Energie electrică

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 21 februarie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Puterea electrică este o mărime fizică care caracterizează viteza de transmitere sau conversie a energiei electrice.

Unitatea de măsură în Sistemul Internațional de Unități (SI) este watul (desemnare rusă: W , internațională: W ).

Putere electrică instantanee

Puterea instantanee este produsul valorilor instantanee ale tensiunii și curentului în orice secțiune a circuitului electric.

Prin definiție, tensiunea electrică este raportul dintre munca câmpului electric efectuat la transferul unei sarcini electrice de testare dintr-un punct în punct la valoarea sarcinii de testare. Adică, putem spune că tensiunea electrică este numeric egală cu munca de transfer a unei sarcini unitare de la un punct la altul . Cu alte cuvinte, atunci când o sarcină unitară se mișcă de-a lungul unei secțiuni a unui circuit electric, va lucra sau se va lucra asupra ei, numeric egală cu tensiunea electrică care acționează asupra secțiunii circuitului. Înmulțind tensiunea cu numărul de sarcini unitare, obținem astfel munca pe care o face câmpul electric pentru a muta aceste sarcini de la începutul secțiunii circuitului până la sfârșitul acesteia. Puterea, prin definiție, este muncă pe unitatea de timp. $A$ $B$ $A$ $B$

Să introducem notația:

U

- tensiune pe site (o luăm constantă pe interval );

AB

\Delta t

Q

este numărul de taxe transmise de la la în timp ;

A

B

\Delta t

A

- munca efectuata de sarcina la deplasarea pe amplasament ;

Q

AB

P

- putere.

Notând raționamentul de mai sus, obținem:

P_{AB}={\frac {A}{\Delta t))~.

Pentru o singură taxă pe site : $AB$

P_{e(AB)}={\frac {U}{\Delta t))~.

Pentru toate taxele:

P_{AB}={\frac {U}{\Delta t}}\cdot {Q}={U}\cdot {\frac {Q}{\Delta t}}~.

Deoarece curentul este o sarcină electrică care curge prin conductor pe unitate de timp, adică prin definiție, rezultatul este: $\textstyle I={\frac {Q}{\Delta t)}$

P_{AB}=U\cdot I~.

Presupunând că timpul este infinit de mic, putem presupune că și valorile tensiunii și curentului în acest timp se vor schimba infinitezimal. Ca rezultat, obținem următoarea definiție a puterii electrice instantanee:

puterea electrică instantanee eliberată într-o secțiune a unui circuit electric este produsul valorilor instantanee ale tensiunii și curentului din această secțiune: $p(t)$ $u(t)$ $aceasta)$

p(t)=u(t)\cdot i(t)~.

Dacă secțiunea circuitului conține un rezistor cu rezistență electrică , atunci: $R$

p(t)=i(t)^{2}\cdot R={\frac {u(t)^{2}}{R}}~.

Expresii diferențiale pentru puterea electrică

Puterea eliberată pe unitate de volum este:

w={\frac {dP}{dV}}=\mathbf {E} \cdot \mathbf {j} ~,

Unde:

\mathbf {E}

- intensitatea câmpului electric ;

{\mathbf j}

este densitatea de curent .

Valoarea negativă a produsului scalar (vectorii și sunt opuși sau formează un unghi obtuz ) înseamnă că, la un punct dat, puterea electrică nu este disipată, ci este generată datorită muncii forțelor externe. $\mathbf {E}$ ${\mathbf j}$

În cazul unui mediu izotrop în aproximarea liniară:

w=\sigma E^{2}={\frac {E^{2}}{\rho }}=\rho j^{2}={\frac {j^{2}}{\sigma }}~,

unde este conductivitatea specifică , inversul rezistivității . $\textstyle \sigma \,{\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}}\,{\frac {1}{\rho }}$

În cazul anizotropiei (de exemplu, într-un singur cristal sau un cristal lichid , precum și în prezența efectului Hall ) într-o aproximare liniară:

w=\sigma _{\alpha \beta}E_{\alpha }E_{\beta}~,

unde este tensorul de conductivitate . $\sigma _{{\alpha \beta }}$

putere DC

Deoarece valorile curentului și tensiunii sunt constante și egale cu valorile instantanee în orice moment, puterea poate fi calculată prin formula:

P=I\cdot U~.

Pentru un circuit liniar pasiv care respectă legea lui Ohm , se poate scrie:

P=I^{2}\cdot R={\frac {U^{2}}{R}}~,

unde este rezistenta electrica . $R$

Dacă circuitul conține o sursă de fem , atunci puterea electrică emisă sau absorbită pe acesta este egală cu:

P=I\cdot {\mathcal {E}}~,

unde este EMF. ${\mathcal {E}}$

Dacă curentul din interiorul EMF este opus gradientului de potențial (curge în interiorul EMF de la plus la minus), atunci puterea este absorbită de sursa EMF din rețea (de exemplu, când motorul electric funcționează sau bateria este încărcare ), dacă este codirecțională (curge în interiorul EMF de la minus la plus), atunci este transmisă de sursă în rețea (să zicem, când funcționează o baterie galvanică sau un generator ). Luând în considerare rezistența internă a sursei EMF, puterea eliberată pe aceasta se adaugă la cea absorbită sau scade din ieșire. $p=I^{2}\cdot r$

Alimentare AC

În circuitele de curent alternativ, formula pentru puterea de curent continuu poate fi utilizată doar pentru a calcula puterea instantanee, care variază foarte mult în timp și nu este foarte utilă direct pentru majoritatea calculelor practice simple. Calculul direct al valorii medii a puterii necesită integrare în timp. Pentru a calcula puterea în circuitele în care tensiunea și curentul se modifică periodic, puterea medie poate fi calculată prin integrarea puterii instantanee pe o perioadă. În practică, calculul puterii în circuitele de tensiune și curent sinusoidal alternativ este de cea mai mare importanță.

Pentru a lega conceptele de putere aparentă, activă, reactivă și factor de putere , este convenabil să ne întoarcem la teoria numerelor complexe . Se poate considera că puterea din circuitul de curent alternativ este exprimată printr-un număr complex, astfel încât puterea activă este partea sa reală, puterea reactivă este partea sa imaginară, puterea aparentă este modulul, iar unghiul ( defazare ) este argumentul. Pentru un astfel de model, toate relațiile scrise mai jos se dovedesc a fi valabile. $\varphi$

Putere activă

Unitatea SI este watul [1] .

P=U\cdot I\cdot \cos \varphi ~.

Valoarea medie a puterii instantanee pe perioada se numește putere electrică activă sau putere electrică: $T$

P={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}p(t)dt~.

În circuitele cu un curent sinusoidal monofazat , unde și sunt valorile eficace ale tensiunii și curentului , este unghiul de fază dintre ele. Pentru circuitele de curent nesinusoidal, puterea electrică este egală cu suma puterilor medii corespunzătoare ale armonicilor individuale. Puterea activă caracterizează rata de transformare ireversibilă a energiei electrice în alte tipuri de energie (termică și electromagnetică). Puterea activă poate fi exprimată și în termeni de putere a curentului, tensiune și componenta activă a rezistenței circuitului sau conductivitatea acestuia folosind formula . În orice circuit electric, atât curent sinusoidal, cât și nesinusoidal, puterea activă a întregului circuit este egală cu suma puterilor active ale părților individuale ale circuitului; pentru circuitele trifazate , puterea electrică este definită ca suma puterilor fazelor individuale. Puterea activă este legată de puterea deplină prin relația . $P=U\cdot I\cdot\cos\varphi$ $U$ $eu$ $\varphi$ $r$ $g$ $P=I^{2}\cdot r=U^{2}\cdot g$ $S$ $P=S\cdot\cos\varphi$

În teoria liniilor lungi (o analiză a proceselor electromagnetice dintr-o linie de transmisie a cărei lungime este comparabilă cu lungimea unei unde electromagnetice), analogul complet al puterii active este puterea transmisă, care este definită ca diferența dintre puterea incidentă. și puterea reflectată.

Putere reactivă

Unitatea de măsură, la propunerea Comisiei Electrotehnice Internaționale, este var (volt-amperi reactiv); (Desemnare rusă: var ; internațional: var ). În ceea ce privește unitățile SI, așa cum s-a menționat în ediția a 9-a a Broșurii SI, var este coerent cu produsul volți-amperi. În Federația Rusă , această unitate este aprobată pentru utilizare ca unitate în afara sistemului fără limită de timp, cu un domeniu de aplicare în domeniul „ inginerii electrice ” [1] [2] :

Q=U\cdot I\cdot \sin \varphi ~.

Var este definită ca puterea reactivă a unui circuit de curent alternativ sinusoidal la o tensiune efectivă de 1 V și un curent de 1 A, dacă defazajul între curent și tensiune [3] . $\textstyle {\frac {\pi }{2)}$

Puterea reactivă este o valoare care caracterizează sarcinile create în dispozitivele electrice prin fluctuațiile energiei unui câmp electromagnetic într-un circuit de curent alternativ sinusoidal, egală cu produsul dintre valorile pătrate medii ale tensiunii și curentului , înmulțit cu sinusoidul. a unghiului de defazare dintre ele: (dacă curentul rămâne în urma tensiunii, defazajul este considerat pozitiv, dacă înainte - negativ). Puterea reactivă este legată de puterea aparentă și puterea activă prin : $U$ $eu$ $\varphi$ $Q=U\cdot I\cdot \sin \varphi$ $S$ $P$

|Q|={\sqrt {S^{2}-P^{2))}~.

Semnificația fizică a puterii reactive este energia pompată de la sursă către elementele reactive ale receptorului (inductanțe, condensatoare, înfășurări ale motorului), și apoi returnată de aceste elemente înapoi la sursă în timpul unei perioade de oscilație, aferentă acestei perioade.

Trebuie remarcat faptul că valoarea pentru valorile de la 0 la plus 90° este o valoare pozitivă. Valoarea valorilor de la 0 la -90° este o valoare negativă. În conformitate cu formula , puterea reactivă poate fi fie pozitivă (dacă sarcina este activ-inductivă) fie negativă (dacă sarcina este activ-capacitivă). Această împrejurare subliniază faptul că puterea reactivă nu este implicată în activitatea curentului electric. Când un dispozitiv are putere reactivă pozitivă, se obișnuiește să se spună că îl consumă, iar când este negativ, îl produce, dar aceasta este o convenție pură datorită faptului că majoritatea dispozitivelor consumatoare de energie (de exemplu, motoarele cu inducție ), precum și o sarcină pur activă conectată printr-un transformator sunt activ-inductiv. $\sin\varphi$ $\varphi$ $\sin\varphi$ $\varphi$ $Q=UI\sin\varphi$

Generatoarele sincrone instalate în centralele electrice pot produce și consuma atât putere reactivă, în funcție de cantitatea de curent de excitație care curge în înfășurarea rotorului generatorului. Datorită acestei caracteristici a mașinilor electrice sincrone, nivelul specificat al tensiunii de rețea este reglat. Pentru a elimina suprasarcinile și a crește factorul de putere al instalațiilor electrice, se efectuează compensarea puterii reactive .

Utilizarea traductoarelor electrice moderne de măsurare pe tehnologia cu microprocesor permite o evaluare mai precisă a cantității de energie returnată de la o sarcină inductivă și capacitivă la o sursă de tensiune alternativă.

Putere maximă

Unitatea de măsură este V A, volt-amper (desemnare rusă: V A ; internațional: V A ). În Federația Rusă, această unitate este aprobată pentru utilizare ca unitate în afara sistemului, fără limită de timp, cu scopul de „inginerie electrică” [1] [2] .

Puterea aparentă - o valoare egală cu produsul dintre valorile efective ale curentului electric periodic din circuit și tensiunea la bornele acestuia este legată de puterile active și reactive prin raportul: $eu$ $U$ $S=U\cdot I$

S={\sqrt {P^{2}+Q^{2)}}~,

Unde:

P

- putere activă;

Q

- putere reactivă (cu sarcină inductivă și cu capacitate ).

Q>0

Q<0

Dependența vectorială dintre puterea aparentă, activă și reactivă este exprimată prin formula:

{\vec {S}}={\vec {P}}+{\vec {Q}}~.

Puterea maximă este de importanță practică, ca valoare care descrie sarcinile efectiv impuse de către consumator asupra elementelor rețelei de alimentare ( fire , cabluri , tablouri de distribuție , transformatoare , linii electrice ), întrucât aceste sarcini depind de curentul consumat, și nu asupra energiei efectiv utilizate de consumator. De aceea puterea totală a transformatoarelor și tablourilor de distribuție este măsurată în Volți-Amperi și nu în Wați.

Putere integrată

Puterea, similară cu impedanța , poate fi scrisă într-o formă complexă:

{\dot {S}}={\dot {U}}{\dot {I}}^{*}=I^{2}\mathbb {Z} ={\frac {U^{2} }{\mathbb {Z} ^{*}}}~,

Unde:

{\punct {U}}

este stresul complex;

{\punct {I}}

este curentul complex;

\mathbb {Z}

este impedanța;

*

este operatorul complex de conjugare .

Modulul de putere integrat este egal cu puterea aparentă, partea reală este egală cu puterea activă, iar partea imaginară este egală cu puterea reactivă cu semnul corect în funcție de natura sarcinii. $\left|{\punct {S}}\right|$ $S.$ ${\mathrm {Re}}({\punct {S}})$ $P,$ ${\mathrm {Im}}({\punct {S}})$ $Q$

Măsurători

Pentru a măsura puterea electrică, se folosesc wattmetre și varmetre , puteți utiliza și o metodă indirectă, folosind un voltmetru , un ampermetru și un contor de fază .
Contoarele de fază sunt folosite pentru a măsura factorul de putere reactivă
Standard de stat de putere - GET 153-2012 Standard primar de stat al unei unități de putere electrică în intervalul de frecvență de la 1 la 2500 Hz. Institutul Custode: VNIIM

Consumul de energie al unor aparate electrice

Valorile puterii electrice consumate ale unor consumatori

Aparat electric	Putere, W
bec de lanternă	unu
Router de rețea, hub	10…20
unitate de sistem PC	100…1700
Bloc de sistem server	200…1500
Monitor pentru PC CRT	15…200
Monitor pentru PC LCD	2…40
Lampă fluorescentă de uz casnic	5…30
Lampă cu incandescență de uz casnic	25…150
Frigider de uz casnic	15…700
Aspirator electric	100…3000
fier de calcat	300...2000
Mașină de spălat	350...2000
plita electrica	1000...2000
Aparat de sudura de uz casnic	1000...5500
Motor de lift cu înălțime mică	3000...15000
Motor de tramvai	45 000...75 000
motorul locomotivei	650 000
Motor de ridicare al minei	1.000.000…5.000.000
Motor laminoare	6.000.000...32.000.000

Putere de ieșire

Măsoară atât puterile pe termen lung ( RMS ) cât și pe termen scurt ( PMO, PMPO ) care pot fi furnizate de amplificatoare de putere .

vezi si : eficienta

Vezi și

Note

↑ 1 2 3 Dengub V. M., Smirnov V. G. Unități de mărime. Dicţionar de referinţă. - M . : Editura de standarde, 1990. - S. 26-27. — 240 s. — ISBN 5-7050-0118-5 .
↑ 1 2 Reglementări privind unitățile de valori permise pentru utilizare în Federația Rusă Copie de arhivă din 2 noiembrie 2013 pe Wayback Machine , aprobată prin Decretul Guvernului Federației Ruse din 31 octombrie 2009 N 879.
↑ Sena L. A. Unități de mărimi fizice și dimensiunile acestora. — M.: Nauka , 1977. — S. 213.

Literatură

GOST 8.417-2002 Unități.
PR 50.2.102-2009 Regulamentul privind unitățile de cantități permise pentru utilizare în Federația Rusă.
L. A. Bessonov . Bazele teoretice ale ingineriei electrice. Circuite electrice: manual

pentru burlac. - Ed. a XII-a, Rev. si suplimentare - M. : Yurayt, 2016. - 702 p. — (Licență. Curs avansat). - 1000 de exemplare. - ISBN 978-5-9916-3210-2 .

Goldshtein E. I., Sulaimanov A. O., Gurin T. S. Caracteristicile de putere ale circuitelor electrice la curenți și tensiuni nesinusoidale. TPU, - Tomsk, 2009, Dep. în VINITI, 06.04.09, Nr. 193 - 2009. - 146 p.

Link -uri

Conversia energiei într-un circuit electric . Puterea instantanee, activă, reactivă și aparentă a curentului sinusoidal . ToeHelp.Ru . Preluat: 7 martie 2022. (Rusă)
Pentru ce este compensarea puterii reactive ? Scoala de Electrician (2010). Preluat: 7 martie 2022. (Rusă)
V. Korotun . ed. D. Makarov : Cum se calculează puterea unui curent electric? . Notele electricianului . ASUTPP. Preluat: 7 martie 2022. (Rusă)