Активная, реактивная и полная (кажущаяся) мощности

Простое объяснение с формулами

Активная мощность (P)

Другими словами активную мощность можно назвать: фактическая, настоящая, полезная, реальная мощность. В цепи постоянного тока мощность, питающая нагрузку постоянного тока, определяется как простое произведение напряжения на нагрузке и протекающего тока, то есть

потому что в цепи постоянного тока нет понятия фазового угла между током и напряжением. Другими словами, в цепи постоянного тока нет никакого коэффициента мощности.

Но при синусоидальных сигналах, то есть в цепях переменного тока, ситуация сложнее из-за наличия разности фаз между током и напряжением. Поэтому среднее значение мощности (активная мощность), которая в действительности питает нагрузку, определяется как:

В цепи переменного тока, если она чисто активная (резистивная), формула для мощности та же самая, что и для постоянного тока: P = U I.

Формулы для активной мощности

P = U I — в цепях постоянного тока

P = U I cosθ — в однофазных цепях переменного тока

P = √3 U_L I_L cosθ — в трёхфазных цепях переменного тока

P = √ (S 2 – Q 2 ) или

P =√ (ВА 2 – вар 2 ) или

Активная мощность = √ (Полная мощность 2 – Реактивная мощность 2 ) или

кВт = √ (кВА 2 – квар 2 )

Реактивная мощность (Q)

Также её мощно было бы назвать бесполезной или безваттной мощностью.

Мощность, которая постоянно перетекает туда и обратно между источником и нагрузкой, известна как реактивная (Q).

Реактивной называется мощность, которая потребляется и затем возвращается нагрузкой из-за её реактивных свойств. Единицей измерения активной мощности является ватт, 1 Вт = 1 В х 1 А. Энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля или электрического поля в случае, соответственно, индуктивности или конденсатора.

Реактивная мощность определяется, как

и может быть положительной (+Ue) для индуктивной нагрузки и отрицательной (-Ue) для емкостной нагрузки.

Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивный (вар): 1 вар = 1 В х 1 А. Проще говоря, единица реактивной мощности определяет величину магнитного или электрического поля, произведённого 1 В х 1 А.

Формулы для реактивной мощности

Реактивная мощность = √ (Полная мощность 2 – Активная мощность 2 )

квар = √ (кВА 2 – кВт 2 )

Полная мощность (S)

Полная мощность – это произведение напряжения и тока при игнорировании фазового угла между ними. Вся мощность в сети переменного тока (рассеиваемая и поглощаемая/возвращаемая) является полной.

Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока в цепи переменного тока называется полной мощностью.

Она является произведением значений напряжения и тока без учёта фазового угла. Единицей измерения полной мощности (S) является ВА, 1 ВА = 1 В х 1 А. Если цепь чисто активная, полная мощность равна активной мощности, а в индуктивной или ёмкостной схеме (при наличии реактивного сопротивления) полная мощность больше активной мощности.

Формула для полной мощности

Полная мощность = √ (Активная мощность 2 + Реактивная мощность 2 )

kUA = √(kW 2 + kUAR 2 )

Следует заметить, что:

• резистор потребляет активную мощность и отдаёт её в форме тепла и света.
• индуктивность потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме магнитного поля.
• конденсатор потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме электрического поля.

Все эти величины тригонометрически соотносятся друг с другом, как показано на рисунке:

Источник

Как правильно рассчитать потребляемую мощность

Количество потребляемой электроэнергии приборами бытовой техники, освещения, отопления, кондиционирования и вентиляции, напрямую влияет на сумму оплаты за электричество. Любое оборудование поглощает энергию в объёме соответствующей мощности прибора. Эта важная характеристика является основой для расчёта потребления электроэнергии. Как рассчитать потребляемую мощность электроприборов и определить расход электричества — это вопросы, ответы на которые даны в этой статье.

Подключение потребителя электроэнергии:

Что такое мощность электропотребителя

Этот физический параметр отражает потребление определённого количества электричества за единицу времени. По-иному — отношение работы к промежутку времени, за который она была выполнена. Практически на каждом электроприборе есть маркировка. Например, надпись на лампочке «60 Вт» означает, что она за 1 час истратит именно это количество энергии. А вот если на перфораторе указана характеристика — 800 Вт, то за полчаса его работы будет израсходовано 400 Вт.

Происхождение единицы измерения киловатт/час

Интенсивное изучение электричества учёными Европы началось примерно в XVII веке, тогда же были сделаны основополагающие открытия, положившие началу и развитию такой науки, как электротехника. Шотландский инженер, изобретатель-механик (1736–1819 г.г.) Джеймс Уатт ввёл в обиход первую единицу мощности — лошадиную силу.

Портрет Джеймса Уатта:

В 1782 году Британская ассоциация инженеров присвоила фамилию учёного единице измерителя мощности — Ватт. Нужно иметь в виду, что на русском языке английская буква «W» имеет двойное прочтение, как «В» или «Уа». Поэтому фамилию изобретателя читаем Уатт, а единицу измерения — Ватт. В 1889 году единица измерения получила мировое признание. Лишь в 1960 году «Ватт» официально вошёл в международную систему СИ, как измеритель мощности любого вида энергии, будь-то она тепловой, механической или электрической.

Расход электроэнергии, потреблённой за определённый промежуток времени, измеряют в Вт/ч. Чтобы сократить количество символов при обозначении мощности потребления электроприбором электроэнергии, была введена в обиход такая единица, как киловатт/час — кВт/ч (1000 Вт/ч).

Определение потребляемой мощности

Вычисление потребления электроэнергии по мощности можно осуществить несколькими способами. Они описаны далее.

Данные на шильдике

Со временем сложилась общепринятая практика — обозначать технические параметры бытовых приборов на шильдиках. Чтобы узнать потребляемую мощность, достаточно прочитать данные на табличке.

Расчёт по формуле

Зная напряжение в источнике тока (розетка бытовой сети, батарейки или аккумулятор) и ток, который потребляет прибор, нет ничего проще, как определить потребляемую мощность электроприбора. В этом случае формула расчёта будет выглядеть так:

N = VxI. Где N — мощность (Вт); V — напряжение (В); I — сила тока (А).

Например, с помощью мультиметра в режиме амперметра узнают силу тока, на которую рассчитана электропила — 8.2 ампер. Так как оборудование работает от бытовой электросети напряжением 220 вольт, то посчитать расход электроэнергии пилой будет довольно просто: 220×8.2 = 1800 Вт = 1.8 кВт.

Схема измерения силы тока мультиметром:

Измерение ваттметром

Это универсальный способ того, как рассчитать потребление электроэнергии с помощью подобного прибора. В настоящее время его довольно просто приобрести в сетевой торговле в одном из китайских интернет-магазинов.

Ваттметр — измеритель мощности различных электрических потребителей. Устройство определяет силовую характеристику прибора любого назначения, работающего от бытовой электросети. На его тыльной стороне находится вилка, которую вставляют в розетку. В передней части корпуса под дисплеем расположена своя розетка. К ней подсоединяют испытуемое оборудование.

Использование этого тестера — это один из способов, как рассчитать расход электроэнергии любого бытового электроприбора. Измеритель мощности является своеобразным мостиком, соединяющим через себя потребителя с источником тока. Им производят измерения в течение определённого времени. Потом можно рассчитать, сколько денег «тратит» холодильник или стиральная машина. В тестере есть встроенный аккумулятор, который нужен для запоминания полученных ранее показаний и расчёта денежных затрат за потреблённое электричество. Иными словами, ваттметр можно охарактеризовать как индивидуальный электросчётчик, который обслуживает один электроприбор.

Метод исключения

При таком способе в роли измерителя мощности выступает электросчётчик. Допустим, что в доме работает электрооборудование, на котором нет шильдика, документация на него давно утеряна или её не было вообще. Есть самый простой способ, как рассчитать расход электроэнергии — это метод исключения. Поступают следующим образом: в квартире или доме обесточивают все приборы, гасят освещение, на электросчётчике блочные тумблеры ставят в положение «Выкл.» кроме одного.

Снятие показаний электросчётчика:

Нужный прибор включают на возможно длительное время. Следует зафиксировать количество потреблённого электричества в течение 1 часа. Если обстоятельства не позволяют сделать это, то включение производят в течение временного промежутка, кратного 60 минутам.

Например, если оборудование проработало 10 или 20 минут, то результат соответственно умножают на 6 или 3. Если в течение часа прибор потребил 800 Вт, то это значит, что его мощность равна 0.8 кВт/ч. Если вывести среднее количество часов работы электропотребителя в месяц, то можно определить затраты, которые приносит данное оборудование. Для этого показатель умножают на стоимость 1 кВт/ч.

Калькулятор потребляемой мощности

В качестве измерителя мощности можно использовать онлайн-калькулятор. Один из его вариантов всегда можно найти в интернете. Основное предназначение сетевого сервиса поможет в том, как определить мощность всех потребителей электрического тока, находящихся в доме, квартире или офисе. Полученные результаты носят ориентировочный характер, но с их помощью можно посчитать траты электричества разными типами потребителей.

Пользуясь калькулятором, хозяева жилья могут рассчитывать будущие расходы на оплату электроэнергии. Зная слабые места в общей картине энергопотребления, можно оптимизировать режим работы основных электроприборов. Это может принести существенную экономию семейному бюджету.

Калькулятор прост в обращении. В окна интерфейса вводят соответствующие данные о приборах освещения — мощность и количество ламп разного типа, затем вносят информацию об электроприборах: холодильнике, телевизоре, стиральной машине и прочей бытовой технике, компьютере, сопутствующей оргтехнике и различных электроинструментах. После этого в окно «Стоимость 1 кВт» вводят действующий тариф на электроэнергию. Нажав курсором на кнопку «Рассчитать», получают расчётное значение энергопотребления за месяц, а также сумму к оплате за электричество.

Информативный способ

В интернете есть много информации о мощностях различных бытовых приборов. Хозяева жилья знают и могут составить перечень потребителей электроэнергии с указанием их средней мощности, взятой в сети. Также жильцы могут посчитать определённое количество рабочих часов приборов в сутки. Отсюда получают конечный результат расхода электроэнергии за месяц.

Для силовых установок (к ним относится оборудование с электромоторами) следует вводить поправочный коэффициент k = 1.2, учитывающий резкий рост пусковой мощности. В следующей таблице указан стандартный список бытовых приборов. Он может существенно отличаться от списка, в котором будет присутствовать оборудование приусадебного хозяйства — это станки, насосы, газонокосилки и многое другое.

Средняя мощность бытовых приборов:

После прочтения данной статьи становится понятно, что такое потребляемая мощность электроприборов и как её можно рассчитать. Правильность любого расчёта расходов на оплату электричества проверяется счётом местной электрокомпании. При существенном расхождении результатов, нужно пересмотреть методику подсчёта потребляемой мощности всех электроприборов. Надо знать, что все способы подсчётов не будут точными, зато они смогут подсказать, где можно сэкономить электроэнергию.

Видео по теме

Источник

Как рассчитать мощность электрического тока?

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

• 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, 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)=U 2 /R

• 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 =I 2 *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:

• 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.

Рис. 1. Треугольник мощностей

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:

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.

Рис. 2. Шильд электродвигателя

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.

Рис. 3. Последовательная расчетная цепь

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 = U 2 /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:

Рис. 4. Параллельная схема подключения

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

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

P = I 2 *R = 25*6 = 150 Вт

Видео по теме

Источник