана величина, що дорівнює кореню із суми квадратів активної та реактивної потужностей відповідно. Позначається латинською літерою S.
Також розрахувати повну потужність можна шляхом перемноження напруги та сили струму відповідно.
S = U⋅I
ВАЖЛИВО! Повна потужність вимірюється у вольт-амперах (ВА).
Катети відображають реактивну та активну складові, гіпотенуза – повну потужність. Відповідно до законів геометрії, косинус кута φ дорівнює відношенню активної та повної складових, тобто він є коефіцієнтом потужності.
Як знайти активну, реактивну та повну потужності. Приклад розрахунку
Усі розрахунки будуються на зазначених раніше формулах та трикутнику потужностей. Давайте розглянемо завдання, яке найчастіше зустрічається на практиці.
Зазвичай на електроприладах вказано активну потужність і значення коефіцієнта cosφ. Маючи ці дані неважко розрахувати реактивну та повну складові.
Для цього розділимо активну потужність на коефіцієнт cos і отримаємо твір струму і напруги. Це буде повною потужністю.
Далі, виходячи з трикутника потужностей, знайдемо реактивну потужність рівну квадрату з різниці квадратів повної та активної потужностей.
Як вимірюють cosφ на практиці
Значення коефіцієнта cosφ зазвичай вказано на бирках електроприладів, проте, якщо необхідно виміряти його практично користуються спеціалізованим приладом – фазометром. Також з цим завданням легко впорається цифровий ватметр.
Якщо отриманий коефіцієнт cosφ досить низький, його можна компенсувати практично. Здійснюється це переважно шляхом включення в ланцюг додаткових приладів.
- Якщо необхідно скоригувати реактивну складову, слід включити в ланцюг реактивний елемент, що діє протилежно вже функціонуючого приладу.
- Для компенсації роботи асинхронного двигуна, для прикладу індуктивного навантаження, паралель включається конденсатор. Для компенсації синхронного двигуна підключається електромагніт.
- Якщо необхідно скоригувати проблеми нелінійності в схему вводять пасивний коректор коефіцієнта cosφ, наприклад, це може бути дросель з високою індуктивністю, що послідовно підключається з навантаженням.
Потужність – це один із найважливіших показників електроприладів, тому знати якою вона буває і як розраховується, корисно не лише школярам та людям, що спеціалізуються в галузі техніки, а й кожному з нас.
СХОЖІ СТАТТІ:
- Як перевести ампери у Вати і назад?
- Як перевести ампери в кіловати?
- Поради експертів щодо вибору стабілізатора напруги