Ток, напряжение, мощность: основные характеристики электричества
Электроэнергия давно используется человеком для удовлетворения своих потребностей, но она невидима, не воспринимается органами чувств, потому сложна для понимания. С целью упрощения объяснения электрических процессов их довольно часто сравнивают с гидравлическими характеристиками движущейся жидкости.
Например, к нам в квартиру приходит по проводам электрическая энергия от далеко расположенных генераторов и вода по трубе от создающего давление насоса. Однако, отключенный выключатель не позволяет светиться лампочкам, а закрытый водопроводный кран — литься воде из крана. Чтобы совершалась работа надо включить выключатель и открыть кран.
Направленный поток свободных электронов по проводам устремится к нити накала лампочки (пойдет электрический ток) , которая станет излучать свет. Вода, вытекающая из крана, будет стекать в раковину.
Эта аналогия позволяет также понимать количественные характеристики, ассоциировать силу тока со скоростью перемещения жидкости, оценивать другие параметры.
Напряжение электросети сравнивают с потенциалом энергии источника жидкости. К примеру, возрастание гидравлического давления насосом в трубе создаст большую скорость перемещения жидкости, а увеличение напряжения (или разности между потенциалами фазы — входящего провода и рабочего нуля — отходящего) усилит накал лампочки, силу ее излучения.
Сопротивление электрической схемы сопоставляют с силой торможения гидравлическому потоку. На скорость перемещения потока влияют:
- вязкость жидкости;
- засоренность и изменение сечения каналов. (В случае с водопроводным краном — положение регулирующего вентиля.)
На величину электрического сопротивления влияет несколько факторов:
- строение вещества, определяющее наличие свободных электронов в проводнике и влияющее на удельное сопротивление;
- площадь поперечного сечения и длина токовода;
- температура.
Электрическую мощность тоже сравнивают с энергетическими возможностями потока в гидравлике и оценивают по выполненной работе в единицу времени. Мощность электроприбора выражается через потребляемый ток и подведенное напряжение (для цепей переменного и постоянного тока).
Все эти характеристики электроэнергии исследованы известными учеными, которые дали определения току, напряжению, мощности, сопротивлению и описали математическими методами взаимные связи между ними.
В приведенной таблице показаны общие соотношения для цепей постоянного и переменного тока, которые можно применять для анализа работы конкретных схем.
Рассмотрим несколько примеров их использования.
Пример №1. Как рассчитать сопротивление и мощность
Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом.
На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.
Согласно действию закона Джоуля — Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой (11) в приведенной таблице.
Рассчитываем: Р=24х0,5=12 Вт.
Это же значение получим, если воспользуемся формулами (10) или (12).
Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит.
Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.
Пример №2. Как рассчитать ток
Для группы розеток, предназначенных для питания бытовых электроприборов на кухне, необходимо подобрать защитный автоматический выключатель. Мощности приборов по паспортным данным составляют 2,0, 1,5 и 0,6 кВт.
Решение. В квартире используется однофазная переменная сеть 220 вольт. Общая мощность всех приборов, подключенных в работу одновременно, составит 2,0+1,5+0,6=4,1 кВт=4100 Вт.
По формуле (2) определим общий ток группы потребителей: 4100/220=18,64 А.
Ближайший по номиналу автоматический выключатель имеет величину срабатывания 20 ампер. Его и выбираем. Автомат меньшего значения на 16 А будет постоянно отключаться от перегрузки.
Отличия параметров электросхем на переменном токе
При анализе параметров электроприборов следует учитывать особенности их работы в цепях переменного тока, когда, благодаря влиянию промышленной частоты у конденсаторов возникают емкостные нагрузки (сдвигают вектор тока на 90 градусов вперед от вектора напряжения), а у обмоток катушек — индуктивные (ток на 90 градусов отстает от напряжения). В электротехнике их называют реактивными нагрузками . Они в комплексе создают реактивные потери мощности «Q», которые не выполняют полезной работы.
На активных нагрузках отсутствует сдвиг фазы между током и напряжением.
Таким образом, к активной величине мощности электроприбора в цепях переменного тока добавляется реактивная составляющая, за счет которой увеличивается общая мощность, которую принято называть полной и обозначать индексом «S».
Переменный синусоидальный ток в однофазной сети
Электрический ток и напряжение промышленной частоты меняются во времени по синусоидальному закону. Соответственно этому происходит изменение мощности. Определять их параметры в различные мгновенные моменты времени не имеет особого смысла. Поэтому выбирают суммарные (интегрирующие) значения за определенный временной промежуток, как правило — период колебания Т.
Знание отличий параметров цепей для переменного и постоянного тока позволяет правильно рассчитывать мощность через ток и напряжение в каждом конкретном случае.
В принципе они состоят из трех одинаковых однофазных цепей, сдвинутых друг относительно друга на комплексной плоскости на 120 градусов. Они немного отличаются нагрузками в каждой фазе, сдвигающими ток от напряжения на угол фи. За счет этой неравномерности создается ток I0 в нулевом проводе.
Переменный синусоидальный ток в трехфазной сети
Напряжение в этой системе состоит из напряжений в фазах (220 В) и линейных (380 В).
Мощность прибора трехфазного тока, подключенного к схеме, складывается из составляющих в каждой фазе. Ее измеряют с помощью специальных приборов: ваттметров (активная составляющая) и варметров (реактивная). Рассчитать полную мощность потребления прибора трехфазного тока можно на основе замеров ваттметра и варметра с использованием формулы треугольника.
Существует еще косвенный метод измерения, основанный на использовании вольтметра и амперметра с последующими вычислениями полученных значений.
Также можно рассчитать общий ток потребления, зная величину полной мощности S. Для этого достаточно ее разделить на величину линейного напряжения.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Как зависит мощность от напряжения
Основными характеристиками электричества считаются такие параметры, как:
- напряжение (U, измеряется в вольтах);
- сопротивление (R, единица измерения ом);
- мощность (P, ватт);
- электрический ток (I, ампер).
В этой статье мы рассмотрим вопрос о том, как зависит мощность от напряжения. Точность при расчете этих показателей влияет на правильность подбора оборудования (например, резисторов, выключателей, питающих кабелей и пр.).
Напряжение представляет собой разность между величинами потенциалов входящего провода и исходящего, то есть фазы и рабочего нуля. Значения подведенного напряжения и потребляемого тока позволяют вычислить мощность. В сетях постоянного тока мощность рассчитывается как произведение напряжения и тока. Для сетей переменного тока система расчетов сложнее.
Как зависит мощность от напряжения в однофазных сетях
Рассматривая зависимость мощности от напряжения в однофазных сетях, следует учитывать влияние такого фактора, как промышленная частота, которая является причиной возникновения особых нагрузок:
- емкостных (у конденсаторов), при этом вектор тока на 90° сдвигается вперед относительно вектора напряжения;
- индуктивных (в обмотках катушек), когда происходит отставание вектора тока на 90°.
Такого рода нагрузки называют реактивными. Комплекс реактивных нагрузок создает дополнительные потери мощности, не выполняющие полезных действий. Эти мощности также именуются реактивными. В отличие от активных нагрузок, для реактивных характерно такое явление, как сдвиг фазы (между напряжением и током).
Для электроприборов, предназначенных для работы в цепи переменного тока, рассчитывается так называемая полная мощность (этот параметр обозначают буквой «S»), которая складывается из величины активной мощности и реактивной составляющей.
В соответствии с постоянными изменениями тока и напряжения промышленной частоты (этот процесс описывается синусоидальным законом) меняются и показатели мощности. Поэтому принято рассматривать интегрирующее (суммарное) значение для определенного временного промежутка, а не отдельные мгновенные показатели.
Зависимость мощности от напряжения в трехфазных сетях
Чаще всего применяемая в современной электроэнергетике трехфазная цепь представляет собой три однофазные цепи, которые расположены на комплексной плоскости со сдвигом 120° относительно друг друга. Небольшие отличия между нагрузками в каждой фазе приводят к неравномерности, за счет которой в нулевом проводе создается ток.
Складывая составляющие в каждой фазе, мы получаем общую мощность для подключенного к схеме устройства. При расчете общей мощности применяются специальные приборы:
- ваттметры для определения активной составляющей (один или несколько);
- варметры для замера реактивной составляющей.
Использование этих двух приборов возможно при различной нагрузке фаз, симметричной или несимметричной, то есть как в уравновешенных, так и в неуравновешенных трехфазных системах.
Еще один метод измерения, который известен как косвенный, основан на применении амперметра и вольтметра. Вычислив параметр S и разделив его на значение линейного напряжения, мы получаем величину общего тока потребления.
Информация о том, чем отличается эксплуатация устройств в цепях постоянного и переменного тока, помогает максимально точно рассчитать мощность в зависимости от показателей тока и напряжения для каждого конкретного случая и убедиться в безопасности и эффективности эксплуатации электродвигателей и прочего оборудования.
Как характеристики электросети влияют на работу насосных двигателей
Электротехническая область стремительно развивается, поэтому паровые машины давно канули в лету, а электрические стали использоваться во многих сферах. Одним из таких популярных на сегодняшний день устройств является электрический насос. Сразу стоит уточнить, что данным понятием обозначается целостный механизм, состоящий из двигателя, редуктора или иного передаточного механизма, которое выполняет необходимые функции, и исполнительного органа (лопасть, крыльчатка, поршень).
В основе насоса лежит электрический двигатель, имеющий высокий коэффициент полезного действия (83-95%). Для них характерна достаточно простая конструкция, высокий уровень надежности и универсальность. От типа двигателя и режима его работы напрямую зависят итоговые параметры любого механизма, работающего от электрического тока.
При отсутствии специфических требований (а их чаще всего нет), используют асинхронные двигатели, оснащенные короткозамкнутым ротором. Конструкция устройства включает в себя корпус с неподвижной частью или статором, который имеет обмотку и вращающуюся часть, то есть ротор. Вращение ротора обеспечивается путем образования вращающегося магнитного поля. Оно в свою очередь создается напряжением, которое подводится к обмотке статора. Путем контакта магнитного поля с обмоткой ротор начинает вращаться. Что касается самой обмотки, то в электрических двигателях – это металлический каркас с намотанной на него медной проволокой, обработанной изолирующим лаком.
Электродвигатель – это сердце насоса, а электроэнергия – это его душа. Насос просто не сможет работать без нее. Все параметры электрической энергии должны быть приведены к расчетным. Если какой-то из них не соответствует стандартам, режим работы устройства меняется. Базовыми параметрами электроэнергии служат напряжение, частоты и форма. При этом каждая страна имеет свои стандарты для этих показателей. Напряжение является движущей силой, это та энергия, освобождающаяся в процессе движения заряда от пункта А до пункта Б.
Руководствуясь ГОСТом, можно выделить, что в странах СНГ напряжение составляет 220 В (плюс/минус 10%). Частота – это параметр, показывающий, как часто меняется полярность напряжения за единицу времени. Стандарт – 50 Гц (плюс/минус 1%). Базовые характеристики для насоса – это напор, подача и объединяющая две характеристики рабочая точка. В свою очередь напор представляет собой создаваемое насосом давление жидкости, а подача – это количество перекачиваемой за конкретное время воды. Поскольку устройство преобразует энергию вращения, которую создает электродвигатель, в работу, которая совершается исполнительным органом, важно сделать расчетную скорость вращения стабильной. Еще одна из главных особенностей асинхронного двигателя – это скольжение. Данный параметр показывает разницу в скорости вращения магнитного поля, которое создается обмоткой ротора и статора. От величины нагрузки и напряжения зависит скольжение: чем выше нагрузка или ниже напряжение, тем больше скольжение.
Существует формула, отражающая взаимосвязь скорости вращения ротора и напряжения сети:
N=N синхр х (1-Kнагр х Uрез х Sном);
N – итоговая скорость вращения насосного электродвигателя;
N синхр – синхронная скорость;
К нагр – коэффициент нагрузки на электродвигатель;
U рез – показатель, получаемый путем деления квадрата номинального напряжения на квадрат фактического напряжения;
S ном – величина скольжения в номинале.
Таким образом, видно, что, если напряжение сети станет меньше номинального, скорость вращения также упадет, и в результате снизится и общая производительность агрегата. Следует обратить внимание, что такое заключение актуально для насосных моторов, которые работают в максимальной нагрузке. В случае если агрегат имеет «запас», то при снижении напряжения сети работа насоса почти не изменяется.
Другое отрицательное проявление уменьшения напряжение – это нагрев обмоток. Если параметр опустится ниже стандартного значения на 1%, магнитный поток сократится на 3%. Зависимость отражена в следующей формуле:
P = U х I,
P — мощность электромотора;
U – напряжение;
I — ток, который потребляет электродвигатель.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что при сохранении мощности мотора и уменьшении напряжения, потребление тока повышается. Если значение последнего перескочит расчетные параметры, произойдет нагрев обмоток, а это увеличивает амортизацию и, соответственно, сокращает срок службы. Были случаи, когда случалась поломка двигателя. Если напряжение вышло за пределы номинальной границы, образуется «электрический пробой» изоляции катушки и, конечно же, сокращается срок эксплуатации мотора. Говоря иначе, двигатель «сгорает».
На скорость вращения магнитного поля и ротора влияет частота электросети. Это отражается в формуле:
n= 60 х f / P,
n — синхронная скорость вращения поля,
f — частота электрической сети,
P – число пар полюсов обмотки статора.
Таким образом, если число пар полюсов будет всегда одним и тем же, любой скачок частоты окажет влияние на вращение мотора и его механическую мощность. Специфический типа насосов – шнековые или вибрационные. Они не имеют классического двигателя, а потому таких поломок, которые случились в результате увеличения или уменьшения напряжения, не бывает. Точнее, они происходят иначе. Если монтаж агрегата был произведен в скважине или колодце, и он работает в номинальных пределах при нормальном напряжении, то в случае резкого уменьшения последнего насос не сможет поднять воду, а вследствие этого некоторые агрегаты вообще выходят из строя. При резком же увеличении напряжения качающая мембрана двигается быстрее, в результате чего механизм просто разбивает себя. Аналогичная ситуация происходит и при уменьшении/увеличении частоты электросети.
Качественный насос – это такой насос, который способен работать длительное время без поломок по принципу «включил и забыл». Конечно же, стоимость такого агрегата может встать в копеечку, а потому грамотным выходом из ситуации является обеспечение защиты устройства от скачков в электросети. Так, например, можно приобрести стабилизатор, который служит для контроля и регулировки напряжения. По мощности его следует выбирать с запасом 20-30%. Это необходимо потому, что в момент включения мотора потребляемая мощность резко возрастает. Еще одни защитные устройства – это блоки управления, которые открывают хорошие возможности для продления работы насоса.
Как сопротивление влияет на падение напряжения?
Любой человек, кто хоть как-нибудь связан с электричеством или электротехникой знаком с законом Ома для участка цепи – основным законом этой области человеческих знаний. Открытый в первой половине позапрошлого века закон обозначает тесную зависимость основополагающих понятий электричества:
- величины напряжения, приложенного к участку цепи – U, иначе именуемого разностью потенциалов;
- силы тока, протекающего через электрическую цепь – I;
- сопротивления электрическому току участка цепи – R.
В математическом виде он представлен выражением:
В физическом понимании это означает, что падение напряжения на участке цепи в 1 вольт соответствует произведению силы тока в 1 ампер, протекающего через участок сопротивлением в 1 Ом.
В качестве участка цепи для источника электрического потенциала (питающего напряжения) можно рассматривать нагрузку, например лампу накаливания, рассчитанную на питание 220 вольт. Однако в случае с реальной электрической сетью, еще одним участком цепи будут провода, по которым питание в нагрузку подается, обладающие конечным сопротивлением и характеризующиеся падениями напряжения на них.
Суть падения напряжения
Итак, в реальных электрических сетях приходится учитывать сопротивление проводников, используемых для подключения нагрузки, эти сопротивления зависят от удельного сопротивления металла, сечения проводов и общей длины кабеля. По сути, полную электрическую схему подключения нагрузки можно представить в виде двух, включенных последовательно сопротивлений:
- R1 (сопротивление нагрузки);
- R2 (сопротивление проводов).
Поскольку при последовательном включении через них течет один и тот же ток, то падение напряжения на каждом из сопротивлений будет составлять U1 и U2 соответственно, а их сумма будет равна величине входного напряжения, приложенного в точке подключения. Такое свойство обычно используется в простых делителях напряжения на резисторах. Разумеется, напряжение на самой нагрузке U1 оказывается меньше, нежели выходное напряжение источника питания на величину падения напряжения U2, прямо пропорциональную сопротивлению проводов.
Рассчитать падение напряжения при выборе сечения проводников достаточно просто по приведенной выше формуле, правда, для начала необходимо рассчитать сопротивление проводника. Оно определяется с учетом удельного сопротивления металла, используемого при изготовлении токопроводящих жил кабеля – ρ, длины проводника – l и сечения кабеля – S:
Чтобы рассчитать сечения жил по диаметру (если оно неизвестно), следует воспользоваться формулой площади круга. Для меди удельное сопротивление составляет 0.0175 Ом*м/мм², следовательно, медный проводник длиной 50 м и сечением кабеля 1.5 мм² будет иметь сопротивление 0.583 Ом, а учитывая, что питающий кабель имеет как минимум 2 жилы (фаза и ноль), это сопротивление следует увеличить вдвое, и оно составит 1.167 Ом.
Много это или мало? Предположим такой отрезок кабеля понадобится для питания нагрузки током в 10 А, соответственно падение напряжения на кабеле составит почти 12 В. Для сети 220 В такая разница мало критична и в худшем случае может грозить незначительная потеря мощности, но для низковольтного питания, например 36 В такая величина явно выходит за пределы допустимых падений. Именно поэтому снижение входных напряжений, требует увеличения сечения питающих проводников.
Таким образом, правильным расчетом падения напряжения в зависимости от длины проводников мы не только оптимизируем режимы работы электрооборудования, фактически мы производим расчеты потерь, которые могут иметь место в процессе эксплуатации.
Остались вопросы?
Заполните форму обратно связи ниже, наши специалисты свяжутся с Вами, проконсультируют, расскажут про возможные способы решения Вашей задачи.