Поскаржилася бабуся сусідка знизу: подарували мені діти миючий пилосос. Він чудово працює, але звідкись йде запах гару.
Пішов дивитись. Проведення у нас старе: локшина з алюмінію 2,5 квадрата. А пилосос споживає 2,5 kW. Прикинув, як працює формула розрахунку потужності за струмом та напругою для цього випадку.
Розділив 2500 ватів на 220 вольт. Здобув трохи більше 11 ампер. Наші дроти тримають навантаження 22 А. Маємо практично подвійний резерв струму. Інші споживачі при збиранні відключені.
Почали перевіряти та нюхати: запах біля квартирного щитка. Відкрив, оглянув: шина складання нуля у сажі, на одній перемичці горіла ізоляція. Гвинт кріплення ослаблений. Ось і причина початку спалаху. Виправив.
На цьому прикладі я показую, що завжди треба оцінювати потужність споживання електроприладів та можливості проведення із захисними пристроями. Про це розповідаю нижче.
Що таке потужність в електриці: просто про складне
Згадала билина про Іллю Муромця, коли він приклав всю свою міць до солов’я розбійника. У бідолахи одразу посипалися іскри з очей, як полум’я з верхньої картинки на проводці з неправильним монтажем.
Простими словами: потужність в електриці — це силова характеристика енергії, якою оцінюють як можливості генераторних установок її виробляти, так і можливості споживачів і транспортних магістралей.
Усі ці ділянки мають бути точно змонтовані та налагоджені для забезпечення безпечної роботи. Як тільки в будь-якому місці виникає несправність, так одразу розвивається аварія у всій схемі.
Якщо говорити про домашнє електричне обладнання, то доводиться постійно дотримуватися балансу між:
- включеними до мережі приладами;
- конструкцією проводів та кабелів;
- налаштування захисних пристроїв.
Тільки комплексне вирішення цих трьох питань може забезпечити безпеку проведення та мешканців.
Як розрахувати електричну потужність у побуті
Формули розрахунку потужності в електриці дозволяють виконати якісну оцінку безпеки кожного з наведених вище пунктів.
Користуватися ними не складно. Я вже наводив у попередніх статтях шпаргалку електрика у Львові, де вони вміщені у наочній формі для ланцюгів постійного струму.
Вони цілком справедливі для активної складової потужності змінного струму, що робить корисну роботу. До речі, крім неї є ще й марна — реактивна, пов’язана із втратами енергії. Її опис присвячений другий розділ.
Такі обчислення зручно робити за допомогою онлайн-калькулятора. Він позбавляє рутинних математичних обчислень та арифметичних помилок.
При будь-якому із способів розрахунку активної потужності потрібно знати дві з трьох електричних величин:
- силу струму I ;
- прикладена напруга U ;
- опір ділянки ланцюга R.
Як виміряти електричну потужність будинку
Існує ще одна можливість оцінки активної потужності: її вимірювання у діючій схемі спеціальними приладами: ватметрами.
Точні виміри може забезпечити промисловий лабораторний ватметр. Він виготовляється як прилад, що працює на аналогових сигналах, так і за допомогою цифрових технологій.
У побутовій проводці точні обчислення не потрібні. Для неї випускаються різні види простіших ватметрів.
Популярністю користуються прилади, які можна вставити в розетку та підключити до них шнур живлення від споживача, включити їх у роботу та одразу зняти показання на дисплеї у ватах.
Їх так і називають: ватметр розетка. Вони вимірюють суто активну потужність змінного струму.
Такі прилади позбавляють електрика виконання складних операцій під напругою, коли потрібно заміряти:
- діюча напруга;
- силу струму;
- кут зсуву фаз між векторами струму та напруги.
Потім усі дані додатково потрібно вводити у формулу розрахунку потужності за струмом та напругою, робити за нею обчислення.
Цей метод можна спростити, якщо уважно спостерігати за показаннями електричного лічильника індукційної системи з диском, що обертається. Він вважає досконалу роботу: спожиту потужність за певний час.
Однак швидкість обертання диска таки характеризує величину споживання. Потрібно просто порахувати скільки разів він обернеться за хвилину і перевести у ваті по табличці, розташованій на корпусі.
Чому реактивний опір схеми впливає на потужність змінного струму
Синусоїдальна гармоніка напруги, надходячи на резистивний опір, змінює величину струму без його відхилення на комплексній площині.
Такий струм робить корисну роботу з мінімальними втратами енергії, виробляючи активну потужність. Частота коливання сигналу не має на неї ніякого впливу.
Опір конденсатора та індуктивності залежить від частоти гармоніки. Його протидія відхиляє напрям струму кожному з цих елементів у різні боки.
Такі процеси пов’язані з втратою частини енергії на марні перетворення. На них витрачається потужність Q, яку називають реактивною. Її вплив на повну потужність S і зв’язок з активною P зручно представляти графічно прямокутним трикутником.
Захотілося його намалювати на тлі обладнання з нагромаджень порцеляни та металу, де довелося попрацювати досить довго. Чи не судіть за це суворо.
Порівняйте його з опублікованим мною раніше трикутником опорів . Знаходьте спільні риси?
Ними є геометричні пропорції фігури, що описують їх формули та кут φ, що визначає втрати повної потужності. Переходжу до більш докладного розгляду.
Формули розрахунку потужності для однофазної та трифазної схеми живлення
В ідеальному теоретичному випадку трифазна схема складається з трьох однакових однофазних ланцюгів. Насправді завжди є якісь відхилення. Але, здебільшого під час аналізів ними нехтують.
Тому розглядаємо спочатку найпростіше питання.
Графіки та формули під однофазну напругу
Як працює резистор
На суто резистивному опорі синусоїди струму і напруги збігаються по куту, спрямовані на кожному напівперіоді однаково. Тому їхній твір, що виражає потужність, завжди позитивний.
Його значення у довільний момент часу t називають миттєвим, позначаючи малою буквою p.
Середнє значення потужності протягом одного періоду називають активною складовою. Її графік для змінного струму має фігуру симетричного сплеску з максимальним значенням Pm у середині кожного напівперіоду Т/2.
Якщо взяти половину його величини Pm/2 і провести пряму лінію протягом одного періоду Т, отримаємо прямокутник з ординатою P.
Його площа дорівнює двом площам графіків активної складової одного будь-якого напівперіоду. Якщо подивитися на картинку уважніше, можна уявити, що верхня частина сплеску відрізана, перевернута і заповнила вільний простір внизу.
Подання цього графіка допомагає запам’ятати, що на активному опорі потужність постійного та змінного струму обчислюється за однією формулою, яка не змінює свого знака.
Графік миттєвих значень активної потужності змінного струму на резистивному опорі має вигляд позитивних хвиль, що повторюються. Але за період їм відбувається така ж робота, як і в ланцюгах постійного струму і напруги.
На резистори не створюється реактивних втрат.
Як працює індуктивність
Котушка з обмоткою своїми витками запасає енергію магнітного поля. Завдяки процесу накопичення індуктивний опір відсуває вперед на 90 градусів вектор струму щодо прикладеної напруги на комплексній площині.
Перемножуючи їх миттєві величини, отримуємо значення потужності, яке за один період змінює знаки (напрямок) у кожному напівперіоді.
Частота зміни потужності на індуктивності вдвічі вища, ніж у її складових: синусоїд струму та напруги. Вона складається із двох частин:
- активної, що позначається індексом PL;
- реактивної QL.
Реактивна частина індуктивності створюється з допомогою постійного обміну енергією між котушкою і прикладеним джерелом. На величину впливає значення індуктивного опору XL.
Як працює конденсатор
Місткість конденсатора постійно накопичує заряд між своїми обкладками. За рахунок цього відбувається зсув вектора струму вперед на 90 градусів щодо напруги.
Графік миттєвої потужності нагадує вигляд попереднього, але починається з негативної напівхвилі.
Реактивна складова, що виділяється на конденсаторі, залежить від величини опору ємнісного XC.
Як працює реальна схема з усіма видами опорів
У чистому вигляді наведені вище графіки та вирази зустрічаються не так часто. Насправді передача електроенергії та її робота на змінному струмі пов’язані з комплексним подоланням сил електричного опору резисторів, конденсаторів та індуктивностей.
Причому, якась із цих складових переважатиме. Для таких випадків перетворення електричної енергії на миттєву потужність можуть мати один з наступних видів.
На верхній картинці показаний випадок, коли вектор струму відстає від напруги, а на нижній – випереджає.
В обох випадках величина активної складової зменшується від повної значення на значення, що виражається як cosφ. Тому його прийнято називати коефіцієнтом потужності.
Косинус фі (cosφ) використовується при аналізі трикутника потужностей та опорів, що характеризує втрати енергії.
Як працює схема трифазного електропостачання
На введення розподільного щита багатоповерхової будівлі надходить трифазна напруга від електропостачальної організації, що виробляється промисловими генераторами.
Його ж, за окрему плату, за бажання може підключити власник приватного будинку, що багато хто й робить. При цьому робоча схема та діаграма напруг виглядає наступним чином.
У старій системі заземлення TN-C вона виконується чотирипровідним підключенням, а в новій TN-S – п’ятипровідним з додаванням захисного РЕ провідника. Його на цій схемі я не показую для спрощення.
Кожну з фаз під час роботи необхідно намагатися навантажувати однаково рівними за величиною струмами. Тоді в домашній проводці буде створюватись найбільш сприятливий оптимальний режим без небезпечних перекосів енергії.
У цьому випадку формула розрахунку потужності за струмом і напругою трифазної схеми може бути представлена простою сумою аналогічних формул для складових однофазних ланцюгів.
А оскільки вони всі ідентичні, їх просто потроюють.
Наприклад, коли активна потужність фази має вираженням Рв=Uв×Iв×cosφ, то для всієї трифазної схеми вона буде виражена наступною формулою:
Р = Рa + Рв + Рc
Якщо позначити фазний вираз буквою ф. наприклад Pф, можна записати:
P = 3Pф = 3Uф×Iф×cosφ
Аналогічно обчислюватиметься реактивна складова
Q = Qa+Qв+Qc
Або
Q = 3Qф = 3Uф×Iф×sinφ
Оскільки P і Q представляють величини катетів прямокутного трикутника, то гіпотенузу чи повну складову можна визначити як квадратний корінь із суми їх квадратів.
S = √(P2+Q2)
Як враховується трифазна повна потужність
В енергосистемі, та й у приватному будинку, потрібно аналізувати підключені навантаження, рівномірно розподіляти їх за джерелами напруги.
З цією метою працюють численні конструкції вимірювальних приладів. На щитах управління підстанцій розташовані щитові ватметри та варметри, призначені для роботи в різних частках кратності.
Старі аналогові прилади показані на цій картинці.
Для того, щоб не плутатися в записах обчислень, введені різні найменування одиниць. Вони позначаються:
- ВА -, VA (міжнародне) вольтампер для повної величини потужності;
- Вт -, var (міжнародне) ват -активної;
- вар, var (міжнародне) – реактивною.
Аналогові прилади вимірюють лише активну чи реактивну складову, а повну величину необхідно обчислювати за формулами.
Багато сучасних цифрових приладів здатні здійснювати цю функцію автоматично.
Поширені запитання
Чому важливо знати формулу розрахунку електричної потужності у побуті?
Розрахунок електричної потужності у побутових умовах допомагає уникнути перевантаження проводки і зайвого ризику. Коли ми вмикаємо в одну розетку кілька потужних приладів, не задумуючись про їх сумарне навантаження, ми створюємо реальну загрозу пожежі. Формула P = U × I, де P — потужність, U — напруга, а I — струм, дозволяє швидко оцінити, скільки енергії споживає прилад і чи витримає це стара проводка. Наприклад, пилосос потужністю 2500 Вт при напрузі 220 В споживає понад 11 ампер — це серйозне навантаження для алюмінієвих дротів. Якщо подібне навантаження включене одночасно з обігрівачем або бойлером, виникає ризик перегріву. У таких ситуаціях слід викликати аварійного електрика для перевірки щитка і з’єднань.
Чим активна потужність відрізняється від реактивної і навіщо це знати споживачеві?
Активна потужність — це та, яка дійсно виконує роботу: нагріває воду, обертає двигун або освітлює кімнату. Реактивна ж — це «марна» складова, яка лише коливається в електричних колах через наявність конденсаторів або котушок. Вона не витрачається, але все одно створює навантаження на мережу і впливає на розміри захисних пристроїв і втрати в кабелях. У побуті ми часто її не бачимо, бо прилади для споживача показують лише активну потужність, наприклад у ватах. Але при неправильному проєктуванні освітлення або підключенні техніки до старої проводки, реактивна потужність може зіграти злий жарт. Тому якщо ви плануєте встановлення складної побутової техніки, краще звернутися до професіоналів для монтажу електропроводки.
Якими способами можна виміряти або розрахувати потужність електроспоживання у квартирі?
Один із найпростіших способів — це скористатися формулою потужності, якщо відомі напруга і струм. Але ще зручніше — виміряти потужність за допомогою побутового ватметра, який вставляється в розетку. Такий прилад одразу покаже споживання в ватах. Більш просунуті варіанти — це промислові ватметри, але для квартири їх не потрібно. Також можна подивитися на обертання диска в електричному лічильнику: чим швидше обертається — тим більше споживання. Якщо ж ви не впевнені у точності розрахунків або прилади показують аномальні значення, доречно запросити домашнього електрика у Львові, який виконає діагностику і порадить оптимальне рішення.
Чому стара проводка може не витримати сучасні прилади, навіть якщо розрахунки показують норму?
Старі проводки — особливо алюмінієві — мають не тільки менший допустимий струм, але й часто пошкоджені окисленням, поганими з’єднаннями або зношеною ізоляцією. Навіть якщо розрахунок показує, що проводка має витримати 20 ампер, фактично це може бути не так. Наявність слабких контактів у щитку або на розетках призводить до нагрівання, плавлення ізоляції й навіть пожежі. Така ситуація сталася і в описаному випадку з пилососом: причина була не в перевантаженні, а в поганому контакті нульової шини. Саме тому важливо періодично перевіряти стан електрощитка, підтягувати з’єднання, або — якщо щиток старий — замінити його повністю. Замовити таку послугу ви можете на сторінці заміна електрощита у Львові.