Потужність електричного струму - швидкість виконуваної ланцюгом роботи. Просте визначення, морока з розумінням. Потужність підрозділяється на активну, реактивну. І починається ...
Робота електричного струму, потужність
Під час руху заряду по провіднику поле виконує над ним роботу. Величина характеризується напругою, на відміну від напруженості у вільному просторі. Заряди рухаються в бік зменшення потенціалів, для підтримки процесу потрібно джерело енергії. Напруга чисельно дорівнює роботі поля при переміщенні на ділянці одиничного заряду (1 Кл). В ході взаємодій електрична енергія переходить в інші види. Тому необхідно ввести універсальної одиниці, фізичної вільно конвертованої валюти. В організмі мірою виступає АТФ, електриці - робота поля.
електрична дуга
На схемі момент перетворення енергії можна переглянути у вигляді джерел ЕРС. Якщо у генераторів спрямовані в одну сторону, у споживача - обов'язково в іншу. Наочним фактом відбивається процес витрати потужності, відбору у джерел енергії. ЕРС несе зворотний знак, часто називається протидії ЕРС. Уникайте плутати поняття з явищем, що виникають в індуктивностях при виключенні живлення. Проти-ЕРС означає перехід електричної енергії в хімічну, механічну, світлову.
Споживач хоче виконати роботу за деяку одиницю часу. Очевидно, газонокосильщик не має наміру чекати зими, сподівається впоратися до обіду. Потужність джерела повинна забезпечити задану швидкість виконання. Роботу здійснює електричний струм, отже, поняття також відноситься. Потужність буває активної, реактивної, корисною і потужністю втрат. Ділянки, що позначаються фізичними схемами опорами, на практиці шкідливі, є витратами. На резисторах провідників виділяється тепло, ефект Джоуля-Ленца веде до зайвої витрати потужності. Винятком назвемо нагрівальні прилади, де явище бажано.
Корисна робота на фізичних схемах позначається протидії ЕРС (звичайний джерело зі зворотним генератору напрямком). Для потужності є кілька аналітичних виразів. Іноді зручно використовувати одне, в інших випадках - інше (див. Рис.):
Вирази потужності струму
- Потужність - швидкість виконання роботи.
- Потужність дорівнює добутку напруги на струм.
- Потужність, що витрачається на теплове дію, дорівнює добутку опору на квадрат струму.
- Потужність, що витрачається на теплове дію, дорівнює відношенню квадрата напруги до опору.
Взявши струмовими кліщами простіше використовувати другу формулу. Незалежно від характеру навантаження порахуємо потужність. Тільки активну. Потужність визначена багатьма факторами, включаючи температуру. Під номінальним для приладу значенням розуміємо, що розвивається в сталому режимі. Для нагрівачів слід застосовувати третю, четверту формулу. Потужність залежить цілком і повністю від параметрів мережі живлення. Призначені для роботи з 110 вольт змінного струму в європейських умовах швидко згорять.
трифазні ланцюга
Новачкам трифазні ланцюга представляються складними, на ділі це більш елегантне технічне рішення. Навіть електрику будинком постачають трьома лініями. Усередині під'їзду ділять по квартирах. Більше бентежить те, що деякі прилади на три фази позбавлені заземлення, нульового проводу. Схеми з ізольованою нейтраллю. Нульовий провід не потрібен, ток повертається джерелу по фазним лініях. Зрозуміло, навантаження тут на кожну жилу підвищена. Вимоги ПУЕ окремо обумовлюють рід мережі. Для трифазних схем вводяться такі поняття, про які потрібно мати уявлення, щоб правильно порахувати потужність:
Трифазна ланцюг з ізольованою нейтраллю
- Фазною напругою, струмом називають, відповідно, різницю потенціалів і швидкість пересування заряду між фазою і нейтраллю. Зрозуміло, в обумовленому вище випадку з повною ізоляцією формули будуть недійсні. Оскільки нейтрали немає.
- Лінійною напругою, струмом називають, відповідно, різницю потенціалів або швидкість переміщення заряду між будь-якими двома фазами. Номери зрозумілі з контексту. Коли говорять про мережах 400 вольт, мають на увазі три дроти, різниця потенціалів з нейтраллю дорівнює 230 вольт. Лінійна напруга вище фазного.
Між напругою і струмом існує зсув фаз. Про що мовчить шкільна фізика. Фази збігаються, якщо навантаження 100% активна (прості резистори). Інакше з'являється зрушення. У індуктивності струм відстає від напруги на 90 градусів, в ємності - випереджає. Проста істина легко запам'ятовується наступним чином (плавно підходимо до реактивної потужності). Уявна частина опору індуктивності становить jωL, де ω - кругова частота, що дорівнює звичайній (в Гц), помноженої на 2 числа Пі; j - оператор, що позначає напрямок вектора. Тепер пишемо закон Ома: U = IR = I jωL.
З рівності видно: напруга потрібно відкласти вгору на 90 градусів при побудові діаграми, ток залишиться на осі абсцис (горизонтальна вісь Х). Обертання за правилами радіотехніки відбувається проти годинникової стрілки. Тепер очевидний факт: ток відстає на 90 градусів. За аналогією проведемо порівняння для конденсатора. Опір змінному струмі в уявної формі виглядає так: -j / ωL, знак вказує: відкладати напруга потрібно буде вниз, перпендикулярно осі абсцис. Отже, струм випереджає по фазі на 90 градусів.
В реальності паралельно з уявною частиною присутній дійсна - називають активним опором. Дріт котушки представлена резистором, будучи почтом, набуває індуктивні властивості. Тому реальний кут фаз буде не 90 градусів, трохи менше.
А тепер можна переходити до формул потужності струму трифазних ланцюгів. Тут лінія формує зрушення фаз. Між напругою і струмом, і щодо іншої лінії. Погодьтеся, без дбайливо викладених авторами знання факт не можна усвідомити. Між лініями промислової трифазної мережі зрушення 120 градусів (повний оборот - 360 градусів). Забезпечить рівномірність обертання поля в двигунах, для рядових споживачів байдужий. Так зручніше генераторів ГЕС - навантаження збалансована. Зрушення йде між лініями, в кожній ток випереджає напругу або відстає:
- Якщо лінія симетрична, зрушення між будь-якими фазами по току складають 120 градусів, формула виходить гранично простий. Але! Якщо навантаження симетрична. Подивимося зображення: фаза ф не 120 градусів, характеризує зрушення між напругою і струмом кожної лінії. Передбачається, включили двигун з трьома рівноцінними обмотками, виходить такий результат. Якщо навантаження несиметрична, потрудіться провести обчислення для кожної лінії окремо, потім скласти результати воєдино для отримання загальної потужності струму.
- Друга група формул наведена для трифазних ланцюгів з ізольованою нейтраллю. Передбачається, струм однієї лінії витікає з іншої. Нейтраль відсутня за непотрібністю. Тому напруги беруться не фазні (немає від чого відраховувати), як попередній формулою, а лінійні. Відповідно, цифри показують, який параметр слід взяти. Почекати лякатися грецьких букв - фази між двома перемножуємо параметрами. Цифри міняються місцями (1,2 або 2,1), щоб правильно врахувати знак.
- В асиметричній ланцюга знову з'являються фазні напруга, струм. Тут розрахунок ведеться окремо для кожної лінії. Ніяких варіантів немає.
Формули потужності струму
На практиці виміряти потужність струму
Натякнули, можна скористатися струмовими кліщами. Прилад дозволить визначити крейсерські параметри дрилі. Розгін можна засікти тільки при багаторазових дослідах, процес надзвичайно швидкий, частота зміни індикації не вище 3-х разів на секунду. Струмові кліщі демонструють похибку. Практика показує: досягти похибки, зазначеної в паспорті, складно.
Найчастіше для оцінки потужності використовують лічильники (для виплат компаніям-постачальникам), ватметри (для особистих і робочих цілей). Стрілочний прилад містить пару нерухомих котушок, по яких тече струм ланцюга, рухливу рамку, для закладу напруги шляхом паралельного включення навантаження. Конструкція розрахована відразу реалізувати формулу повної потужності (див. Рис.). Струм множиться на напругу і якийсь коефіцієнт, що враховує градуювання шкали, також на косинус зсуву фаз між параметрами. Як говорили вище, зрушення вміщується в межах 90 - мінус 90 градусів, отже, косинус додатний, крутний момент стрілки спрямований в одну сторону.
Відсутня можливість сказати индуктивная чи навантаження або місткість. Зате при неправильному включенні в ланцюг свідчення будуть негативними (завал набік). Відбудеться аналогічна подія, якщо споживач раптом стане віддавати потужність назад навантаженні (буває таке). У сучасних приладах відбувається щось подібне ж, обчислення веде електронний модуль, що інтегрує витрата енергії, або зчитує показання потужності. Замість стрілки присутній електронний індикатор і безліч інших корисних опцій.
Особливі проблеми викликають вимірювання в асиметричних ланцюгах з ізольованою нейтраллю, де не можна прямо складати потужності кожної лінії. Ватметри діляться принципом дії:
- Електродинамічні. Описано розділом. Складаються з одного рухомий, двох нерухомих котушок.
- Феродинамічні. Нагадує двигун з розщепленим полюсом (shaded-pole motor).
- З квадратором. Використовується амплітудно-частотна характеристика нелінійного елемента (наприклад, діода), що нагадує параболу, для зведення електричної величини в квадрат (використовується в обчисленнях).
- З датчиком Холла. Якщо індукцію зробити за допомогою котушки пропорційної напрузі магнітного поля в сенсорі, подати струм, ЕРС буде результатом множення двох величин. Шукана величина.
- Компаратори. Поступово підвищує опорний сигнал, поки не буде досягнуто рівність. Цифрові прилади досягають високої точності.
У ланцюгах з сильним зсувом фаз для оцінки втрат застосовується синусний ватметр. Конструкція схожа з розглянутою, просторове становище таке, що обчислюється реактивна потужність (див. Рис.). В цьому випадку твір струму і напруги домножимо на синус кута зсуву фаз. Реактивну потужність виміряємо звичайним (активним) ваттметром. Є кілька методик. Наприклад, в трифазній симетричній ланцюга потрібно послідовну обмотку включити в одну лінію, паралельну - в дві інші. Потім виробляються обчислення: показання приладу множаться на корінь з трьох (з урахуванням, що на індикаторі твір струму, напруги і синуса кута між ними).
Методика двох ватметрів
Для трифазного ланцюга з простою асиметрією завдання ускладнюється. На малюнку показана методика двох ватметрів (феродинамічні або електродинамічних). Почала обмоток вказані зірочками. Струм проходить через послідовні, напруга з двох фаз подається на паралельну (одне через резистор). Алгебраїчна сума показань обох ватметрів складається, множиться на корінь з трьох для отримання значення реактивної потужності.