Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Podczas projektowania dowolnych obwodów elektrycznych wykonywane jest obliczanie mocy. Na tej podstawie dokonuje się wyboru podstawowych elementów i oblicza dopuszczalne obciążenie. Jeśli obliczenie obwodu prądu stałego nie jest trudne (zgodnie z prawem Ohma, konieczne jest pomnożenie natężenia prądu przez napięcie - P = U * I), to obliczenie mocy prądu przemiennego nie jest takie proste. Aby wyjaśnić, trzeba odwołać się do podstaw elektrotechniki, bez wchodzenia w szczegóły, podajemy krótkie podsumowanie głównych tez.
Całkowita moc i jej składniki
W obwodach prądu przemiennego moc obliczana jest z uwzględnieniem praw sinusoidalnych zmian napięcia i prądu. Pod tym względem wprowadzono koncepcję mocy całkowitej (S), która obejmuje dwa składniki: reaktywny (Q) i aktywny (P). Graficzny opis tych wielkości można wykonać za pomocą trójkąta mocy (patrz rys. 1).
Pod aktywnym komponentem (P) odnosi się do ładunku użytecznego (nieodwołalna konwersja energii elektrycznej na ciepło, światło itp.). Wartość ta jest mierzona w watach (W), na poziomie gospodarstwa domowego zwyczajowo oblicza się w kilowatach (kW), w sektorze produkcyjnym, w megawatach (mW).
Składnik reaktywny (Q) opisuje pojemnościowe i indukcyjne obciążenie elektryczne w obwodzie prądu przemiennego, jednostkę miary dla tej wielkości Var.
Zgodnie z graficzną reprezentacją relacje w trójkącie mocy można opisać przy użyciu elementarnych tożsamości trygonometrycznych, co umożliwia użycie następujących wzorów :
- S = √P 2 + Q 2, - dla pełnej mocy;
- i Q = U * I * cos φ, i P = U * I * sin φ - dla składników reaktywnych i aktywnych.
Obliczenia te dotyczą sieci jednofazowej (na przykład 220 V w gospodarstwie domowym), aby obliczyć moc sieci trójfazowej (380 V), należy dodać współczynnik √3 (z symetrycznym obciążeniem) do wzorów lub zsumować moce wszystkich faz (jeśli obciążenie jest asymetryczne).
Aby lepiej zrozumieć proces oddziaływania komponentów o pełnej mocy, rozważmy „czystą” manifestację obciążenia w postaci aktywnej, indukcyjnej i pojemnościowej.
Aktywne obciążenie
Weźmy hipotetyczny obwód, który wykorzystuje „czystą” rezystancję i odpowiednie źródło napięcia przemiennego. Graficzny opis działania takiego obwodu pokazano na rysunku 2, który pokazuje główne parametry dla określonego zakresu czasu (t).
Widzimy, że napięcie i prąd są zsynchronizowane w fazie i częstotliwości, podczas gdy moc jest dwukrotnie większa niż częstotliwość. Należy pamiętać, że kierunek tej wartości jest dodatni i stale rośnie.
Obciążenie pojemnościowe
Jak widać na rysunku 3, wykres charakterystyk obciążenia pojemnościowego różni się nieco od aktywnego.
Częstotliwość drgań mocy pojemnościowej jest dwukrotnie większa niż częstotliwość sinusoidy napięcia. Jeśli chodzi o całkowitą wartość tego parametru, wynosi on zero podczas jednego okresu harmonicznego. W tym przypadku nie obserwuje się również wzrostu energii (∆W). Wynik ten wskazuje, że jego ruch występuje w obu kierunkach łańcucha. Oznacza to, że gdy napięcie wzrasta, następuje nagromadzenie ładunku w zbiorniku. Gdy występuje ujemny półcykł, nagromadzony ładunek jest rozładowywany do obwodu obwodu.
W procesie magazynowania energii w ładowności i późniejszym rozładowaniu nie wykonuje się żadnej użytecznej pracy.
Obciążenie indukcyjne
Poniższy wykres pokazuje naturę „czystego” obciążenia indukcyjnego. Jak widać, zmienił się tylko kierunek mocy, a jeśli chodzi o akumulację, wynosi ona zero.
Negatywny wpływ obciążenia biernego
W powyższych przykładach rozważano opcje, w których występuje „czyste” obciążenie bierne. Współczynnik oddziaływania czynnego oporu nie był brany pod uwagę. W takich warunkach efekt reaktywny wynosi zero, co oznacza, że możesz go zignorować. Jak rozumiesz, w rzeczywistych warunkach jest to niemożliwe. Nawet gdyby istniało hipotetycznie takie obciążenie, nie można wykluczyć oporu przewodów miedzianych lub aluminiowych kabla koniecznego do podłączenia go do źródła zasilania.
Składnik reaktywny może przejawiać się w postaci ogrzewania aktywnych elementów obwodu, na przykład silnika, transformatora, przewodów łączących, kabla zasilającego itp. Wydaje się na to pewną ilość energii, co prowadzi do zmniejszenia głównych cech.
Moc bierna wpływa na obwód w następujący sposób:
- nie daje żadnej użytecznej pracy;
- powoduje poważne straty i nieprawidłowe obciążenia urządzeń elektrycznych;
- może spowodować poważny wypadek.
Dlatego, dokonując odpowiednich obliczeń obwodu elektrycznego, nie można wykluczyć wpływu obciążeń indukcyjnych i pojemnościowych i, jeśli to konieczne, przewidzieć wykorzystanie systemów technicznych do jego kompensacji.
Obliczanie zużycia energii
W codziennym życiu często trzeba się liczyć z obliczaniem poboru mocy, na przykład, aby sprawdzić dopuszczalne obciążenie okablowania przed podłączeniem odbiorcy elektrycznego intensywnie korzystającego z zasobów (klimatyzator, kocioł, kuchenka elektryczna itp.). Również w takich obliczeniach istnieje potrzeba wybrania wyłącznika dla rozdzielnicy, przez który mieszkanie jest podłączone do źródła zasilania.
W takich przypadkach obliczenie mocy przez prąd i napięcie nie jest konieczne, wystarczy zsumować zużycie energii przez wszystkie urządzenia, które można włączyć jednocześnie. Bez połączenia z obliczeniami możliwe jest znalezienie tej wartości dla każdego urządzenia na trzy sposoby:
- odnoszące się do dokumentacji technicznej urządzenia;
- patrząc na tę wartość na naklejce na tylnym panelu;
Zużycie energii przez urządzenie jest często wskazywane z tyłu. - Korzystanie z tabeli, która pokazuje średnie zużycie energii dla urządzeń gospodarstwa domowego.
Przy obliczaniu należy wziąć pod uwagę, że moc wyjściowa niektórych urządzeń elektrycznych może znacznie różnić się od mocy znamionowej. W przypadku urządzeń gospodarstwa domowego parametr ten prawie nigdy nie jest wskazany w dokumentacji technicznej, dlatego należy odwołać się do odpowiedniej tabeli, która zawiera średnie wartości parametrów mocy rozruchowej dla różnych urządzeń (pożądane jest wybranie wartości maksymalnej).