Как да изчислите мощността, силата на тока и напрежението: принципи и примери за изчисление за битови условия

Собствениците на апартаменти, частни къщи и други електрифицирани обекти често се сблъскват с въпроса за определяне на стойностите на основните електрически величини, тъй като да се изчисли мощността по допустимата сила на тока и известното напрежение или да се реши обратната задача не е много просто.

Прямото прилагане на известния закон на Ом без отчитане на особеностите на битовите мрежи и уреди може да доведе до грешен резултат.

В този материал ще разберем какво е мощност и ще разкажем как да изчислим този показател.

Основни понятия за величините

Електротехническите изчисления се базират на общоизвестни съотношения между силата на тока (I, Ампер), стойността на напрежението (U, Волт), стойността на мощността (P, Ват) и съпротивлението (R, Ом). Практическите изчисления обикновено изискват познаване на стойностите на първата тройка.

Числовите изрази на изброените величини, предупреждаваме, не са достатъчни – необходими са допълнителни характеристики, разкриващи режима на електропотребление.

Сила на електрическия ток

Изчисляването на достатъчното сечение на жилата и номинала на автоматичния прекъсвач за конкретен клон на електромрежата се извършва според стойността на максимално възможната за този участък сила на тока. Това е необходимо за предотвратяване на ситуация на запалване на проводниците, което често води до възникване на пожар.

Работните параметри на автоматите и УЗО се избират според нормативните изисквания. За определяне на допустимото сечение на жилата в зависимост от максимално възможната сила на тока е необходимо да се използва таблица, предоставена от производителя на продукцията, защото кабелите най-често са произведени по ТУ, а не по ГОСТ.

Имайки еднаква маркировка, кабелите, произведени по ГОСТ (отляво) и по ТУ (отдясно) се различават както визуално, така и по основните характеристики.

Тъй като силата на електрическия ток може да се изчисли по консумираната от уредите мощност и напрежението на мрежата, то е необходимо правилно да се определят стойностите на тези два показателя.

Напрежение в битовите мрежи

Много собственици на апартаменти смятат, че стандартното напрежение във фазата за битови нужди е приблизително 220 V. В повечето случаи това наистина е така. Въпреки че по ГОСТ 29322-2014 от 01.10.2015 г. в рамките на Руската федерация трябваше да се извърши преход към система от 230 V, съвместима със страните от ЕИО.

Отклонение от 5% от еталона е допустимо за произволен срок, а 10% – за период, не надвишаващ 1 час. По този начин според старите правила стойността на напрежението може да варира в диапазона от 198 до 242 V, а според действащия ГОСТ – от 207 до 253 V.

Също така има случаи, когато напрежението в мрежата продължително време е значително по-ниско от нормативното. Такава ситуация възниква, когато общата мощност на свързаните към клона електроуреди е много по-висока от планираната и при включване на повечето от тях настъпва “спадане на мрежата”.

Този проблем възниква в зоната на отговорност на организациите, отговарящи за доставката на електроенергия, и е свързан с претоварване на разпределителните трансформатори, износване на подстанции или с недостатъчно сечение на проводниците.

Пониженото входно напрежение води не само до промяна на параметъра на силата на тока и евентуално задействане на защитата, но и до бърза повреда на електроуреди, съдържащи асинхронни електродвигатели или сложна електроника

За да се установи стойността на реалното напрежение, трябва периодично да се извършват измервания с волтметър. Ако показателите силно “се колебаят”, то е необходимо прилагане на стабилизатор или по-скъп преобразувател с функция на акумулатор на електроенергия.

Нюанси в понятието за мощност на електроуредите

Всички устройства, които консумират електричество, имат такъв параметър като мощност. Колкото по-голям е този показател, толкова повече енергия черпи уредът от веригата.

Общо съществуват три вида мощност:

• Активна (P). Характеризира скоростта на превръщане на електрическата енергия в друг вид, например електромагнитна или топлинна. Трябва да се вземе предвид при изчисляване на необратимите разходи на електроенергия, а оттам и на цената на работата на уреда. Мерна единица – W.
• Реактивна (Q). Характеризира енергията, която идва от източника (трансформатора) до реактивните елементи на консуматора (кондензатори, намотки на двигателя), но след това почти моментално се връща към източника. Мерна единица – Var (разшифровка – волт-ампер реактивен).
• Пълна (S). Характеризира натоварването, което консуматорът налага на елементите на веригата. Използва се при изчисляване на площта на сечението на кабела и избор на номинал на автоматите, тоест изчислението на силата на тока се извършва по пълната мощност на всички свързани във веригата електроуреди. Мерна единица – W или V*A (V*A – волт-ампери).

Всички тези параметри могат да се преизчислят чрез ъгъла на фазово отместване, който възниква между вектора на напрежението и тока (f):

P = S * cos(f);

Q = S * sin(f);

S² = P² + Q².

Към битовите устройства, при които пълната мощност може значително да надвишава активната, спадат хладилниците, пералните машини, луминесцентните и някои енергоспестяващи лампи, както и блоковете на силовата електроника.

На двигателите обикновено се посочват активната мощност и коефициентът. В този случай пълната мощност се изчислява така: S = P / cos(f) = 750 / 0.78 = 962 W

Съществува и такова понятие като пикова или стартова мощност. Работата е там, че за ускоряването на двигателите са необходими много повече усилия, отколкото за поддържането на тяхното въртене. Затова при включването на такива уреди като хладилник или перална машина настъпва краткотраен скок на натоварването в участъка на веригата.

Стартовите токове могат да бъдат няколко пъти по-високи от работните. При изчисляването на необходимото сечение на кабелите и избора на номинала на автоматичния прекъсвач трябва да се вземе това предвид.

За целта трябва да се определи уредът с най-голяма разлика между стартовата и работната мощност и да се добави тя към общата стойност. Стартовите токове на останалите устройства могат да се пренебрегнат, тъй като вероятността за едновременно задействане на включване на двигателите при различните потребители е практически нулева.

Линейни и фазови съотношения

В момента е получила разпространение практиката за свързване на битови обекти към трифазни електрически мрежи.

Това е обосновано по следните причини:

• Значително потребление на електроенергия. В този случай захранването от еднофазна мрежа с голяма мощност ще бъде много нерационално поради голямото сечение на кабела и високата материалоемкост на трансформатора.
• Наличие на уреди, работещи от три фази. Реализацията на схемата за свързване на такъв уред към еднофазна верига не е много проста и крие риск от смущения, които възникват например при стартиране на асинхронен двигател.

Съществуват два начина за свързване на трифазни уреди – “звезда” и “триъгълник”.

Принципни схеми за пренос на електроенергия по три фази. Наименованията “звезда” и “триъгълник” са получили благодарение на геометричното сходство с тези обекти.

Във вериги от тип “звезда” линейните и фазовите токове са идентични, а линейното напрежение е 1,73 пъти по-голямо от фазовото:

I_л = I_ф;

U_л = 1.73 * U_ф.

Тази формула обяснява известното съотношение на напреженията за битови и нисковолтови промишлени мрежи с честота 50 Hz: 220 / 380 V (по новия ГОСТ: 230 / 400 V).

При свързване тип триъгълник, за разлика, напрежението съвпада, а линейните токове са по-големи от фазовите:

I_л = 1.73 * I_ф;

U_л = U_ф.

Тези формули могат да се прилагат само при симетричен товар на фазите. Ако консумацията на ток по кабелите се различава (несиметричен приемник), тогава изчисленията се извършват с използване на правилата на векторната алгебра, а възникващият изравнителен ток се компенсира чрез неутралния проводник. Въпреки това за мрежи с включени битови уреди такива случаи са редки.

Взаимовръзка на основните величини

Най-честата задача, с която се сблъскват обикновените потребители, се състои в изчисления на реално действащата сила на тока. И така, как правилно да се изчисли амперажът по известни стойности на напрежение и мощност? Необходимо е да се реши тя при обосноваване на стойностите на сечението на жилата и номинала на автомата, като се разполага с техническа информация за устройствата, които ще бъдат захранени в тази верига.

След изчисляване на силата на тока често избират кабели с най-малкото допустимо сечение. Въпреки това това не винаги е правилно, тъй като такова решение води до съществени ограничения при необходимост от добавяне на нови електроуреди в мрежата.

Понякога е необходимо да се извършат обратни изчисления и да се определи каква обща мощност могат да се включат уредите при известно напрежение и максимално допустима сила на тока, която е ограничена от вече съществуващото окабеляване.

Тези две задачи за еднофазна верига могат да се решат с помощта на проста формула:

I = S / U;

S = U * I,

където S – сумарната пълна мощност на всички електропотребители.

Кръгова диаграма, отразяваща закона на Ом и изразяваща зависимостта на мощността, силата на тока, напрежението и съпротивлението, подходяща за изчисляване на параметрите на еднофазна верига

За решаване на задачата за изчисляване на силата на тока по известни или изчислени стойности на мощност и напрежение в трифазна верига трябва да се знае сумарното натоварване, наложено на всяка фаза.

И необходимото сечение на жилата на кабела, и минимално допустимият номинал на автомата се избират по най-натоварената линия, като се счита, че:

S = 3 * max{S₁, S₂, S₃}.

I = S / (U * 1.73).

Допустимата мощност за всяка от фазите може да се изчисли по следната формула:

S_1,2,3 < S / 3 = I * U / 1.73,

където I – максимално допустимата сила на тока за съществуващото окабеляване.

Изводи и полезно видео по темата

Изчисляване на силата на тока по мощност за избор на сечение на кабела:

Определяне на консумираната мощност на групи електроуреди на примера на частен дом:

Изчисляването на силата на тока за определяне параметрите на окабеляването или определянето на допустимата мощност в вече съществуваща верига може да се направи самостоятелно. За правилното решаване на поставената задача е необходимо да се вземат предвид нюансите, възникващи на практика, а не само да се използват известни формули, които работят при “идеални” условия.

Ако имате въпроси по темата на статията или можете да допълните този материал с интересна информация, моля, оставете коментарите си в блока, разположен по-долу.