Мощность электрического тока. Виды и работа. Особенности

Мощность электрического тока. Виды и работа. Особенности

Мощность электрического тока — это количество работы, которая выполняется за определенный период. Так как работа представляет параметр изменения энергии, то мощность можно назвать характеристикой скорости передачи либо преобразования электроэнергии. С мощностью электротока человеку приходится сталкиваться и в быту и на производстве, где применяются электрические приборы. Каждый из них потребляет электроток, поэтому при их использовании всегда необходимо учитывать возможности этих приборов, в том числе заложенные в них технические характеристики.

Мощность электрического прибора имеет важнейшее значение, ведь данный показатель используется не только для расчета электрической проводки, автоматов и предохранителей, но и для решения других задач. Чем мощность электрического прибора будет больше, тем за более короткое время он сможет осуществить необходимую работу. Если сравнить между собой электрическую плитку, тепловую электропушку или электрокамин, то у них у всех разные показатели мощности. То есть они будут обогревать площадь помещения за совершенно разное время.

Мощность электрического тока также может быть вычислена по формуле:

P=A/t, которая характеризует интенсивность передачи электроэнергии, то есть работа, совершаемая током по перемещению зарядов за определенный период времени.

Здесь A – это работа, t — время, за которое работа была выполнена.

Мощность может быть двух видов: реактивной и активной.

При активной мощности осуществляется преобразование мощности электротока в энергию движения, тепла, света и иные виды. Данный перевод тока в указанные виды невозможно выполнить обратно. Активная мощность измеряется в ваттах. Один ватт равняется один Вольт умноженный на один ампер. Для бытового и производственного применения задействуются показатели на порядок больших значений: это мегаватты в киловатты.

Реактивная мощность электрического тока представляет электронагрузку, создаваемую в приборах посредством емкостной и (или) индуктивной нагрузкой.

В случае переменного тока, указанный параметр характеризуется формулой:

Q=UIsinφ

Здесь синус φ выражается сдвигом фаз, который образуется между снижением напряжения и действующим электротоком. Значение угла может находиться в пределах от 0 до 90 градусов или от 0 до -90 градусов.

Параметр Q характеризует реактивную мощность, ее можно измерить в вольт-амперах. При помощи указанной формулы можно быстро определить мощность электротока.

Реактивные и активные показатели мощности можно продемонстрировать на обычном примере: Прибор может одновременно иметь нагревающие элементы: электрический двигатель и ТЭН. На изготовление ТЭНов применяется материал, который обладает большим сопротивлением, вследствие чего при прохождении по нему тока, электроэнергия становится тепловой. В данном случае довольно-таки точно характеризуется активная мощность электротока. Если брать за основу электродвигатель то внутри него располагается обмотка из меди, которая обладает индуктивностью, что, как правило, также вызывает эффект самоиндукции.

Эффект самоиндукции обеспечивает некоторое возвращение электроэнергии непосредственно в электросеть. Данную энергию можно охарактеризовать определенным смещением в показателях по электротоку и напряжению, что приводит к нежелательным последствиям на сеть в качестве определенных перегрузок. Подобными показателями выделяются и конденсаторы вследствие собственной емкости в момент, когда весь собранный заряд направляется обратно.

В данном случае происходит смещение тока и напряжения, но в обратном перемещении. Энергия индуктивности и емкости, которые смещаются по фазе относительно параметров электрической сети и называется реактивной электромощностью. Именно обратный эффект к сдвигу фазы позволяет осуществить компенсирование мощности реактивного параметра. В результате повышается качество и эффективность электрического снабжения.

Полная мощность электрического тока характеризуется величиной, которая соответствует произведению тока и напряжения и связана с активной и реактивной мощностью следующим уравнением:

S=˅P2+Q2

Где S – полная мощность, вычисляемая корнем из произведений квадратов активной и реактивной мощностей.

Для простоты восприятия активная мощность есть там, где присутствует активная нагрузка, к примеру, спиральные нагреватели, сопротивление проводов и тому подобное. Реактивная мощность наблюдается там, где имеется реактивная нагрузка, то есть элементы индуктивности и емкости, к примеру, конденсаторы.

Принцип действия

Когда заряд движется по проводнику, то электромагнитное поле выполняет над ним работу. Данная величина характеризуется напряжением. Заряды направляются в сторону снижения потенциалов, однако для поддержания указанного процесса необходим некоторый источник энергии. Напряжение по своему показателю соответствует работе поля, которое необходимо для перемещения единичного заряда Кулона на рассматриваемом участке. При перемещении заряда возникают явления, при которых электроэнергия может приходить в другие виды энергии.

Для доставки электроэнергии от электростанции до конечного потребителя необходимо выполнить определенную работу. Для создания требуемого напряжения, то есть возможности выполнения работы электротока по перемещению заряда, применяется трансформатор. Данное устройство производит увеличение показателя напряжения. Полученный ток под высоким напряжением, иногда достигающим 10 тысяч Вольт, движется по высоковольтным проводам. При достижении места назначения, он попадает на трансформатор, который уменьшает напряжение до промышленных или бытовых показателей. Далее ток направляется на производства, в квартиры и дома.

Применение

Одним из основных элементов электроцепи является приемник электроэнергии. Именно электрические приемники служат для преобразования электроэнергии в другие виды энергии:

• Механическую: электрические двигатели и магниты.
• Тепловую: агрегаты для сварки, электрические плитки, печки для выпечки хлеба, керамические печи и тому подобное;
• Световую: лампочки накаливания, светодиодные, неоновые лампы и так далее.
• Химическую: гальванические ванны и тому подобное.

Указанные преобразования возможны лишь в том случае, если ток проходит через сопротивление необходимого уровня. То есть при перемещении зарядов по проводнику наблюдается потеря энергии, что как раз и вызвано наличием сопротивления. Если рассматривать это дело на атомарном уровне, то электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки. Это приводит к возбуждению и теп­ловому движению, вследствие чего происходит потеря энергии.

Особенности

Мощность электрического тока влияет на то, как быстро прибор сможет выполнить работу, то есть за определенное время. К примеру, дорогой обогреватель, имеющий в 2 раза большую мощность, обогреет помещение быстрее, чем два дешевых, с меньшей в 2 раза мощностью. Получается, что выгоднее купить агрегат, имеющий большую мощность, чтобы быстрее обогреть холодное помещение. Но, в то же время, такой агрегат будет тратить существенно больше энергии, чем его более дешевый аналог.

Потребляемая мощность всех приборов в доме учитывается и при подборе проводки для прокладки в доме. Если не учитывать этого и в последующем включить в сеть слишком много приборов, то это вызовет перегрузку сети. Проводка не сможет выдержать мощность электрического тока всех приборов, что приведет к плавлению изоляции, замыканию и самовоспламенению проводки. В результате может начаться пожар, который может привести к непоправимым последствиям.

Поэтому так важно знать мощности электрических приборов, чтобы правильно подобрать сечение и материал проводов или не допускать одновременного включения в сеть приборов, имеющих большую мощность.

В качества примера можно привести следующие показатели:

• Сетевой роутер требует 10-20 Вт.
• Бытовой сварочный аппарат имеет мощность 1500-5500 Вт.
• Стиральная машина потребляет мощность 350-2000 Вт.
• Электрическая плитка имеет мощность 1000-2000 Вт.
• Холодильник бытовой потребляет мощность 15-700 Вт.
• Монитор жидкокристаллический имеет мощность 2-40 Вт.
• Монитор с электролучевой трубкой потребляет 15-200 Вт.
• Системный блок ПК потребляет 100-1200 Вт.
• Электрический пылесос имеет мощность 100-3000 Вт.
• Лампа накаливания бытовая – 25-200 Вт.
• Электрический утюг – 300-2000 Вт.

Интересные особенности

Мощность электрического тока раньше благодаря Джеймсу Уатту измерялась в лошадиных силах. Однако в конце девятнадцатого века было решено присвоить мощности название Ватт, чтобы увековечить имя известного ученого и изобретателя. На тот период это случилось впервые, когда единице измерения присвоили имя ученого. Именно с этого времени пошла традиция присвоения имен ученых единицам измерения.

Мощность электрического тока молнии составляет порядка один ТераВатт, при этом происходит ее преобразование в световую и тепловую энергию. Температура внутри молнии при этом составляет 25 тысяч градусов. Молния способна ударять в одно и то же место. А согласно статистике молния попадает в мужчин примерно в 5 раз больше, чем в представителей женского пола.

Содержание

Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

Записывая вышеприведённые рассуждения, получаем:

Для единичного заряда на участке A − B :

Для всех зарядов:

Поскольку ток есть электрический заряд, протекающий по проводнику в единицу времени, то есть I = Q Δ t >> по определению, в результате получаем:

Полагая время бесконечно малым, можно принять, что величины напряжения и тока за это время тоже изменятся бесконечно мало. В итоге получаем следующее определение мгновенной электрической мощности:

• мгновенная электрическая мощность p ( t ) , выделяющаяся на участке электрической цепи, есть произведение мгновенных значений напряжения u ( t ) и силы тока i ( t ) на этом участке:

Дифференциальные выражения для электрической мощности [ править | править код ]

Мощность, выделяемая в единице объёма, равна:

Отрицательное значение скалярного произведения (векторы E > и j > противонаправлены или образуют тупой угол) означает, что в данной точке электрическая мощность не рассеивается, а генерируется за счёт работы сторонних сил.

В случае изотропной среды в линейном приближении:

В случае наличия анизотропии (например, в монокристалле или жидком кристалле, а также при наличии эффекта Холла) в линейном приближении:

Мощность, поглощаемая или производимая участком электрической цепи выражается как произведения напряжения между концами участка и силы тока, проходящей через этот участок :

При этом если положительное направление соответствует вытекающему из «положительного» конца току, то положительный знак мощности соответствует отдаче электрической энергии, а отрицательный — поглощению. Под «положительным» концом подразумевается тот большему потенциалу которого соответствует положительное напряжение.

В электрических цепях напряжение и ток не являются независимыми величинами, а связаны вольт-амперной характеристикой. Таким образом мощность цепи можно определять, зная одну из величин — напряжение или ток и зависимость тока от напряжения в этой цепи:

В пассивных линейных цепях эта зависимость определяется законом ома , где — сопротивление цепи, и в таком случае мощность принимает вид:

Полная, активная и реактивная мощности связаны равенством:

В связи со строительством в северном районе г. Казани новых предприятий и особенно флагмана нефтехимической промышленности завода «Органический синтез» и ростом тепловых нагрузок, в соответствии с разработанной схемой теплоснабжения северного района решением N 2/3-80 Государственного комитета по энергетики и электрификации СССР было утверждено задание 11 мая 1964 года на проектирование новой ТЭЦ в г. Казани.
Решением Совета Министров РСФСР от 24 сентября 1965 г. N 3741-р был отведен участок под строительство ТЭЦ-3 101 га земли. Проект строительства Казанской ТЭЦ-3 был разработан Горьковским отделением Всесоюзного Государственного проектного института «ТЕПЛОЭЛЕКТПОПРОЕКТ» в мае 1965 года. И на основании приказа Министра Э и Э СССР за N-3/а от 14/1-1966 г. в 1966 году началось строительство Казанской ТЭЦ-3.
В первую очередь предусматривалось строительство, монтаж и ввод в работу четырех пиковых водогрейных котла типа ПТВМ-100, тепловой мощностью по 100 Гкал/час каждый. Первые три пиковых водогрейных котла были смонтированы и включены в работу в декабре 1967 года, и с 1 января 1968 года станция вошла в строй действующих ТЭЦ. Одновременно с вводом в эксплуатацию водогрейного котела N4 20.12.1968 года началось строительство главного корпуса и шла подготовка к монтажу энергетического оборудования.

Первый пусковой комплекс — энергетический котел ТГМ-84А и турбогенератор ПТ-60-130/13 был принят Государственной комиссией 30 декабря 1970 года, а08.01.1971 г. Казанская ТЭЦ-3 дала первый промышленный ток. Поэтапный ввод оборудования первой очереди строительства был завершен в 1973 году. И к этому времени на станции было установлено и включено в работу: четыре пиковых котла, четыре энергетических котла и четыре турбогенератора, мощность станции составляла 260 МВт. Параллельно со строительством основного оборудования станции вводились в работу: четыре деаэратора низкого давления ДСА-300 и четыре 6 ата ДС-500, пять питательных насосов ПЭ-500-180, оборотная система технического водоснабжения (две башенных градирни с площадью орошения 1600 м 2), 4 наземных бака для хранения мазута по 10000 м3 каждый, эстакада для слива мазута, насосное отделение для подачи отфильтрованного мазута с температурой 120-140 в главный корпус. Для питания котлов водой необходимого качества построена химводоочистка производительностью 510 т/ч (1-я очередь) по комбинированной схеме полного трехступенчатого хим.обессоливания. Внедрена комплексная механизация разгрузки и подачи реагентов в фильтровальный зал и главный корпус станции. Электроэнергию Казанская ТЭЦ-3 выдавала по трем двухцепным линиям через ОРУ-110 кВ, по которым станция соединилась с Зеленодольской ПС, ТЭЦ-2 и заводом Оргсинтез. В августе 1977 года после монтажа газопроводов и ГРП на станции стал использоваться газ и сбросный газ завода Органического синтеза.

Начало расширение действующей станции со строительством II-й очереди было положено в 1980 году. Сначала было установлено: энергетический котел типа ТПЕ-430 и турбогенератор типа Р-40-130/31 ст.№5, а затем дубль-блок включающий в себя два энергетических котла типа ТПЕ-429 и турбогенератор типа ПТ-135-130/15 ст. N-6. В октябре 1983 года расширение станции было закончено и установленная мощность Казанской ТЭЦ-3 составила 440 МВт. Во время строительства второй очереди ТЭЦ-3 были построены: вторая дымовая труба 240 м., градирня N-3, существующие две градирни были модернизированы и построена третья, произошло расширение хим. водоочистки и инженерного корпуса, построены четыре емкости для приема мазута и др. оборудования.

Для повышения надежности электроснабжения казанской зоны на КТЭЦ № 3 введена в эксплуатацию в 1999 г. ОРУ-220 кВ с двумя автотрансформаторами связи 220/110 кВ АТ-1 и АТ-2, которые осуществляют связь с ОРУ-110 кВ.
С апреля месяца 2005 года после проведения структурных преобразований и реформирования ОАО «Татэнерго» Казанская ТЭЦ-3 функционировала как филиал ОАО «Генерирующая компания».
С 1 июня 2010 года Казанская ТЭЦ-3 является филиалом АО «ТГК-16».

19 июня 2017 года на Казанской ТЭЦ-3 состоялся запуск самой мощ-ной в России газотурбинной установки. Мероприятие прошло при участии Президента Республики Татарстан Р.Н. Минниханова и руководителей федеральных министерств и ведомств.

Новый блок ГТУ на Казанской ТЭЦ-3, филиале АО «ТГК-16», был построен в рамках ком-плексной модернизации станции. Газотурбинная установка возведена на базе крупнейшей и наиболее эффективной газовой турбины в мире (9HA.01), мощностью 405,6 МВт. Производитель турбины – американская компания General Electric.

Филиал АО «ТГК-16» — Казанская ТЭЦ-3 является самой крупной промышленно-отопительной ТЭЦ в г. Казани. Установленная электрическая мощность – 789,6 МВт. Установленная тепловая мощность – 2 390 Гкал/ч.

4 октября 2021 года завершилось объединение активов СИБУРа и ТАИФ, в результате которого создана крупнейшая нефтегазохимическая компания России и одна из крупнейших в мире.

Полезная энергия Р и КПД

В зависимости от конкретных задач, необходима максимальная полезная мощность Р или максимум КПД. Условия для этого не совпадают:

• Р максимальна при R=Ro, при этом КПД = 50%;
• КПД 100% в режиме Х.Х., при этом Р=0.

Мощность Р и КПД

Получение максимальной энергии на выходе питающего устройства

Максимум Р достигается при условии равенства сопротивлений R (нагрузки) и Ro (источника электроэнергии). В этом случае КПД = 50%. Это режим «согласованной нагрузки».

Кроме него возможны два варианта:

• Сопротивление R падает, ток в цепи увеличивается, при этом растут потери напряжения Uo и Ро внутри устройства. В режиме К.З. (короткого замыкания) сопротивление нагрузки равно «0», I и Ро максимальны, а КПД также 0%. Этот режим опасен для аккумуляторов и генераторов, поэтому не используется. Исключение составляют практически вышедшие из употребления сварочные генераторы и автомобильные аккумуляторы, которые при запуске двигателя и включении стартёра работают в режиме, близком к «К.З.»;
• Сопротивление нагрузки больше внутреннего. В этом случае ток и мощность нагрузки Р падают, и при бесконечно большом сопротивлении они равны «0». Это режим Х.Х. (холостого хода). Внутренние потери в режиме, близком к Х.Х., очень малы, и КПД близок к 100%.

Следовательно, «Р» максимальна при равенстве внутреннего и внешнего сопротивлений и минимальна в остальных случаях за счёт высоких внутренних потерь при К.З и малого тока в режиме Х.Х.

Режим максимальной полезной мощности при эффективности 50% применяется в электронике при слабых токах. Например, в телефонном аппарате Рвых. микрофона – 2 милливатта, и важно максимально передать её в сеть, жертвуя при этом КПД.

Достижение максимального КПД

Максимальная эффективность достигается в режиме Х.Х. за счёт отсутствия потерь мощности внутри источника напряжения Ро. При росте тока нагрузки КПД линейно уменьшается и в режиме К.З. равен «0». Режим максимальной эффективности используется в генераторах электростанций, где согласованная нагрузка, максимальная полезная Ро и КПД 50% неприменимы из-за больших потерь, составляющих половину всей энергии.

Технический директор-главный инженер Ижевской ТЭЦ-1 Шишкин Антон Владимирович

Родился 4 декабря 1980 года в г. Ижевске.

Образование

В 2003 году окончил Удмуртский государственный университет по специальности «Тепловые электрические станции».

Опыт работы

2002-2005 – машинист-обходчик по турбинному оборудованию «ТЭЦ-2» филиала «Генерация» ОАО «Удмуртэнерго».

2005 — машинист центрального щита управления паровыми турбинами 6 группы «ТЭЦ-2» филиала «Генерация» ОАО «Удмуртэнерго».

2006-2007 -инженер первой категории производственно-технического отдела ОАО «ТГК-5» Удмуртский филиал ОСП «ИжТЭЦ-2».

2007-2011 — заместитель начальника производственного отдела Ижевской ТЭЦ-2 ОАО «ТГК-5» Удмуртский филиал.

2011-2013 — руководитель производственно-технического отдела ОАО «ТГК-5». Ижевский филиал по реализации приоритетных инвестиционных проектов.

2013-2014 — руководитель ГСО/главный инженер проекта Ижевская ТЭЦ-1 ОАО «ТГК-5».

2014 — ведущйи специалист по ремонту тепломеханического оборудования управления по ремонту, ТпиР Филиала «Удмуртский» ОАО «ТГК-5».

2014-2016 — заместитель начальника производственно-технического отдела Ижевской ТЭЦ-1 ОАО «ТГК-5».

2016 — начальник технического отдела Филиала «Удмуртский» ПАО «Т Плюс».

2016-2019 — начальник управления эксплуатации генерации Филиала «Удмуртский» ПАО «Т Плюс».

с января 2020 — технический директор-главный инженер Ижевской ТЭЦ-1 Удмуртского филиала ПАО «Т Плюс».

Необходимо сопоставить мощностные характеристики предлагаемых производителем или поставщиком «бесперебойников» с показателем, полученным прибавлением к максимальному энергопотреблению нагрузки запаса в 30% (далее – нагрузочный показатель). Ближнее к данному показателю мощностное значение (с округлением в большую сторону) и будет подходящим номиналом ИБП.

Подбор ИБП для газового котла

Начнём с простого случая – выбор ИБП для единичного потребителя, например, газового котла.

Обычно в документации нагревательных приборов приводятся сразу несколько мощностей. Предположим следующие формулировки и значения:

• макс. полезная тепловая мощность – 31 кВт;
• мин. полезная тепловая мощность – 10,4 кВт;
• электрическая мощность – 165 Вт.

Из названия параметров видно, что первые два – характеризуют основную работу котла, а третий – указывает на потребляемые из электросети ватты, количество которых и является фактической нагрузкой на «бесперебойник».

Теперь рассчитаем необходимый мощностной запас: 165 х 0,3 = 49,5 Вт.

После чего определим нагрузочный показатель: 165 + 49,5 = 214,5 Вт.

Используя формулу 1 и приняв сosφ = 0,95, переведём ватты в вольт-амперы: 214,5 Вт / 0,95 = 225,7 ВА.

В итоге нагрузочный показатель составит 214,5 Вт и 225,7 ВА.

Рассмотрим мощностной ряд on-line ИБП «Штиль» – ближайшим к такому показателю номиналом в 225 Вт/250 ВА обладают модели: SW250, SW250LD, SW250SL и ST250.

Подбор ИБП для котла отопления и циркуляционного насоса

Усложним задачу и предположим, что имеющий те же характеристики котёл работает в связке с внешним циркуляционным насосом, номинальная мощность которого 45 Вт.

В таком случае нагрузка на ИБП в обычном режиме составит: 165 Вт + 45 Вт = 210 Вт.

Однако не забываем про характерные для насоса пусковые токи и, увеличив его номинал втрое, находим максимально возможное стартовое энергопотребление: 165 Вт + 135 Вт = 300 Вт.

Исходя из его значения определяем нагрузочный показатель в Вт: 300 Вт + 300 Вт х 0,3 = 390 Вт.

Из-за различия в величине cosφ у котла и насоса (0,95 и 0,7) получение нагрузочного показателя в ВА потребует двух действий: 165 / 0,95 + 135 / 0,7 = 366,5 ВА – суммарная максимальная полная мощность. 366,5 ВА + 366,5 ВА х 0,3 = 476,5 ВА – нагрузочный показатель.

Анализируя продукцию «Штиль», приходим к выводу, что для пары «насос – котёл» подойдёт on-line ИБП серии SW с выходной мощностью 400 Вт/500 ВА (модели SW500L и SW500SL).

Подбор ИБП для бытовых приборов

От ИБП необходимо запитать несколько потребителей, а именно: холодильник, стиральную машину, телевизор и компьютер.

Пусть в технической документации перечисленных электроприборов присутствуют следующие записи относительно мощностных характеристик:

• холодильник: номинальная мощность – 95 Вт;
• стиральная машина: максимальная потребляемая мощность – 1000 Вт;
• телевизор: питание – 55 Вт;
• компьютер: пиковая мощность блока питания – 300 Вт.

Использование слов «максимальная» и «пиковая» указывает на то, что приведённый показатель отражает максимально возможное энергопотребление прибора, соответственно, для стиральной машины и компьютера оставляем значение паспортной мощности без изменения. Телевизор не имеет пусковых токов, поэтому его мощность также не меняем.

Для холодильника учитываем стартовый скачок энергопотребления и увеличиваем заявленный номинальный показатель в пять раз: 95 Вт х 5 = 475 Вт.

Находим суммарную максимально возможную активную мощность всех потребителей: 475 Вт + 1000 Вт + 55 Вт + 300 Вт = 1830 Вт.

После чего, используя соответствующее каждому прибору значение cosφ, рассчитываем суммарную максимально возможную полную мощность: 475 Вт / 0,8 + 1000 Вт / 0,75 + 55 Вт / 0,95 + 300 Вт / 0,99 = 2288 ВА.

Далее движемся по стандартному алгоритму и находим нагрузочный показатель в Вт и ВА: 1830 Вт + 1830 Вт х 0,3 = 2379 Вт; 2288 ВА + 2288 ВА х 0,3 = 2974,4 ВА.

Сверяя полученные цифры с модельным рядом ИБП Штиль, находим ближайшее в большую сторону значение – 2700 Вт/3000 ВА. «Бесперебойник» с такой выходной мощностью, в частности, модель ST1103SL сможет гарантированно работать с рассмотренной группой потребителей.