Как измеряется мощность: определение и виды нагрузок, зависимость от параметров сети, способы учесть киловатты

Обновлено: 16.05.2024

Ватт (обозначение: Вт, W) — в системе СИ единица измерения мощности .

Для расчётов, связанных с мощностью, не всегда удобно использовать ватт сам по себе. Иногда, когда измеряемые величины очень большие или очень маленькие, гораздо удобнее пользоваться единицей измерения со стандартными приставками, что позволяет избежать постоянных вычислений порядка значения. Так, при проектировании и расчёте радаров и радиоприёмников чаще всего используют пВт или нВт, для медицинских приборов , таких как ЭЭГ и ЭКГ , используют мкВт. В производстве электричества, а также при проектировании железнодорожных локомотивов , пользуются мегаваттами (МВт) и гигаваттами (ГВт).

Из-за схожих названий, киловатт и киловатт-час часто путают в повседневном употреблении, особенно когда это относится к электроприборам. Однако эти две единицы измерения относятся к разным физическим величинам. В ваттах и, следовательно, киловаттах измеряется мощность, то есть количество энергии , потребляемое прибором за единицу времени. Ватт-час и киловатт-час являются единицами измерения энергии, то есть ими определяется не характеристика прибора, а количество работы, выполненной этим прибором.

Эти две величины связаны следующим образом. Если лампочка мощностью в 100 Вт работала на протяжении 1 часа, её работа потребовала 100 Вт·ч энергии, или 0,1 кВт·ч. 40-ваттная лампочка потребит такое же количество энергии за 2,5 часа. Мощность электростанции измеряется в мегаваттах, но количество проданной электроэнергии будет измеряться в киловатт-часах (мегаватт-часах).

Следовательно Килова́тт-час (кВт·ч) — внесистемная единица измерения работы или количества произведенной энергии . Используется преимущественно для измерения потребления электроэнергии в быту, народном хозяйстве и для измерения выработки электроэнергии в электроэнергетике .

Интересные факты

С помощью 1 кВт·ч можно добыть 75 кг угля , 35 кг нефти , испечь 88 буханок хлеба , выткать 10 метров ситца , вспахать 2,5 сотки земли

По работе квартирного электросчётчика можно проследить, что накручивание киловатт-часов происходит тем быстрее, чем большая нагрузка подается на сеть. На этом основан один из способов того, как измеряется мощность. Существует несколько разновидностей показателя, обозначаемого по первой букве английского watt — W. От параметров электросхемы жилища зависит величина энергопотребления — оно прямо пропорционально мощности подключённых токоприёмников.

Виды электрической мощности

Физическая величина W представляет собой скорость изменения, передачи, потребления и преобразования энергии рассматриваемой системы. Конкретно определение мощности звучит как отношение выполняемой в какой-то период работы к промежутку времени действия: W=ΔА/Δ t, Дж/с=ватт (Вт).

В отношении электрической сети речь идёт о перемещении заряда под действием напряжения: А=U. Потенциал между двумя точками проводника — и есть показатель энергии движения единичного нуклона. Полная работа протекания всего количества электронов — Ап=U*Q, где Q — общее число зарядов в сети. В этом случае формула мощности приобретает вид W=U*Q/t, выражение Q/t — электроток (I), то есть W=U*I.

В энергетике различают несколько терминов W:

Активная (полезная W) в ваттах — она выражается в полном преобразовании одной нагрузки в другую. Примером служит лампочка, при горении которой электричество всецело переходит в тепло и свет.
Реактивная, Wр — сопровождается появлением индукции, в результате чего часть энергии возвращается в сеть, негативно влияет на состояние схемы, нарушая баланс тока и напряжения. Измеряется в вольт-амперах реактивных ВАр.
Полная, W=Wа+Wр — обозначается ВА или кВА, МВА.
Мощность смыслового понимания: максимальная — по составу энергетического оборудования, присоединённая — суммарная по всем потребителям сети, трансформаторная — по энергии имеющихся преобразователей, установленная — алгебраически сложенная наибольшая активная мощность приборов, заявленная — определённая договором между потребителем и электроснабжающей организацией. Все перечисленные виды измеряют в мегаваттах — МВт.

Подробнее следует остановиться на реактивной составляющей полной мощности. Обычно Wр является паразитной, вредной. Её понятие связано с пусковыми токами, она создаётся в устройствах как результат индуктивных и ёмкостных энергетических колебаний электромагнитного поля. Определяется из выражения Wр=U*I*sinφ, где синус угла — фазовый сдвиг между падением напряжения и рабочим током в трансформаторах, моторах и конденсаторах.

Характер установленного оборудования предопределяет избыточность Wр, когда преобладают ёмкостные приборы и потенциал увеличивается, или дефицитность, если превалирует индуктивность сети (напряжение снижается). При использовании принципа противоположности действия разработаны устройства, позволяющие компенсировать вредность Wр и повысить качество и эффективность энергоснабжения.

Влияние параметров сети на киловатты

Из формулы W=U*I, видно, что мощность зависит одновременно от двух характеристик энергосистемы — напряжения и силы тока. Их влияние на параметры сети паритетное. Процесс образования электрической мощности можно описать следующим образом:

U — это работа, потраченная на перемещение 1 кулона;
I — количество зарядов, протекающих через проводник за 1 секунду.

По расчётному значению W определяют потреблённую энергию сети, умножив величину мощности на время её расходования. Изменяя один из параметров W в сторону уменьшения или увеличения, можно сохранить энергетику системы на постоянном уровне — получить высокую силу тока при малом напряжении или большой потенциал сети при слабом движении кулонов.

Преобразовательные приборы, предназначенные для перемены параметров, называются трансформаторами напряжения или тока. Их устанавливают на повышающих или понижающих электроподстанциях для передачи энергии от источника к потребителям на дальние расстояния.

Способы измерения нагрузки

Узнать мощность прибора можно, обратившись к его инструкции или паспорту, а при отсутствии — посмотреть на шильдик, прикреплённый к корпусу. Если нет данных производителя, то доступны другие способы, чтобы определить энергетику оборудования. Основной из них — измерить нагрузку с помощью ваттметра (прибора для фиксирования электрической мощности).

По назначению их разделяют на 3 класса: постоянного тока и низкочастотные (НЧ), оптические и высокоимпульсивные. Последние относят к радиодиапазону и дробят на 2 вида: включаемые в разрыв линии (проходящая мощность) и монтируемые в конечной точке маршрута как согласованная (поглощаемая) нагрузка. По способу доведения информации до оператора различают приборы цифровые и аналоговые — показывающие стрелочные и самопишущие. Краткие характеристики некоторых измерителей:

НЧ-ваттметры применяют в одно- и трёхфазных сетях промышленной частоты. К этой же категории относятся варметры — приборы для определения реактивной мощности. Аналоговые измерители представлены моделями Д5071, Д8002, Ц301. Цифровые совмещают возможности фиксирования не только составляющей Wа, но и Wр. Итоговая величина выводится на табло и внешние устройства — принтер или электронные хранители информации. Приборы этого типа — ЩВ02, СР3010, MI2010А.
Ваттметры проходящей мощности радиодиапазона. Датчиками в измерителе служат трансформаторы тока и напряжения. Для сверхвысоких частот — термисторные, гальваномагнитные и термоэлектрические преобразователи. Образцы — NAS, М2−32, М2−23.
Ваттметры для измерения поглощаемой нагрузки импульсов радиоспектра — в них используется коэффициент отражения по мощности. Существует несколько разновидностей приборов: термисторные М3−28 и М3−22А, калориметрические МК3−68, МК3−70, М3−13, термоэлектрические М3−93, М3−56, М3−51 ваттметры и с пиковым детектором М3−3А, М3−5А.
Оптические измерители — ОМ3−65, ОМК3−69.

Помимо помощи специальных приборов, мощность узнают посредством применения расчётной формулы: в разрыв одного из питающих проводов включают амперметр, определяют ток и напряжение сети. Перемножение величин даст искомый результат.

Реактивная мощность определяет периодический обмен электрической энергией между источником и электроприемником с двойной частотой по отношению к частоте переменного тока без преобразования ее в другой вид энергии и может рассматриваться как характеристика скорости обмена электроэнергией между источником и магнитным полем электроприемника.

Суммарная энергия, связанная с существованием этой составляющей мгновенной мощности, равна нулю. Ее появление, очевидно, связано с наличием в системе производства, передачи и распределения электроэнергии элементов, в которых возможно периодическое накопление и последующий возврат определенного количества энергии. В противном случае обмен электрической энергией между источником и электроприемником был бы невозможен.

Физика процесса и практика применения установок компенсации реактивной мощности

Чтобы разобраться с понятием реактивной мощности, вспомним сначала, что такое электрическая мощность. Электрическая мощность - это физическая величина, характеризующая скорость генерации, передачи или потребления электрической энергии в единицу времени.

Чем больше мощность, тем большую работу может совершить электроустановка в единицу времени. Измеряется мощность в ваттах (произведение Вольт х Ампер). Мгновенная мощность - это произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-то участке электрической цепи.

Физика процесса

В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за какой-то промежуток времени совпадают, а понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока так происходит только в том случае, если нагрузка чисто активная. Это, например, электронагреватель или лампа накаливания. При такой нагрузке в цепи переменного тока фаза напряжения и фаза тока совпадают и вся мощность передается в нагрузку.

Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели), то ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).

Активная и реактивная мощности

Часть полной мощности, которую удалось передать в нагрузку за период переменного тока, называется активной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус угла сдвига фаз между ними (cos φ ).

Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin φ).

Таким образом, реактивная мощность является величиной характеризующей нагрузку. Она измеряется в вольт амперах реактивных (вар, var). На практике чаще встречается понятие косинус фи, как величины характеризующей качество электроустановке с точки зрения экономии электроэнергии.

Действительно, чем выше cos φ, тем больше энергии, подаваемой от источника, попадает в нагрузку. Значит можно использовать менее мощный источник и меньше энергии пропадает зря.

Реактивная мощность может рассматриваться как характеристика скорости обмена электрической энергией между источником и магнитным полем электроприемника. В отличие от активной мощности реактивная мощность не выполняет непосредственно полезной работы, она служит для создания переменных магнитных полей в индуктивных электроприемниках (например, в асинхронных двигателях, силовых трансформаторах и др.), непрерывно циркулируя между источником и потребляющими ее электроприемниками.

Реактивная мощность бытовых потребителей

Итак, потребители переменного тока имеют такой параметр, как коэффициент мощности cosφ.

На графике ток сдвинут на 90° (для наглядности), то есть на четверть периода. Например, электрооборудование имеет cosφ = 0,8, что соответствует углу arccos 0,8 ≈ 36.8°. Этот сдвиг происходит из-за наличия в потребителе электроэнергии нелинейных компонентов - ёмкостей и индуктивностей (например, обмотки электродвигателей, трансформаторов и электромагнитов).

Для дальнейшего понимания происходящего требуется учет того факта, что, чем выше коэффициент мощности (максимум 1), тем более эффективно потребитель использует получаемую из сети электроэнергию (то есть большее количество энергии преобразуется в полезную работу) - такую нагрузку называют резистивной.

При резистивной нагрузке ток в цепи совпадает с напряжением. А при низком коэффициенте мощности нагрузку называют реактивной, то есть часть потребляемой мощности не совершает полезной работы.

Таблица ниже демонстрирует классификацию потребителей по коэффициенту мощности.

Классификация потребителей переменного тока

Следующая таблица демонстрирует коэффициент мощности распространённых в быту потребителей электроэнергии.

Коэффициент мощности бытовых электроприборов

Юмор электрика

Что такое реактивная мощность? Все очень просто!

Способы компенсации реактивной мощности

Из сказанного выше вытекает, если нагрузка индуктивная, то следует компенсировать ее с помощью емкостей (конденсаторов) и наоборот емкостную нагрузку компенсируют с помощью индуктивностей (дросселей и реакторов). Это помогает увеличить косинус фи (cos φ) до приемлемых значений 0.7-0.9. Этот процесс называется компенсацией реактивной мощности.

Экономический эффект от компенсации реактивной мощности

Экономический эффект от внедрения установок компенсации реактивной мощности может быть очень большим. По статистике он составляет от 12 до 50% от оплаты электроэнергии в различных регионах России. Установка компенсации реактивной мощности окупается не более чем за год.

Для проектируемых объектов внедрение конденсаторной установки на этапе разработки позволяет экономить на стоимости кабельных линий за счет снижения их сечения. Автоматическая конденсаторная установка, например, может поднять cos φ с 0.6 до 0.97.

Выводы

Итак, установки по компенсации реактивной мощности приносят ощутимые финансовые выгоды. Они также позволяют дольше сохранять оборудование в рабочем состоянии.

Вот несколько причин, по которым это происходит.

1. Уменьшение нагрузки на силовые трансформаторы, увеличение в связи с этим срока их службы.

2. Уменьшение нагрузки на провода и кабели, возможность использования кабелей меньшего сечения.

Читайте также: