Расчет мощности трехфазной сети
Электрическая энергия на все объекты изначально поступает через трехфазную сеть. В частные дома она может заводиться напрямую, а в многоквартирном доме доходит лишь до вводного распределительного устройства. Далее по квартирам расходятся уже однофазные линии. В любом случае потребуется выполнить расчет мощности трехфазной сети, чтобы заранее определить ее способность выдерживать запланированные нагрузки по току. Для того чтобы сделать правильные вычисления, нужно знать особенности таких сетей. Все необходимые расчеты выполняются вручную при помощи формул или с использованием онлайн-калькулятора.
Специфика и особенности трехфазных сетей
Трехфазные электрические сети наиболее эффективно передают ток через промежуточные звенья, вплоть до потребителя. В процессе доставки потери энергии минимальны.
Наличие трехфазной сети в квартире или частном доме очень легко определить. Для этого нужно просто заглянуть в щиток и посчитать количество проводов. Если в наличии 2 или 3 проводника, значит сеть однофазная. В ней два провода являются фазой и нулем. При наличии заземления может быть третий провод. В трехфазных сетях проводов больше на два из-за двух дополнительных фаз. При отсутствии заземления – их всего четыре, а при наличии заземляющего контура – пять.
Эту же задачу можно решить и с помощью вводного автоматического выключателя. К нему также подводится определенное количество проводов, подключаемых в соответствующие клеммы.
В процессе эксплуатации трехфазной сети велика вероятность неравномерного распределения нагрузки по отдельным фазам. Если к одной из них будет подключено только мощное оборудование, а к другим – обычные бытовые приборы, в этом случае может возникнуть ситуация, называемая перекосом фаз. В результате асимметрии тока и напряжения, отдельные потребители могут выйти из строя. Во избежание негативных последствий, нагрузка должна быть равномерно спланирована еще на стадии проектирования и выполнен расчет мощности трехфазной сети.
Читайте также:
Энергия заряженного конденсатора. Формула
Трехфазная сеть, по сравнению с однофазной, отличается большим количеством кабельно-проводниковой продукции, автоматов и других устройств. К ней подключается специфическое трёхфазное оборудование Суммарная мощность будет выше ровно в три раза. Значение мощности рассчитывается по току и напряжению с использованием формул.
Расчет мощности потребителей
В первую очередь нужно заранее установить объемы потребляемой электроэнергии. Для этого суммируется мощность всех потребителей, находящихся в доме. Сюда входит мощное оборудование, обычная бытовая техника и осветительные приборы. У некоторых хозяев этот список может быть дополнен теплыми электрическими полами.
Все необходимы сведения можно посмотреть в техническом паспорте, который прилагается к каждому устройству. На некоторые приборы наносится соответствующая маркировка. Вначале идут самые мощные агрегаты и далее – все остальное оборудование, по мере уменьшения мощности.
Для вычислений берется стиральная машина-автомат, мощностью 2600 Вт, электрический водонагреватель – 1900 Вт, утюг – 1500 Вт, пылесос – 1000 Вт, микроволновка – 800 Вт, компьютер и оргтехника – 600 Вт, осветительные приборы (с лампами эконом) – 400 Вт, холодильник – 300 Вт, телевизор – 100 Вт. Итоговый результат получился 9200 Вт и его необходимо перевести в киловатты. Для этого 9200 Вт делится на 1000, получается 9,2 кВт, что и будет расчетным потреблением электроэнергии.
С данной мощностью может справиться и одна фаза, однако в частных домах устанавливается более мощное оборудование, для работы которого лучше пользоваться сетями 380в. В этом случае гарантируется бесперебойное функционирование отопительных и водонагревательных котлов, насосов, электродвигателей и других агрегатов.
Как рассчитать трехфазную сеть
В качестве примера можно взять некие производственные площади с установленным оборудованием и по этим исходным данным делать расчет мощности трехфазного тока.
Читайте также:
Мощность короткого замыкания
В каждом станке используется электродвигатель. Их общая мощность Ру1 составляет 50 кВт, с учетом активной мощности. Кроме того, в помещении установлены осветительные приборы общей мощностью (Ру2) – 3 кВт. Символ Ру обозначает величину установленной суммарной мощности для конкретных групп потребителей. Работа оборудования осуществляется от трехфазной сети с 4 проводами и номинальным напряжением 380 В.
Кроме того, при расчетах учитывается коэффициент спроса Кс, действующий в режиме максимальной нагрузки. Он учитывает наивысшее количество включений потребителей данной группы. Для электродвигателей Кс1 берется с учетом величины их загруженности и составляет 0,35. Для приборов освещения Кс2 составляет 0,9. Все потребители выравниваются усредненным коэффициентом мощности cos φ = 0,75.
Расчеты начинаются с определения силовой нагрузки Р1 = 0,35 х 50 = 17,5 кВт. Далее рассчитывается осветительная нагрузка Р2 = 0,9 х 3 = 2,7 кВт. Таким образом, величина полной расчетной нагрузки составит Р = Р1 + Р2 = 17,5 + 2,7 = 20,2 кВт.
Для определения и расчета тока используется формула I = (1000 x P)/(1,73 x Uн x cos φ), в которой Р является расчетной мощностью потребителей, Uн – номинальным напряжением 380 вольт, cos φ – коэффициентом мощности.
Подставив нужные значения, находим значение силы и мощности по току: I = (1000 x 20,2)/(1,73 x 380 x 0,75) = 41 А. Полученный результат дает возможность узнать, сможет ли сеть обеспечить нормальную работу потребителей.
Использование калькулятора для расчета мощности
Онлайн-калькулятор существенно ускоряет проведение расчетов мощности в трехфазной сети. Для этого должны быть заранее известны мощность и характер нагрузки – активной и реактивной, сетевое напряжение, а также тип сети – одно- или трехфазный. Все параметры рассчитываются по формулам и методикам, приведенным выше. Достаточно всего лишь вставить в окна необходимые данные и нажать кнопку «Рассчитать ток». В окне с обозначением тока в А появится искомый результат, показывающий величину тока по мощности.
Как считать электрическую мощность?
Чтобы обеспечить нормальное функционирование электрической проводки, необходимо ещё на этапе проектирования правильно рассчитать мощность, подобрать кабель подходящего сечения. От этого зависит не только срок эксплуатации системы, но и пожаробезопасность сооружения. Если выбрать сечение ошибочно или неправильно рассчитать мощность, можно столкнуться с такими опасными последствиями, как возгорание электропроводки, короткие замыкания, пожар и пр. При выборе оборудования и кабельно-проводниковой продукции важно учитывать разные критерии, среди которых напряжение, сила тока, особенности эксплуатации сети.
Формула расчёта
В уже функционирующей сети измерить мощность электрического тока можно при помощи специального оборудования. Что же делать на этапе проектирования? Ведь самой цепи ещё нет. В этом случае применяется расчётный метод.
Существует два вида мощности: активная и реактивная. Активная превращается в полезную энергию безвозвратно, считается полезной. Реактивная предусматривает затрату определенного (расчетного согласно установленного оборудования и типа оборудования) количества энергии.
В нашем случае реактивная мощность нам не интересна, и мы не будем ее рассчитывать!
В цепях переменного тока, ток и напряжения сдвигаются относительно друг друга.
Этот сдвиг на угол cos обозначается буквой φ (фи).
При расчёте мощности электрической мощности следует учитывать тип сети:
P=U*I*cosφ — для однофазной;
P=√3*U*I*cosφ — для трехфазной.
U – это напряжение сети,
I – сила тока,
cosφ – коэффициент мощности.
cosφ – коэффициент мощности, это паспортная величина оборудования, если не известно о типе оборудования (например, квартиры), то cosφ – расчетный и берется из инструкции по проектированию (СП 256.1325800.2016)
Зависимость коэффициента мощности
Чтобы рассчитать полную (Обращаем внимание, что имеется ввиду установленная, т.е. полная мощность) мощность, необходимо определить суммарную мощность всей техники и оборудования, которые будут эксплуатироваться, и подключаться к данной электрической сети. Это можно узнать путём суммирования мощностей приборов (этот показатель указан в паспорте товара).
При определении коэффициента мощности учитывается характер нагрузки. К примеру, для нагревательного оборудования он близится к 1. Важно учитывать, что любая активная нагрузка предполагает незначительную реактивную составляющую, поэтому коэффициент мощности будет равен не 1, а 0,95. Для более мощных приборов – 0,8. Напряжение для однофазных цепей принимается 220 В, для трехфазных – 380 В.
Как рассчитать мощность трехфазного тока
Мощность постоянного тока в электрической цепи определяется простым способом, путем умножения силы тока и напряжения. Эти величины являются постоянными и не подвержены изменениям во времени, поэтому и значение мощности будет постоянным, поскольку вся система находится в уравновешенном состоянии.
Переменный ток по всем параметрам отличается от постоянного, особенно наличием количества фаз. Очень часто возникают ситуации, когда нужно выполнить расчет мощности трехфазного тока, для того чтобы правильно определить характеристики подключаемой нагрузки. Проведение таких расчетов требует специальных знаний о работе трехфазной системы питания. Трехфазные сети, наряду с однофазными, получили широкое распространение в связи с низкими материальными затратами и удобством эксплуатации.
Характеристики трехфазной системы
Трехфазные цепи как правило соединяются двумя основными способами – звездой (рис. 1) и треугольником, который будет рассмотрен ниже. На всех схемах для более удобного пользования фазы обозначаются символами А, В, С или U, V, W.
При использовании схемы «звезда» (рис. 1), значение суммарного напряжения в точке пересечения фаз N является равным нулю. В этом случае трехфазный ток, по сравнению с однофазным, будет обладать постоянной мощностью. Данное положение указывает на уравновешенность трехфазной системы, а мгновенная полная мощность будет выражена в виде формулы:
Соединение звездой характеризуется двумя видами напряжения – фазным (рис. 2) и линейным (рис. 3). В первом случае напряжение определяется между одной из фаз и нулевой точной пересечения N. Линейное напряжение соответствует напряжению, существующему между самими фазами.
Таким образом, значение полной мощности для соединения звездой отображается следующей формулой:
Однако следует учитывать разницу между линейным и фазным напряжением, составляющую √3. Поэтому считать необходимо сумму мощностей всех фаз. Для расчетов активной мощности применяется формула Р = 3 х Uф х Iф х cosφ, а для реактивной – Р = √3 х Uл х Iф х cosφ.
Другим распространенным способом фазного соединения считается «треугольник».
Данный вид соединения предполагает одинаковое значение фазного (Uф) и линейного (Uл) напряжения. Соотношение между фазными и линейными токами определяется в виде формулы I = √3 х Iф, в соответствии с которой значение фазного тока составит Iф = I х √3.
Таким образом, мощности линейных величин при данном способе соединения будут выражаться с помощью следующих формул:
- Полная мощность: S = 3 х Sф = √3 х U х I;
- Активная мощность: Р = √3 х U х I х cosφ;
- Реактивная мощность: Q = √3 х U х I х sinφ.
Мощность трехфазной электрической цепи
Трехфазная электрическая цепь является совокупностью трех однофазных, поэтому активная и реактивная мощности трехфазной цепи равняются сумме соответствующих мощностей отдельных фаз.
Для схемы соединения фаз потребителя «звездой» активная мощность трехфазной электрической цепи 
; для схемы соединения «треугольником» 
. Активная мощность фазы потребителя
Реактивная мощность для схемы «звезда»: 
, для «треугольника»: 
.
Реактивная мощность фазы
Полная мощность трехфазной цепи
Комплексная форма мощности схемы «звезда»
,
для схемы «треугольник»
.
У симметричного потребителя мощности всех фаз одинаковы. Тогда
Мощность симметричного потребителя определяется также через линейные напряжения и токи. При соединении «звезда» , поэтому
При соединении «треугольник» ; мощности — совпадают с формулой
Таким образом, для симметричного потребителя формулы мощности не зависят от схемы соединения потребителя. В трехфазной симметричной системе сумма мгновенных значений мощностей — величина постоянная и равняется активной мощности трехфазной цепи:
Мощность симметричной или несимметричной трехпроводной системы может измеряться всего двумя ваттметрами. Действительно, поскольку , то
Один ваттметр включают под ток ia и напряжение uac, второй — под ток ib и напряжение ubc (рис. 1).
Для измерения активной мощности в четырехпроводной несимметричной системе необходимо три ваттметра — по одному в каждой фазе.
Реактивную мощность Q трехфазной симметричной электрической цепи измеряют одним ваттметром, предназначенным для измерения активной мощности, если его включить так, как показано на рис. 2, а.
Действительно, из векторной диаграммы, (рис. 2, б) и схемы включения (а) следует, что ваттметр показывает:
Чтобы найти реактивную мощность всей симметричной цепи, достаточно показания ваттметра умножить на .
В автономной энергосистеме (рис. 3) механическая энергия привода мощностью 30 кВт преобразуется в трехфазном генераторе в электрическую — мощностью 26,4 кВт (КПД генератора 0,88).
По трехпроводной линии эта энергия поступает к потребителю для освещения и на приводы трехфазных двигателей. Чтобы повысить (до 0,9) коэффициент мощности 
нагрузки (двигатели имеют 
0,5 и 0,85), параллельно потребителю включена батарея конденсаторов ( по 160 мкФ в каждой фазе). Наличие двух уровней напряжений в зависимости от включения потребителя дает возможность включать без трансформатора потребители с разными номинальными напряжениями: к трехпроводной линии с напряжением UЛ = 220 В по схеме «звезда» подключим двигатель с номинальными напряжениями (220/380) В. Осветительная нагрузка равномерно распределяется между фазами А, В, С и включена по схеме «треугольник» на номинальное напряжение 220 В. Три батареи конденсаторов включены по схеме «треугольник», что дает возможность, в сравнении со схемой «звезда», при той же самой реактивной мощности конденсаторов QC втрое уменьшить емкость. Из выражений
получается, что .
Для определения емкостей рассчитывается:
активная мощность
реактивная мощность
и полная мощность всех потребителей без батарей емкостей.
Угол до компенсации:
Для желаемого угла по формуле определяется емкость для каждой батареи:
В автономной трехфазной системе выполняется условие баланса трех мощностей: активной, реактивной и полной.
Для системы (рис.3) Рист = 26,4 кВт равняется суммарной активной мощности потребителя.