Меню

Как найти амплитудное значение активной мощности

Теоретические основы. Электрическое напряжение. Сила переменного, постоянного тока. Мощность. Действующее, эффективное, амплитудное значения

Немного теории об электрике. Постоянный и переменный ток. Действующие, эффективные, амплитудные значения напряжения. Мощность (10+)

Самоучитель электрика — Теоретические основы

Теоретические основы

Электрическое напряжение и сила тока

Не думаю, что имеет смысл останавливаться на формальном определении напряжения и силы тока. Лучше объясню на примерах.

Электрическое напряжение влияет на то, насколько тщательно надлежит изолировать проводники. Чем выше напряжение, тем больше вероятность пробоя изоляции. На более высокое напряжение нужна более надежная изоляция. Оголенные провода под более высоким напряжением нужно размещать дальше друг от друга, от других электропроводных материалов и от земли. Электрическое напряжение измеряется в вольтах (В).

Более высокое напряжение представляет большую опасность. Но не следует думать, что низкое напряжение совершенно безопасно. Ущерб здоровью от электрического удара зависит от силы тока, который прошел через организм и его траектории. А сила тока уже зависит от напряжения и сопротивления. Сопротивление человеческого организма определяется сопротивлением кожного покрова. Внутренние органы и среды отлично проводят ток. Сопротивление кожи может меняться в десятки раз в зависимости от эмоционального состояния, физической нагрузки, влажности и еще десятка факторов. Отмечены случаи смертельного удара электрического тока напряжением 12 вольт.

Сила электрического тока определяет, какие провода нужно использовать. Чем выше сила тока, тем толще провод нужен. Сила электрического тока измеряется в амперах (А).

Переменный и постоянный ток

В самом начале эры электричества потребителям пытались подводить постоянный ток. Но возникла проблема. Транспортировать на большие расстояния электрическую энергию напряжением 220 вольт невозможно. С другой стороны, подводить к домам напряжение в несколько тысяч вольт опасно, да и конструировать бытовые приборы, работающие от такого напряжения, очень сложно, а производить — дорого. Встал вопрос о преобразовании напряжения. Нужно было довести до поселка напряжение в 10 тысяч вольт, а в поселке получить и развести по домам 220 вольт. В результате перешли на переменный ток. Напряжение переменного тока легко преобразовывать. Делается это с помощью трансформатора. Производить такое напряжение тоже не сложно. Генераторы переменного тока оказались даже проще генераторов постоянного.

Сейчас преобразовывать постоянное напряжение тоже перестало быть проблемой. Но экономического смысла в переходе обратно на постоянный ток нет.

В настоящий момент бытовая электрическая сеть запитана переменным электрическим напряжением с частотой 50 Гц. Напряжение изменяется по синусоидальному закону. Это означает, что напряжение в сети 50 раз в секунду выполняет следующий маневр. Оно от нуля постепенно возрастает до амплитудного значения 310 вольт, затем убывает до нуля и далее до -310 вольт, потом опять возрастает до нуля. Этот цикл постоянно повторяется. В этом случае говорят, что напряжение в сети равно 220 вольт. О том, почему не 310, чуть позже.

За рубежом встречается напряжение сети 220, 127 и 110 вольт, частота 50, 60 Гц.

Мощность, действующее (эффективное) и амплитудное значение напряжения и тока

Электрический ток нам нужен для того, чтобы производить некоторую работу (вращать двигатели, греть батареи и т. д.). То, какую работу может выполнить электрический ток за одну секунду, можно определить, умножив напряжение на силу тока. Так, если мы говорим, что электронагреватель, рассчитанный на 220 вольт, имеет мощность 2.2 кВт, это означает, что он будет потреблять электрический ток 10 А. Наша лампочка 100 Вт потребляет 0.45 А.

Мощность измеряется в ваттах (Вт). Электрический ток силой 1 А при напряжении 1 В выделяет мощность 1 Вт.

Приведенная формула верна как для постоянного, так и для переменного тока. Но для переменного тока она усложняется. Нужно перемножить значение силы тока на напряжение в каждый момент времени, просуммировать и разделить на длительность этого момента. А у переменного тока напряжение и сила постоянно меняются. Выполнить такие вычисления не сложно, но трудоемко, нужно брать интеграл. Поэтому введено понятие действующего (эффективного) значения напряжения и силы тока.

Действующее значение, грубо говоря, это некоторое усредненное значение силы тока и напряжения, подобранное таким образом, чтобы при подключении нагрузки рассеиваемая мощность была равна их произведению.

Читайте также:  Мощность травматических пистолетов таблица сравнения

Для переменного тока говорят о амплитудном и действующем значениях напряжения и силы тока. Амплитудное значение — максимально возможное значение, до которого повышается напряжение (сила тока). Для синусоидального переменного тока амплитудное значение равно действующему, умноженному на корень квадратный из двух. Вот откуда берется 310 и 220 вольт. 310 — амплитудное значение напряжения, а 220 — действующее.

В бытовой сети переменного тока нередко напряжение отличается от 220 вольт. Некоторые электроприборы к этому чувствительны, тогда применяются стабилизаторы переменного напряжения.

Способность пробивать изоляционные материалы и оказывать поражающее действие зависит от амплитудного значения напряжения. Способность производить полезную работу или выделять тепловую энергию зависит от действующего значения напряжения.

Требования к проводу и электрическим соединениям определяются действующим значением силы тока.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Задать вопрос электрику онлайн Здесь Вы можете спросить меня про электропроводку, электрику и другие тонкости электромонтажа. Читать дальше.

Сварочный ток. Положение электрода. Резка металла сваркой.
Оптимальные сварочный ток и положение электрода. Резка сваркой.

Мобильный интернет, модем, Wi-Fi адаптер завешивает, подвешивает компь.
Подключение мобильного модема или Wi-Fi адаптера в USB завешивает компьютер. Что.

Чтобы не замерз наружный водопровод. Правильное строительство, прокл.
Водопровод своими руками. Внешний, незамерзающий. Прокладка водопроводных труб з.

Почему крошится, трескается, разрушается бетон в фундаменте, дорожке, .
Залили летом дорожку и фундамент. После зимы видны серьезные разрушения, наблюда.

Заземление ноутбука или телевизора, чтобы не бил электричеством.
Как заземлить бытовой прибор в пластмассовом корпусе: ноутбук, телевизор и други.

Электростанция, резервный, автономный электрогенератор. Дизельгенерато.
Как установить и подключить резервный автономный генератор. Практический опыт, о.

Источник



Переменный электрический ток

Переменный ток (AC — Alternating Current) — электрический ток, меняющий свою величину и направление с течением времени.

Часто в технической литературе переменным называют ток, который меняет только величину, но не меняет направление, например, пульсирующий ток.
Необходимо помнить при расчётах, что переменный ток в этом случае является лишь составляющей частью общего тока.
Такой вариант можно представить как переменный ток AC с постоянной составляющей DC. Либо как постоянный ток с переменной составляющей, в зависимости от того, какая составляющая наиболее важна в контексте.

DC — Direct Current — постоянный ток, не меняющий своей величины и направления.

В реальности постоянный ток не может сохранять свою величину постоянной, поэтому существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины, либо в качестве составляющей (DC) для периодически меняющегося электрического тока любой формы. Тогда величина DC будет равна среднему значению тока за период, и будет являться нулевой линией для переменной составляющей AC.

При синусоидальной форме тока, например в электросети, постоянная составляющая DC равна нулю.

Постоянный ток с переменной составляющей в виде пульсаций показан синей линией на верхнем графике рисунка.
Запись AC+DC в данном случае не является математической суммой, а лишь указывает на две составляющие тока. Суммируются мощности.
Величина тока будет равна квадратному корню из суммы квадратов двух величин — значения постоянной составляющей DC и среднеквадратичного значения переменной составляющей AC.

Термины AC и DC применимы как для тока, так и для напряжения.

Параметры переменного тока и напряжения

Величина переменного тока, как и напряжения, постоянно меняется во времени. Количественными показателями для измерений и расчётов применяются их следующие параметры:

Период T — время, в течении которого происходит один полный цикл изменения тока в оба направления относительно нуля или среднего значения.

Частота f — величина, обратная периоду, равная количеству периодов за одну секунду.
Один период в секунду это один герц (1 Hz)

f = 1 /T

Циклическая частота ω — угловая частота, равная количеству периодов за секунд.

Читайте также:  Как увеличить мощность ядер

ω = 2πf = 2π/T

Обычно используется при расчётах тока и напряжения синусоидальной формы. Тогда в пределах периода можно не рассматривать частоту и время, а исчисления производить в радианах или градусах. T = 2π = 360°

Начальная фаза ψ — величина угла от нуля (ωt = 0) до начала периода. Измеряется в радианах или градусах. Показана на рисунке для синего графика синусоидального тока.

Начальная фаза может быть положительной или отрицательной величиной, соответственно справа или слева от нуля на графике.

Мгновенное значение — величина напряжения или тока измеренная относительно нуля в любой выбранный момент времени t.

i = i(t); u = u(t)

Последовательность всех мгновенных значений в любом интервале времени можно рассмотреть как функцию изменения тока или напряжения во времени.
Например, синусоидальный ток или напряжение можно выразить функцией:

i = I ampsin(ωt); u = U ampsin(ωt)

С учётом начальной фазы:

i = I ampsin(ωt + ψ); u = U ampsin(ωt + ψ)

Здесь I amp и U amp — амплитудные значения тока и напряжения.

Амплитудное значение — максимальное по модулю мгновенное значение за период.

I amp = max|i(t)|; U amp = max|u(t)|

Может быть положительным и отрицательным в зависимости от положения относительно нуля.
Часто вместо амплитудного значения применяется термин амплитуда тока (напряжения) — максимальное отклонение от нулевого значения.

Среднее значение (avg) — определяется как среднеарифметическое всех мгновенных значений за период T.

Среднее значение является постоянной составляющей DC напряжения и тока.
Для синусоидального тока (напряжения) среднее значение равно нулю.

Средневыпрямленное значение — среднеарифметическое модулей всех мгновенных значений за период.

Для синусоидального тока или напряжения средневыпрямленное значение равно среднеарифметическому за положительный полупериод.

Среднеквадратичное значение (rms) — определяется как квадратный корень из среднеарифметического квадратов всех мгновенных значений за период.

Для синусоидального тока и напряжения амплитудой I amp (U amp) среднеквадратичное значение определится из расчёта:

Среднеквадратичное — это действующее, эффективное значение, наиболее удобное для практических измерений и расчётов. Является объективным количественным показателем для любой формы тока.
В активной нагрузке переменный ток совершает такую же работу за время периода, что и равный по величине его среднеквадратичному значению постоянный ток.

Коэффициент амплитуды и коэффициент формы

Для удобства расчётов, связанных с измерением действующих значений при искажённых формах тока, используются коэффициенты, которыми связаны между собой амплитудное, среднеквадратичное и средневыпрямленное значения.

Коэффициент амплитуды — отношение амплитудного значения к среднеквадратичному.
Для синусоидального тока и напряжения коэффициент амплитуды KA = √2 ≈ 1.414
Для тока и напряжения треугольной или пилообразной формы коэффициент амплитуды KA = √3 ≈ 1.732
Для переменного тока и напряжения прямоугольной формы коэффициент амплитуды KA = 1

Коэффициент формы — отношение среднеквадратичного значения к средневыпрямленному.
Для переменного синусоидального тока или напряжения коэффициент формы KФ ≈ 1.111
Для тока и напряжения треугольной или пилообразной формы KФ ≈ 1.155
Для переменного тока и напряжения прямоугольной формы KФ = 1

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник

Активная мощность цепи переменного тока

Мощностные характеристики установки или сети являются основными для большинства известных электрических приборов. Активная мощность (проходящая, потребляема) характеризует часть полной мощности, которая передается за определенный период частоты переменного тока.

Определение

Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах.

Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами. Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:

Прибор Мощность бытовых приборов, Вт/час
Зарядное устройство 2
Люминесцентная лампа ДРЛ От 50
Акустическая система 30
Электрический чайник 1500
Стиральной машины 2500
Полуавтоматический инвертор 3500
Мойка высокого давления 3500

Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества.

Читайте также:  Стенд для проверки электрооборудования мощность

Обозначение реактивной составляющей:

Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую.

Расчет

Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.

Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

Q L = U LI = I 2 x L

Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I .

Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

Сопротивление индуктивности: x L = ωL = 2πfL,

Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства.

При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Компенсация

Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0:

Q = QL — QC = ULI – UCI

Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым.

При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит:

  1. Значительно уменьшается нагрузка силовых трансформаторов;
  2. Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;
  3. У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;
  4. На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.

В некоторых случаях специалисты используют не полноценные ИБП, а специальные компенсирующие конденсаторы. Они подходят для бытового использования, доступны и продаются в каждом электротехническом магазине. Для расчета планируемой и полученной экономии можно использовать все вышеперечисленные формулы.

Источник