Расчет мощности через сопротивление и напряжение. Применение закона Ома на практике. Зависимость между электрическим током и мощностью, потребляемой приборами.

Проектируя электропроводку в помещении, начинать надо с расчета силы тока в цепях. Ошибка в этом расчете может потом дорого обойтись. Электрическая розетка может расплавиться под действием слишком сильного для нее тока. Если ток в кабеле больше расчетного для данного материала и сечения жилы, проводка будет перегреваться, что может привести к расплавлению провода, обрыва или короткого замыкания в сети с неприятными последствиями, среди которых необходимость полной замены электропроводки – еще не самое плохое.

Знать силу тока в цепи надо и для подбора автоматических выключателей, которые должны обеспечивать адекватную защиту от перегрузки сети. Если автомат стоит с большим запасом по номиналу, к моменту его срабатывания оборудование может уже выйти из строя. Но если номинальный ток автоматического выключателя меньше тока, возникающего в сети при пиковых нагрузках, автомат будет доводить до бешенства, постоянно обесточивая помещение при включении утюга или чайника.

Формула расчета мощности электрического тока

Согласно закону Ома, сила тока(I) пропорциональна напряжению(U) и обратно пропорциональна сопротивлению(R), а мощность(P) рассчитывается как произведение напряжения и силы тока. Исходя из этого, ток в участке сети рассчитывается: I = P/U.

В реальных условиях в формулу добавляется еще одна составляющая и формула для однофазной сети приобретает вид:

а для трехфазной сети: I = P/(1,73*U*cos φ),

где U для трехфазной сети принимается 380 В, cos φ – это коэффициент мощности, отражающий соотношение активной и реактивной составляющих сопротивления нагрузки.

Для современных блоков питания реактивная компонента незначительна, величину cos φ можно принимать равной 0,95. Исключение составляют мощные трансформаторы (например, сварочные аппараты) и электродвигатели, они имеют большое индуктивное сопротивление. В сетях, где планируется подключение подобных устройств, максимальную силу тока следует рассчитывать с использованием коэффициента cos φ, равного 0,8 или рассчитать силу тока по стандартной методике, а потом применить повышающий коэффициент 0,95/0,8 = 1,19.

Подставив действующие значения напряжения 220 В/380 В и коэффициента мощности 0,95, получаем I = P/209 для однофазной сети и I = P/624 для трехфазной сети, то есть в трехфазной сети при одинаковой нагрузке ток втрое меньше. Никакого парадокса тут нет, так как трехфазная проводка предусматривает три фазных провода, и при равномерной нагрузке на каждую из фаз она делится натрое. Поскольку напряжение между каждым фазным и рабочим нулевым проводами равно 220 В, можно и формулу переписать в другом виде, так она нагляднее: I = P/(3*220*cos φ).

Подбираем номинал автоматического выключателя

Применив формулу I = P/209, получим, что при нагрузке с мощностью 1 кВт ток в однофазной сети будет 4,78 А. Напряжение в наших сетях не всегда равно в точности 220 В, поэтому не будет большой ошибкой силу тока считать с небольшим запасом как 5 А на каждый киловатт нагрузки. Сразу же видно, что в удлинитель, промаркированный «5 А», утюг мощностью 1,5 кВт включать не рекомендуется, так как ток будет в полтора раза превышать паспортную величину. А еще сразу можно «проградуировать» стандартные номиналы автоматов и определить, на какую нагрузку они рассчитаны:

• 6 А – 1,2 кВт;
• 8 А – 1,6 кВт;
• 10 А – 2 кВт;
• 16 А – 3,2 кВт;
• 20 А – 4 кВт;
• 25 А – 5 кВт;
• 32 А – 6,4 кВт;
• 40 А – 8 кВт;
• 50 А – 10 кВт;
• 63 А – 12,6 кВт;
• 80 А – 16 кВт;
• 100 А – 20 кВт.

С помощью методики «5 ампер на киловатт» можно оценить силу тока, возникающую в сети при подключении бытовых устройств. Интересуют пиковые нагрузки на сеть, поэтому для расчета следует использовать максимальную потребляемую мощность, а не среднюю. Эта информация содержится в документации на изделия. Вряд ли стоит самому рассчитывать этот показатель, суммируя паспортные мощности компрессоров, электродвигателей и нагревательных элементов, входящих в устройство, так как есть еще такой показатель, как коэффициент полезного действия, который придется оценивать умозрительно с риском сильно ошибиться.

При проектировании электропроводки в квартире или загородном доме не всегда доподлинно известны состав и паспортные данные электрооборудования, которое будет подключаться, но можно воспользоваться ориентировочными данными обычных для нашего быта электроприборов:

• электросауна (12 кВт) - 60 А;
• электроплита (10 кВт) - 50 А;
• варочная панель (8 кВт) - 40 А;
• электроводонагреватель проточный (6 кВт) - 30 А;
• посудомоечная машина (2,5 кВт) - 12,5 А;
• стиральная машина (2,5 кВт) - 12,5 А;
• джакузи (2,5 кВт) - 12,5 А;
• кондиционер (2,4 кВт) - 12 А;
• СВЧ-печь (2,2 кВт) - 11 А;
• электроводонагреватель накопительный (2 кВт) - 10 А;
• электрочайник (1,8 кВт) - 9 А;
• утюг (1,6 кВт) - 8 А;
• солярий (1,5 кВт) - 7,5 А;
• пылесос (1,4 кВт) - 7 А;
• мясорубка (1,1 кВт) - 5,5 А;
• тостер (1 кВт) - 5 А;
• кофеварка (1 кВт) - 5 А;
• фен (1 кВт) - 5 А;
• настольный компьютер (0,5 кВт) - 2,5 А;
• холодильник (0,4 кВт) - 2 А.

Потребляемая мощность осветительных приборов и бытовой электроники невелика, в целом суммарную мощность осветительных приборов можно оценить в 1,5 кВт и автомата на 10 А на группу освещения достаточно. Бытовая электроника подключается к тем же розеткам, что и утюги, дополнительные мощности резервировать для нее нецелесообразно.

Если просуммировать все эти токи, цифра получается внушительная. На практике, возможности подключения нагрузки ограничивает величина выделенной электрической мощности, для квартир с электрической плитой в современных домах она составляет 10 -12 кВт и на квартирном вводе стоит автомат номиналом 50 А. И эти 12 кВт надо распределить, учитывая то, что самые мощные потребители сосредоточены на кухне и в ванной комнате. Проводка будет доставлять меньше поводов для беспокойства, если разбить ее на достаточное количество групп, каждая со своим автоматом. Для электроплиты (варочной панели) делается отдельный ввод с автоматом на 40 А и устанавливается силовая розетка с номинальным током 40 А, ничего больше туда подключать не надо. Для стиральной машины и другого оборудования ванной комнаты делается отдельная группа, с автоматом соответствующего номинала. Эту группу обычно защищают УЗО с номинальным током на 15% большим, чем номинал автоматического выключателя. Отдельные группы выделяют для освещения и для настенных розеток в каждой комнате.

На расчет мощностей и токов придется потратить некоторое время, но можно быть уверенным, что труды не пропадут даром. Грамотно спроектированная и качественно смонтированная электропроводка – залог комфорта и безопасности вашего жилища.

В статье для упрощения обозначений линейные величины напряжения, тока и мощности трехфазной системы будут даваться без индексов, т. е. U, I и P.

Мощность трехфазного тока равна тройной мощности одной фазы.

При соединении в звезду PY=3∙Uф∙Iф∙ cosφ =3∙Uф∙I∙ cosφ .

При соединении в треугольник P∆=3∙Uф∙Iф∙ cosφ =3∙U∙Iф∙ cosφ .

На практике применяется формула, в которой ток и напряжение обозначают линейные величины и для соединения в звезду и в треугольник. В первое уравнение подставим Uф=U/√3, а во второе Iф=I/√3, получим общую формулу P=√3∙U∙I ∙ cosφ .

Примеры

1. Какую мощность P1 берет из сети трехфазный асинхронный двигатель, показанный на рис. 1 и 2, при соединении в звезду и треугольник, если линейное напряжение U=380 В, а линейный ток I=20 А при cosφ =0,7?

Вольтметр и амперметр показывают линейные значения, действующие значения.

Рис. 1.

Рис. 2.

Мощность двигателя по общей формуле будет:

P1=√3∙U∙I ∙ cosφ =√3∙380∙20∙0,7=9203 Вт=9,2 кВт.

значит, мощность

P1=3∙Uф∙Iф ∙ cosφ =3∙U/√3∙I∙ cosφ =3∙380/√3∙20∙0,7;

P1=3∙380/1,73∙20∙0,7=9225 Вт ≈9,2 кВт.

При соединении в треугольник фазное напряжение Uф=U, а фазный ток Iф=I/√3=20/√3; таким образом,

P1=3∙Uф∙Iф ∙ cosφ =3∙U∙I/√3∙ cosφ ;

P1=3∙380∙20/1,73∙0,7=9225 Вт ≈9,2 кВт.

2. В четырехпроводную сеть трехфазного тока между линейными и нулевым проводами включены лампы, а к трем линейным проводам подключается двигатель Д, как показано на рис. 3.

Рис. 3.

На каждую фазу включены 100 ламп по 40 Вт каждая и 10 двигателей мощностью по 5 кВт. Какие активную и полную мощности должен отдавать генератор Г при sin⁡φ=0,8? Каковы токи фазный, линейный и в нулевом проводе генератора при линейном напряжении U=380 В?

Общая мощность ламп Pл=3∙100∙40 Вт =12000 Вт =12 кВт.

Лампы находятся под фазным напряжением Uф=U/√3=380/1,73=220 В.

Общая мощность трехфазных двигателей Pд=10∙5 кВт =50 кВт.

Активная мощность, отдаваемая генератором, PГ и получаемая потребителем P1 равны, если пренебречь потерей мощности в проводах электропередачи:

P1= PГ=Pл+Pд=12+50=62 кВт.

Полная мощность генератора S=PГ/ cosφ =62/0,8=77,5 кВА.

В этом примере все фазы одинаково нагружены, а потому в нулевом проводе в каждое мгновение ток равен нулю.

Фазный ток обмотки статора генератора равен линейному току линии (Iф=I), а его значение можно получить, воспользовавшись формулой для мощности трехфазного тока:

I=P/(√3∙U ∙ cosφ )=62000/(√3∙380∙0,8)=117,8 А.

3. На рис. 4 показано, что к фазе B и нулевому проводу подключена плитка мощностью 500 Вт, а к фазе C и нулевому проводу – лампа 60 Вт. К трем фазам ABC подключены двигатель мощностью 2 кВт при cosφ =0,7 и электрическая плита мощностью 3 кВт.

Чему равны общая активная и полная мощности потребителей? Какие токи проходят в отдельных фазах при линейном напряжении сети U=380 В?

Рис. 4.

Активная мощность потребителей P=500+60+2000+3000=5560 Вт=5,56 кВт.

Полная мощность двигателя S=P/ cosφ =2000/0,7=2857 ВА.

Общая полная мощность потребителей будет: Sобщ=500+60+2857+3000=6417 ВА =6,417 кВА.

Ток электрической плитки Iп=Pп/Uф =Pп/(U⁄√3)=500/220=2,27 А.

Ток лампы Iл=Pл/Uл =60/220=0,27 А.

Ток электрической плиты определим по формуле мощности для трехфазного тока при cosφ =1 (активное сопротивление):

P=√3∙U∙I∙ cosφ =√3∙U∙I;

I=P/(√3∙U)=3000/(√3∙380)=4,56 А.

Ток двигателя IД=P/(√3∙U∙ cosφ )=2000/(√3∙380∙0,7)=4,34 А.

В проводе фазы A течет ток двигателя и электрической плиты:

IА=IД+I=4,34+4,56=8,9 А.

В фазе B течет ток двигателя, плитки и электрической плиты:

IВ=IД+Iп+I=4,34+2,27+4,56=11,17 А.

В фазе C течет ток двигателя, лампы и электрической плиты:

IС=IД+Iл+I=4,34+0,27+4,56=9,17 А.

Везде даны действующие значения токов.

На рис. 4 показано защитное заземление З электрической установки. Нулевой провод заземляется наглухо у питающей подстанции и потребителя. Все части установок, к которым возможно прикосновение человека, присоединяются к нулевому проводу и тем самым заземляются.

При случайном заземлении одной из фаз, например C, возникает однофазное короткое замыкание и предохранитель или автомат этой фазы отключает ее от источника питания. Если человек, стоящий на земле, коснется неизолированного провода фаз A и B, то он окажется только под фазным напряжением. При незаземленной нейтрали фаза C не была бы отключена и человек оказался бы под линейным напряжением по отношениям к фазам A и B.

4. Какую подводимую к двигателю мощность покажет трехфазный ваттметр, включенный в трехфазную сеть с линейным напряжением U=380 В при линейном токе I=10 А и cosφ =0,7? К. п. д. двигателя η=0,8? Чему равна мощность двигателя на валу (рис. 5)?

Рис. 5.

Ваттметр покажет подводимую к двигателю мощность P1 т. е. мощность полезную P2 плюс потери мощности в двигателе:

P1=√(3∙) U∙I∙ cosφ =1,73∙380∙10∙0,7=4,6 кВт.

Полезная мощность, за вычетом потерь в обмотках и стали, а также механических в подшипниках

P2=P1∙η=4,6∙0,8=3,68 кВт.

5. Трехфазный генератор отдает ток I=50 А при напряжении U=400 В и cosφ =0,7. Какая механическая мощность в лошадиных силах необходима для вращения генератора при к. п. д. генератора η=0,8 (рис. 6)?

Рис. 6.

Активная электрическая мощность генератора, отдаваемая электродвигателю, PГ2=√(3∙) U∙I∙ cosφ =√3∙400∙50∙0,7=24220 Вт =24,22 кВт.

Механическая мощность, подводимая к генератору, PГ1 покрывает активную мощность PГ2 и потери в нем: PГ1=PГ2/ηГ =24,22/0,8≈30,3 кВт.

Эта механическая мощность, выраженная в лошадиных силах, равна:

PГ1=30,3∙1,36≈41,2 л. с.

На рис. 6 показано, что к генератору подводится механическая мощность PГ1. Генератор преобразует ее в электрическую, которая равна

PГ2=PГ1∙ηГ. Эта мощность, активная и равна PГ2=√3∙U∙I∙ cosφ , передается по проводам электродвигателю, в котором она преобразуется в механическую мощность. Кроме того, генератор посылает электродвигателю реактивную мощность Q, которая намагничивает двигатель, но в нем не расходуется, а возвращается в генератор.

Она равна Q=√3∙U∙I∙sin⁡φ и не превращается ни в тепло, ни в механическую мощность. Полная мощность S=P⁄ cosφ , как мы видели раньше, определяет только степень использования материалов, затраченных на изготовление машины.

6. Трехфазный генератор работает при напряжении U=5000 В и токе I=200 А при cosφ =0,8. Чему равен его к. п. д., если мощность, отдаваемая двигателем, вращающим генератор, равна 2000 л. с.?

Мощность двигателя, поданная на вал генератора (если нет промежуточных передач),

PГ1=2000∙0,736=1473 кВт.

Мощность, развиваемая трехфазным генератором,

PГ2=√(3∙) U∙I∙ cosφ =1,73∙5000∙200∙0,8=1384000 Вт =1384 кВт.

К. п. д. генератора η= PГ2/PГ1 =1384/1472=0,94=94%.

7. Какой ток проходит в обмотке трехфазного трансформатора при мощности 100 кВА и напряжении U=22000 В при cosφ =1?

Полная мощность трансформатора S=√3∙U∙I=1,73∙22000∙I.

Отсюда ток I=S/(√3∙U)=(100∙1000)/(1,73∙22000)=2,63 А.

8. Какой ток потребляет трехфазный асинхронный двигатель при мощности на валу 40 л. с. при напряжении 380 В, если его cosφ =0,8, а к. п. д. η=0,9?

Мощность двигателя на валу, т. е. полезная, P2=40∙736=29440 Вт.

Подводимая к двигателю мощность, т. е. мощность, получаемая из сети,

P1=P2/η=29440/0,9=32711 Вт.

Ток двигателя I=P1/(√3∙U∙I∙ cosφ )=32711/(1,73∙380∙0,8)=62 А.

9. Трехфазный асинхронный двигатель имеет на щитке следующие данные: P=15 л. с.; U=380/220 В; cosφ =0,8; η=85%; соединение – звезда. Величины, обозначенные на щитке, называются номинальными.

Рис. 7.

Чему равны активная, полная и реактивная мощности двигателя? Каковы величины токов: полного, активного и реактивного (рис. 7)?

Механическая мощность двигателя (полезная) равна:

P2=15∙0,736=11,04 кВт.

Подводимая к двигателю мощность P1 больше полезной на величину потерь в двигателе:

P1=P2/η=11,04/0,85≈13 кВт.

Полная мощность S=P1/ cosφ =13/0,8=16,25 кВА;

Q=S∙sin⁡φ=16,25∙0,6=9,75 кВАр (см. треугольник мощностей).

Ток в соединительных проводах, т. е. линейный, равен: I=P1/(√3∙U∙ cosφ )=S/(√3∙U)=16250/(1,73∙380)=24,7 А.

Активный ток Iа=I∙ cosφ =24,7∙0,8=19,76 А.

Реактивный (намагничивающий) ток Iр=I∙sin⁡φ=24,7∙0,6=14,82 А.

10. Определить ток в обмотке трехфазного электродвигателя, если она соединена в треугольник и полезная мощность двигателя P2=5,8 л. с. при к. п. д. η=90%, коэфφциенте мощности cosφ =0,8 и линейном напряжении сети 380 В.

Полезная мощность двигателя P2=5,8 л. с., или 4,26 кВт. Поданная к двигателю мощность

P1=P2/η=4,26/0,9=4,74 кВт. I=P1/(√3∙U∙ cosφ )=(4,74∙1000)/(1,73∙380∙0,8)=9,02 А.

При соединении в треугольник ток в обмотке фазы двигателя будет меньше, чем ток подводящих проводов: Iф=I/√3=9,02/1,73=5,2 А.

11. Генератор постоянного тока для электролизной установки, рассчитанный на напряжение U=6 В и ток I=3000 А, в соединении с трехфазным асинхронным двигателем образует двигатель-генератор. К. п. д. генератора ηГ=70%, к. п. д. двигателя ηД=90%, а его коэфφциент мощности cosφ =0,8. Определить мощность двигателя на валу и подводимую к нему мощность (рис. 8 и 6).

Рис. 8.

Полезная мощность генератора PГ2=UГ∙IГ=6∙3000=18000 Вт.

Подводимая к генератору мощность равна мощности на валу P2 приводного асинхронного двигателя, которая равна сумме PГ2 и потерь мощности в генераторе, т. е. PГ1=PГ2/η=18000/0,7=25714 Вт.

Активная мощность двигателя, подаваемая к нему из сети переменного тока,

P1=P2/ηД =25714/0,9=28571 Вт =28,67 кВт.

12. Паровая турбина с к. п. д. ηТ=30% вращает генератор с к. п. д. ηГ=92% и cosφ =0,9. Какую подводимую мощность (л. с. и ккал/сек) должна иметь турбина, чтобы генератор обеспечивал ток 2000 А при напряжении U=6000 В? (Перед началом расчета см. рис. 6 и 9.)

Рис. 9.

Мощность генератора переменного тока, отдаваемая потребителю,

PГ2=√(3∙) U∙I∙ cosφ =1,73∙6000∙2000∙0,9=18684 кВт.

Подводимая к генератору мощность равна мощности P2 на валу турбины:

PГ1=P2=PГ2/ηГ =18684/0,92=20308 кВт.

Подводимая к турбине при помощи пара мощность

P1=P2/ηТ =20308/0,3=67693 кВт,

или P1=67693∙1,36=92062 л. с.

Подводимую мощность к турбине в ккал/сек определим по формуле Q=0,24∙P∙t;

Q⁄t=0,24∙P=0,24∙67693=16246 ккал/сек.

13. Определить сечение провода длиной 22 м, по которому идет ток к трехфазному двигателю мощностью 5 л. с. напряжением 220 В при соединении обмотки статора в треугольник. cosφ =0,8; η=0,85. Допустимое падение напряжения в проводах ∆U=5%.

Подводимая к двигателю мощность при полезной мощности P2

P1=(P2∙0,736)/η=(5∙0,736)/0,85=4,43 кВт.

По соединительным проводам протекает ток I=P1/(U∙√3∙ cosφ ) = 4430/(220∙√3∙0,8)=14,57 А.

В трехфазной линии токи складываются геометрически, поэтому падение напряжения в проводе следует брать ∆U: √3, а не ∆U: 2, как при однофазном токе. Тогда сопротивление провода:

r=(∆U:√3)/I=(11:√3)/14,57=0,436 Ом,

где ∆U – в вольтах.

S=(ρ∙l)/r=1/57∙22/0,436=0,886 мм2 ≈1 мм2.

Сечение проводов в трехфазной цепи получается меньшим, чем в однофазной.

14. Определить и сравнить сечения проводов для постоянного переменного однофазного и трехфазного токов. К сети подсоединены 210 ламп по 60 Вт каждая на напряжение 220 В, находящиеся на расстоянии 200 м, от источника тока. Допустимое падение напряжения 2%.

а) При постоянном и однофазном переменном токах, т. е. когда имеются два провода, сечения будут одинаковыми, так как при осветительной нагрузке cosφ =1 и передаваемая мощность

P=210∙60=12600 Вт,

а ток I=P/U=12600/220=57,3 А.

Допустимое падение напряжения ∆U=220∙2/100=4,4 В.

Сопротивление двух проводов r=∆U/I∙4,4/57,3=0,0768 Ом.

Сечение провода

S1=(ρ∙l)/r=1/57∙(200∙2)/0,0768=91,4 мм2.

Для передачи мощности необходимо общее сечение проводов 2∙S1=2∙91,4=182,8 мм2 при длине провода 200 м.

б) При трехфазном токе лампы можно соединить в треугольник, по 70 ламп на сторону.

При cosφ =1 передаваемая по проводам мощность P=√3∙Uл∙I.

I=P/(U∙√3)=12600/(220∙√3)=33,1 А.

Допустимое падение напряжения в одном проводе трехфазной сети не ∆U⁄2 (как в однофазной сети), a ∆U⁄√3. Сопротивление одного провода в трехфазной сети будет:

r=(U:√3)/I=(4,4:√3)/33,1=0,0769 Ом;

S3ф=(ρ∙l)/r=1/57∙200/0,0769=45,7 мм2.

Общее сечение проводов для передачи мощности 12,6 кВт в трехфазной сети при соединении в треугольник меньше, чем в однофазной: 3∙S3ф=137,1 мм2.

в) При соединении в звезду необходимо линейное напряжение U=380 В, чтобы фазное напряжение на лампах было 220 В, т. е. чтобы лампы включались между нулевым проводом и каждым линейным.

Ток в проводах будет: I=P/(U:√3)=12600/(380:√3)=19,15 А.

Сопротивление провода r=(∆U:√3)/I=(4,4:√3)/19,15=0,1325 Ом;

S3зв=(ρ∙l)/r=1/57∙200/0,1325=26,15 мм2.

Общее сечение при соединении в звезду – самое маленькое, что достигается увеличением напряжения тока для передачи данной мощности: 3∙S3зв=3∙25,15=75,45 мм2.