Как найти мощность, зная силу тока, напряжение и сопротивление

В физике достаточно много внимания уделено энергии и мощности устройств, веществ или тел. В электротехнике эти понятия играют не менее важную роль чем в других разделах физики, ведь от них зависит насколько быстро установка выполнит свою работу и какую нагрузку понесут линии электропередач. Исходя из этих сведений подбираются трансформаторы для подстанций, генераторы для электростанций и сечение проводников передающих линий. В этой статье мы расскажем, как найти мощность электрического прибора или установки, зная силу тока, напряжение и сопротивление.

Определение

Мощность – это скалярная величина. В общем случае она равна отношению выполненной работы ко времени:

P=dA/dt

Простыми словами эта величина определяет, как быстро выполняется работа. Она может обозначаться не только буквой P, но и W или N, измеряется в Ваттах или киловаттах, что сокращенно пишется как Вт и кВт соответственно.

Электрическая мощность равна произведению тока на напряжение или:

P=UI

Как это связано с работой? U – это отношение работы по переносу единичного заряда, а I определяет, какой заряд прошёл через провод за единицу времени. В результате преобразований и получилась такая формула, с помощью которой можно найти мощность, зная силу тока и напряжение.

Формулы для расчётов цепи постоянного тока

Проще всего посчитать мощность для цепи постоянного тока. Если есть сила тока и напряжение, тогда нужно просто по формуле, приведенной выше, выполнить расчет:

P=UI

Но не всегда есть возможность найти мощность по току и напряжению. Если вам они не известны – вы можете определить P, зная сопротивление и напряжение:

P=U²/R

Также можно выполнить расчет, зная ток и сопротивление:

P=I²*R

Последними двумя формулами удобен расчёт мощности участка цепи, если вы знаете R элемента I или U, которое на нём падает.

Для переменного тока

Однако для электрической цепи переменного тока нужно учитывать полную, активную и реактивную, а также коэффициент мощности (соsФ). Подробнее все эти понятия мы рассматривали в этой статье: https://samelectrik.ru/chto-takoe-aktivnaya-reaktivnaya-i-polnaya-moshhnost.html.

Отметим лишь, что чтобы найти полную мощность в однофазной сети по току и напряжению нужно их перемножить:

S=UI

Результат получится в вольт-амперах, чтобы определить активную мощность (ватты), нужно S умножить на коэффициент cosФ. Его можно найти в технической документации на устройство.

P=UIcosФ

Для определения реактивной мощности (вольт-амперы реактивные) вместо cosФ используют sinФ.

Q=UIsinФ

Или выразить из этого выражения:

И отсюда вычислить искомую величину.

Найти мощность в трёхфазной сети также несложно, для определения S (полной) воспользуйтесь формулой расчета по току и фазному напряжению:

S=3U_ф/_ф

А зная Uлинейное:

S=1,73*U_лI_л

1,73 или корень из 3 – эта величина используется для расчётов трёхфазных цепей.

Тогда по аналогии чтобы найти P активную:

P=3U_ф/_ф*cosФ=1,73*U_лI_л*cosФ

Определить реактивную мощность можно:

Q=3U_ф/_ф*sinФ=1,73*U_лI_л*sinФ

На этом теоретические сведения заканчиваются и мы перейдём к практике.

Пример расчёта полной мощности для электродвигателя

Мощность у электродвигателей бывает полезная или механическая на валу и электрическая. Они отличаются на величину коэффициента полезного действия (КПД), эта информация обычно указана на шильдике электродвигателя.

Отсюда берём данные для расчета подключения в треугольник на Uлинейное 380 Вольт:

1. P_{на валу}=160 кВт = 160000 Вт
2. n=0,94
3. cosФ=0,9
4. U=380

Тогда найти активную электрическую мощность можно по формуле:

P=P_{на валу}/n=160000/0,94=170213 Вт

Теперь можно найти S:

S=P/cosφ=170213/0,9=189126 Вт

Именно её нужно найти и учитывать, подбирая кабель или трансформатор для электродвигателя. На этом расчёты окончены.

Расчет для параллельного и последовательного подключения

При расчете схемы электронного устройства часто нужно найти мощность, которая выделяется на отдельном элементе. Тогда нужно определить, какое напряжение падает на нём, если речь идёт о последовательном подключении, или какая сила тока протекает при параллельном включении, рассмотрим конкретные случаи.

Здесь Iобщий равен:

I=U/(R1+R2)=12/(10+10)=12/20=0,6

Общая мощность:

P=UI=12*0,6=7,2 Ватт

На каждом резисторе R1 и R2, так как их сопротивление одинаково, напряжение падает по:

U=IR=0,6*10=6 Вольт

И выделяется по:

P_{на резисторе}=UI=6*0,6=3,6 Ватта

Тогда при параллельном подключении в такой схеме:

Сначала ищем I в каждой ветви:

I₁=U/R₁=12/1=12 Ампер

I₂=U/R₂=12/2=6 Ампер

И выделяется на каждом по:

P_R1

=12*6=72 Ватта

P_R2=12*12=144 Ватта

Выделяется всего:

P=UI=12*(6+12)=216 Ватт

Или через общее сопротивление, тогда:

R_общее=(R₁*R₂)/( R₁+R₂)=(1*2)/(1+2)=2/3=0,66 Ом

I=12/0,66=18 Ампер

P=12*18=216 Ватт

Все расчёты совпали, значит найденные значения верны.

Заключение

Как вы могли убедиться найти мощность цепи или её участка совсем несложно, неважно речь идёт о постоянке или переменке. Важнее правильно определить общее сопротивление, ток и напряжение. Кстати этих знаний уже достаточно для правильного определения параметров схемы и подбора элементов – на сколько ватт подбирать резисторы, сечения кабелей и трансформаторов. Также будьте внимательны при расчёте S полной при вычислении подкоренного выражения. Стоит добавить лишь то, что при оплате счетов за коммунальные услуги мы оплачиваем за киловатт-часы или кВт/ч, они равняются количеству мощности, потребленной за промежуток времени. Например, если вы подключили 2 киловаттный обогреватель на пол часа, то счётчик намотает 1 кВт/ч, а за час – 2 кВт/ч и так далее по аналогии.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Также читают:

samelectrik.ru

Расчет мощности по сопротивлению и напряжению онлайн. Электрическая мощность: формула, единицы измерения.

Иногда можно услышать такой простой вопрос: «какая мощность в розетке?». Ответ, как ни странно, чаще всего такой: 10 ампер. Или – 220 вольт. Понятно, что вопрос – дурацкий. Но и объяснение не лучше – «А на розетке так написано».

Мощность и ток

Если правильно отвечать на поставленный вопрос, то для читателей, прогуливающих в детстве уроки физики, можно сказать, что мощность электричества зависит от двух величин:

• величины напряжения;
• силы тока.

В общем, эти две величины определяют величину мощности как переменного, так и постоянного тока. Память может подсказать что-то типа: для участка цепи, для полной цепи. Это отголоски того же школьного учебника физики, где говорится о законе Ома.

Да, этот знаменитый закон и позволяет рассчитать мощность электрического тока. Конечно, школьная программа представляла этот закон для цепей постоянного тока, но суть от этого не меняется. Формула вечная и неизменная: P = U х I.

Перефразируя закон ома в простой язык, получаем простой ответ на вопрос о мощности в розетке: сила тока зависит от нагрузки.

Тривиальное понятие этого тезиса позволит не производить элементарных действий, постоянно совершаемых нами, или окружающими нас людьми:

• включать один электрический удлинитель в другой, втыкая в оба все доступные вилки от разных, иногда достаточно мощных, потребителей электроэнергии;
• подключать к севшему аккумулятору автомобиля другой, соединяя их проводами от старой электропроводки;
• наращивать провода от электрического чайника кабелем с витой парой;
• устанавливать в гараже нагреватель, мощностью 5 квт, подключая его к обыкновенной розетке.

Аналогичные примеры неграмотных действий можно приводить до бесконечности. Человеческая беспечность не знает границ. Чтобы больше не допускать подобных ошибок, давайте разберем как правильно производить расчет электрической мощности.

Чайник и электрическая мощность

Не забивая головы простейшими формулами (есть дела и поважнее этого), запомним простое соотношение, достаточное для применения его в быту. Точность его не соответствует формуле расчета, но позволяет помнить, что: 1 квт электроэнергии – это приблизительно 5 ампер тока в сети 220 вольт.

Таким образом, становится понятно, что электрический чайник, включенный в кухонную розетку, потребляет около 5 ампер тока. А лампа накаливания, мощностью 100 Вт – в десять раз меньше: 0,5 ампера. Конечно, такие примитивные знания нужны для домохозяек, расчет мощности электрического тока производится по формулам.

Необходимость расчетов мощности

Человек мало сталкивается с необходимостью проведения расчетов (мощностей постоянного электрического тока) в быту. Чаще всего такая необходимость возникает при ремонте автомобиля, где источником тока служит аккумулятор. Или какой-то продвинутый пользователь начинает подбирать новый кулер для своего процессора в компьютере.

Чаще возникает необходимость провести элементарные расчеты при ремонтных работах в квартире, при подборе сгоревшего блока питания и пр.

Расчет мощности электрического тока по формулам

Существует формула расчета электрического тока для однофазной и трехфазной сети. Вряд ли кто-то захочет и сможет ими воспользоваться – разбираться что такое cosφ при замене электрической проводки в доме или квартире нецелесообразно.

Реально можно произвести все необходимые расчеты в режиме онлайн. Интернет набит разными таблицами, соответствующими графиками и калькуляторами. Для очень нуждающихся читателей можно добавить, что сечение кабеля для осветительной сети — 1,5 кв. мм. А для электропитания розеток применяется кабель сечением 2,5 кв. мм.

Остальные расчеты, требующиеся при производстве электромонтажных работ в различных областях деятельности – лучше доверить специалистам, которые в своей работе используют различные приборы: амперметры, вольтметры, индикаторы фазы, измерители сопротивления изоляции, измерители сопротивления заземления и пр.

Ремонт и строительство домов и квартир, особенности расчетов

Чтобы произвести расчет электропроводки в квартире недостаточно произвести подбор сечения электрических проводов. В электрическом щите устанавливаются и электрические автоматы, и защитные устройства и электрический счетчик. Эти установочные изделия также подбираются и рассчитываются при разработке проекта электропитания, в котором производится также расчет количества и параметров устройств защитного заземления.

Для расчетов и подбора видов электропроводки, использующейся при изготовлении удлинителей, организации временных схем электропитания, необходимо понимать, что силовые кабели для однофазной и трехфазной цепи различны по количеству жил, условиям прокладки, токовым нагрузкам и прочим параметрам.

При использовании кабелей и проводов необходимо учитывать и материал изготовления токопроводящих жил.

Наличие в загородном доме, даче трехфазных потребителей электроэнергии, таких как скважинный насос, электродвигатели, сварочное оборудование, требует при подборе кабелей электропроводки учитывать их пусковые токи. А при выборе электрического счетчика электроэнергии – активную и реактивную составляющую в потребляемой мощности, если предполагается постоянная работа трехфазного оборудования.

Расчет мощности трехфазной сети

Трёхфазная нагрузка называется равномерной, когда по всем фазным проводникам протекает одинаковый ток. При этом сила тока в нулевом проводнике равна нулю. Примером равномерной (симметричной) нагрузки являютсятрёхфазные электродвигатели. В этом случае мощность потребителя рассчитывается по формуле

P = 3*Uф*I* cos(φ) = 1,73Uл*I* cos(φ) (1)

Когда по фазным проводникам протекают различные по величине токи, нагрузка называется неравномерной или несимметричной. В случае несимметричной нагрузки по нулевому (нейтральному) проводу протекает ток. В данном случае мощность определяется по формуле:

Pобщ = Ua*Ia* cos(φ1) + Ub*Ib* cos(φ2) + Uc*Ic* cos(φ3) (2)

Пример 1

К

electrmaster.ru

Формула расчета расчетной мощности. Расчет мощности по току и напряжению

При проектировании любых электрических цепей выполняется расчет мощности. На его основе производится выбор основных элементов и вычисляется допустимая нагрузка. Если расчет для цепи постоянного тока не представляет сложности (в соответствии с законом Ома, необходимо умножить силу тока на напряжение – Р=U*I), то с вычислением мощности переменного тока – не все так просто. Для объяснения потребуется обратиться к основам электротехники, не вдаваясь в подробности, приведем краткое изложение основных тезисов.

В цепях переменного тока расчет мощности ведется с учетом законов синусоидальных изменений напряжения и тока. В связи с этим введено понятие полной мощности (S), которая включает в себя две составляющие: реактивную (Q) и активную (P). Графическое описание этих величин можно сделать через треугольник мощностей (см. рис.1).

Под активной составляющей (Р) подразумевается мощность полезной нагрузки (безвозвратное преобразование электроэнергии в тепло, свет и т.д.). Измеряется данная величина в ваттах (Вт), на бытовом уровне принято вести расчет в киловаттах (кВт), в производственной сфере – мегаваттах (мВт).

Реактивная составляющая (Q) описывает емкостную и индуктивную электронагрузку в цепи переменного тока, единица измерения этой величины Вар.

Рис. 1. Треугольник мощностей (А) и напряжений (В)

В соответствии с графическим представлением, соотношения в треугольнике мощностей можно описать с применением элементарных тригонометрических тождеств, что дает возможность использовать следующие формулы :

• S = √P 2 +Q 2 , – для полной мощности;
• и Q = U*I*cos⁡ φ , и P = U*I*sin φ – для реактивной и активной составляющих.

Эти расчеты применимы для однофазной сети (например, бытовой 220 В), для вычисления мощности трехфазной сети (380 В) в формулы необходимо добавить множитель – √3 (при симметричной нагрузке) или суммировать мощности всех фаз (если нагрузка несимметрична).

Для лучшего понимания процесса воздействия составляющих полной мощности давайте рассмотрим «чистое» проявление нагрузки в активном, индуктивном и емкостном виде.

Возьмем гипотетическую схему, в которой используется «чистое» активное сопротивление и соответствующий источник переменного напряжения. Графическое описание работы такой цепи продемонстрировано на рисунке 2, где отображаются основные параметры для определенного временного диапазона (t).

Рисунок 2. Мощность идеальной активной нагрузки

Мы можем увидеть, что напряжение и ток синхронизированы как по фазе, так и частоте, мощность же имеет удвоенную частоту. Обратите внимание, что направление этой величины положительное, и она постоянно возрастает.

Как видно на рисунке 3, график характеристик емкостной нагрузки несколько отличается от активной.

Рисунок 3. График идеальной емкостной нагрузки

Частота колебаний емкостной мощности вдвое превосходит частоту синусоиды изменения напряжения. Что касается суммарного значения этого параметра, в течение одного периода гармоники оно равно нулю. При этом увеличения энергии (∆W) также не наблюдается. Такой результат указывает, что ее перемещение происходит в обоих направлениях цепи. То есть, когда увеличивается напряжение, происходит накопление заряда в емкости. При наступлении отрицательного полупериода накопленный заряд разряжается в контур цепи.

В процессе накопления энергии в емкости нагрузки и последующего разряда не производится полезной работы.

Представленный ниже график демонстрирует характер «чистой» индуктивной нагрузки. Как видим, изменилось только направление мощности, что касается наращения, оно равно нулю.

Негативное воздействие реактивной нагрузки

В приведенных выше примерах рассматривались варианты, где присутствует «чистая» реактивная нагрузка. Фактор воздействия активного сопротивления в расчет не принимался. В таких условиях реактивное воздействие равно нулю, а значит, можно не принимать его во внимание. Как вы понимаете, в реальных условиях такое невозможно. Даже, если гипотетически такая нагрузка бы существовала, нельзя исключать сопротивление медных или алюминиевых жил кабеля, необходимого для ее подключения к источнику питания.

Реактивная составляющая может проявляться в виде нагрева активных компонентов цепи, например, двигателя, трансформатора, соединительных проводов, питающего кабеля и т.д. На это тратится определенное количество энергии, что приводит к снижению основных характеристик.

Реактивная мощность воздействует на цепь следующим образом:

• не производит ни какой полезной работы;
• вызывает серьезные потери и нештатные нагрузки на электроприборы;
• может спровоцировать возникновение серьезной аварии.

Именно по этому, производя соответствующие вычисления для электроцепи, нельзя исключать фактор влияния индуктивной и емкостной нагрузки и, если необходимо, предусматривать использование технических систем для ее компенсации.

Расчет потребляемой мощности

В быту часто приходится сталкиваться с вычислением потребляемой мощности, например, для проверки допустимой нагрузки на проводку перед подключением ресурсоемкого электропотребителя (кондиционера, бойлера, электрической плиты и т.д.). Также в таком расчете есть необходимость при выборе защитных автоматов для распределительного щита, через который выполняется подключение квартиры к электроснабжению.

В таких случаях расчет мощности по току и напряжению делать не обязательно, достаточно просуммировать потребляемую энергию всех приборов, которые могут быть включены одновременно. Не связываясь с расчетами, узнать эту величину для каждого устройства можно тремя способами:

При расчетах следует учитывать, что пусковая мощность некоторых электроприборов может существенно отличаться от номинальной. Для бытовых устройств этот параметр практически никогда не указывается в технической документации, поэтому необходимо обратиться к соответствующей таблице, где содержатся средние значения параметров стартовой мощности для различных приборов (желательно выбирать максимальную величину).

Любой электроприбор характеризуется несколькими основными параметрами, среди которых ток и мощность. Иногда в указываются лишь мощность и напряжение, ток в этом случае легко найти, воспользовавшись знаменитыми формулами Ома (разумеется, с рядом оговорок — например, должен быть известен cos). Верно также обратное: зная ток и напряжение, можно выполнить расчет мощности. В глобальной Сети есть много материалов по данной теме, но большая их часть рассчитана на специалистов.

Давайте рассмотрим, что понимают под термином «электрическая мощность», какие существуют ее разновидности и как можно сделать расчет мощности. Физический смысл мощности указывает, насколько быстро в установке (приборе) происходит преобразование электроэнергии в тот или иной вид полезной работы. Вот так все просто! Для неэлектрических же устройств вполне допустимо использовать термин «производительность».

В электротехнике принято разделение, согласно которому существует активная и реактивная мощность. Первая непосредственно преобразуется в полезную работу, поэтому считается основной. Единицей измерения служит Ватт и производные — Киловатт, Мегаватт и пр. На бытовых электроприборах указывается именно она. Хотя это вовсе не означает, что реактивной составляющей нет. В свою очередь вторая — нежелательная, так как в выполнении работы не участвует, а растрачивается на различные виды потерь. Измеряется в «вар» (вольт-ампер реактивный) и производных — киловольт-ампер реактивный и т.д. Сумма активной и реактивной составляющих формируют полную мощность (вольт-ампер, ВА).

Яркий пример потребителя с чистой активной нагрузкой — электрический ТЭН. При прохо

elctrik-pros.ru