Как рассчитать силу тока

••• RomoloTavani/iStock/GettyImages

Обновлено 14 марта 2018 г.

Автор Andrea Becker

рассчитать потребляемую мощность. Величина тока, протекающего по проводу, измеряется в амперах или амперах. Эквивалентом доступной электроэнергии в источнике питания является напряжение или вольты. Наконец, мощность, производимая электричеством, измеряется в ваттах. Все эти измерения взаимосвязаны при расчете потребления электроэнергии.

Вычисление по ваттам и вольтам

Найдите мощность устройства, потребляющего электричество. Любое устройство, потребляющее энергию, называется нагрузкой. Примеры нагрузок включают лампочку и микроволновую печь. Мощность в ваттах часто указана на самом устройстве, но если вы не можете найти номер, возможно, вам придется проверить руководство пользователя.

Определите напряжение вашего источника питания. В Соединенных Штатах большинство бытовых розеток работают на 120 вольт, хотя некоторые, например, электрические плиты или сушилки, часто работают на 220 вольт. Если вашим источником питания является батарея, вам нужно будет посмотреть напряжение. Большие батареи часто 9или 12 вольт, в то время как меньшие батареи с закрытыми элементами, такие как C, AA или AAA, работают от 1 до 3 вольт, в зависимости от размера и состава.

Разделите номинальную мощность на напряжение источника питания. Например, если у вас есть 100-ваттная лампочка в светильнике, подключенном к 120-вольтовой розетке, она будет потреблять 0,83 ампера.

Вычисление в омах и вольтах

Электричество, протекающее по проводам в вашем доме, часто сравнивают с водой, протекающей по шлангу. Вы можете наблюдать размер шланга, количество протекающей через него воды, давление воды и результат разбрызгивания воды. Для электричества протекание тока ограничено сопротивлением протеканию, измеряемым в Омах.

Используйте закон Ома для расчета силы тока с использованием сопротивления. Многие приборы имеют указанное сопротивление. Провод, соединяющий цепь, также имеет переменное сопротивление. В том же смысле через садовый шланг можно пропустить меньше воды, чем через пожарный шланг. Вам не нужно включать это сопротивление, если у вас нет большого количества проводов или вам не нужно быть очень точным.

Найдите напряжение вашего источника питания, как если бы вы вычисляли его из ватт и вольт.

Закон Ома гласит, что напряжение равно произведению силы тока на сопротивление, поэтому, если вы разделите напряжение вашего источника питания на сопротивление нагрузки, вы найдете амперы. Например, если вы подключите фен на 40 Ом к розетке с напряжением 220 вольт, прибор будет потреблять 5,5 ампер.

Вещи, которые вам понадобятся

• Калькулятор
• Объект или руководство пользователя
• Технические характеристики электрической системы

• Расчеты приведены для одной нагрузки. При расчете силы тока для нескольких нагрузок вы можете просто сложить номинальные мощности вместе, но сопротивление может меняться в зависимости от конфигурации цепи.

Предупреждения

• Соблюдайте осторожность при работе с электроэнергией и дважды проверьте свои расчеты у квалифицированного специалиста, если вы рассчитываете силу тока для домашней электросистемы.

Связанные статьи

Ссылки

• Science Hobbyk: Как Watts, Ohms, Amps и Volts связаны
• Университет батареи: путаница с напряжениями
• . Описанные расчеты относятся к одной нагрузке. При расчете силы тока для нескольких нагрузок вы можете просто добавить номинальную мощность, но сопротивление может меняться в зависимости от конфигурации цепи.

Предупреждения

• Соблюдайте осторожность при работе с электричеством и дважды проверьте свои расчеты у квалифицированного специалиста, если вы рассчитываете силу тока для домашней электрической системы.

Об авторе

Андреа Беккер, проживающая в Уэнатчи, штат Вашингтон, специализируется в области биологии, экологии и наук об окружающей среде. Она написала рецензируемые статьи в «Журнале управления дикой природой», программные документы и учебные материалы. Она имеет степень магистра наук в области управления дикой природой Университета штата Айова. Однажды во время работы на нее напал медведь гризли.

Измерение и анализ мощности электродвигателей

Энергия является одной из самых больших статей затрат на заводе или объекте, и двигатели часто потребляют львиную долю мощности предприятия, поэтому жизненно важно убедиться, что двигатели работают оптимально. Точные измерения мощности могут помочь снизить потребление энергии, поскольку измерение всегда является первым шагом к повышению производительности, а также может помочь продлить срок службы двигателя. Небольшое смещение или другие проблемы часто незаметны невооруженным глазом, а малейшее колебание вала может негативно сказаться на производительности и качестве и даже сократить срок службы двигателя.

В следующих трех выпусках Applied Automation мы обсудим трехэтапный процесс проведения прецизионных измерений электрической и механической мощности различных двигателей и приводов с регулируемой скоростью (VFD). Мы также покажем, как эти измерения используются для расчета энергоэффективности систем двигателей и приводов.

Кроме того, мы дадим понимание того, как выполнять точные измерения мощности сложных искаженных сигналов, а также какие инструменты использовать для различных приложений.

Основные измерения электрической мощности

Электродвигатели представляют собой электромеханические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую. Несмотря на различия в размерах и типах, все электродвигатели работают примерно одинаково: электрический ток, протекающий по проволочной катушке в магнитном поле, создает силу, которая вращает катушку, тем самым создавая крутящий момент.

Понимание производства электроэнергии, потерь мощности и различных типов измеряемой мощности может быть пугающим, поэтому давайте начнем с обзора основных измерений электрической и механической мощности.

Что такое сила? В самой простой форме мощность — это работа, выполняемая в течение определенного промежутка времени. В двигателе мощность передается в нагрузку путем преобразования электрической энергии в соответствии со следующими законами науки.

В электрических системах напряжение — это сила, необходимая для перемещения электронов. Ток — это скорость потока заряда в секунду через материал, к которому приложено определенное напряжение. Взяв напряжение и умножив его на соответствующий ток, можно определить мощность.

P = V * I, где мощность (P) выражается в ваттах, напряжение (V) — в вольтах, а сила тока (I) — в амперах

Ватт (Вт) — единица измерения мощности, определяемая как один джоуль в секунду . Для источника постоянного тока расчет представляет собой просто произведение напряжения на ток: W = V x A. Однако определение мощности в ваттах для источника переменного тока должно включать коэффициент мощности (PF), поэтому: 90 107 Вт = V x A x PF для систем переменного тока.

Коэффициент мощности представляет собой безразмерное отношение в диапазоне от -1 до 1 и представляет собой количество реальной мощности, выполняющей работу при нагрузке. При коэффициентах мощности меньше единицы, что почти всегда имеет место, будут потери активной мощности. Это связано с тем, что напряжение и ток в цепи переменного тока имеют синусоидальный характер, при этом амплитуда тока и напряжения в цепи переменного тока постоянно меняются и обычно не идеально совпадают.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на ток (P = V*I), мощность максимальна, когда напряжение и ток выстраиваются вместе, так что пики и нулевые точки на кривых напряжения и тока возникают в одно и то же время. Это типично для простой резистивной нагрузки. В этой ситуации две формы сигнала находятся «в фазе» друг с другом, и коэффициент мощности будет равен 1. Это редкий случай, поскольку почти все нагрузки не являются просто и полностью резистивными.

Два сигнала называются «не в фазе» или «сдвинуты по фазе», если два сигнала не коррелируют между точками. Это может быть вызвано индуктивными или нелинейными нагрузками. В этой ситуации коэффициент мощности будет меньше 1, и реальная мощность будет реализована меньше.

Из-за возможных колебаний тока и напряжения в цепях переменного тока мощность измеряется несколькими способами.

Реальная или истинная мощность — это фактическое количество энергии, используемой в цепи, и измеряется в ваттах. Цифровые анализаторы мощности используют методы оцифровки входных сигналов напряжения и тока для расчета истинной мощности, следуя методу, показанному на рисунке 2:

Рисунок 2: Расчет истинной мощности

В этом примере мгновенное напряжение умножается на мгновенный ток (I) а затем интегрируется за определенный период времени (t). Истинный расчет мощности будет работать для любого типа сигнала независимо от коэффициента мощности (рис. 3).

 

Рис. 3. Эти уравнения используются для расчета истинного измерения мощности и истинного среднеквадратичного значения.

Гармоники создают дополнительную сложность. Несмотря на то, что электросеть номинально работает на частоте 60 Гц, существует много других частот или гармоник, которые потенциально могут существовать в цепи, а также может быть составляющая постоянного или постоянного тока. Полная мощность рассчитывается путем рассмотрения и суммирования всего содержимого, включая гармоники.

Методы расчета, показанные на рис. 3, используются для получения истинного измерения мощности и истинного среднеквадратичного значения сигнала любого типа, включая все гармоники, вплоть до ширины полосы прибора.

Измерение мощности

Далее мы рассмотрим, как фактически измерить мощность в ваттах в данной цепи. Ваттметр — это прибор, который использует напряжение и силу тока для определения мощности в ваттах. Теория Блонделя утверждает, что общая мощность измеряется как минимум на один ваттметр меньше, чем количество проводов. Например, в однофазной двухпроводной цепи будет использоваться один ваттметр с одним измерением напряжения и одним измерением тока.

Однофазная трехпроводная расщепленная система часто встречается в общедомовой проводке. Этим системам требуются два ваттметра для измерения мощности.

В большинстве промышленных двигателей используются трехфазные трехпроводные цепи, которые измеряются с помощью двух ваттметров. Точно так же три ваттметра потребуются для трехфазной четырехпроводной цепи, где четвертый провод является нейтральным.

На рисунке 4 показана трехфазная трехпроводная система с нагрузкой, подключенной с использованием метода двух ваттметров для измерения. Измеряются два линейных напряжения и два связанных фазных тока (с помощью ваттметров W a и W c ). Четыре измерения (линейный и фазный ток и напряжение) используются для достижения общего измерения.

Рисунок 4: Измерение мощности в трехфазной трехпроводной системе с помощью двух ваттметров.

Поскольку этот метод требует контроля только двух трансформаторов тока и двух трансформаторов напряжения вместо трех, упрощается установка и конфигурация проводки. Он также может точно измерять мощность в сбалансированной или несбалансированной системе. Его гибкость и недорогая установка делают его подходящим для производственных испытаний, в которых требуется измерение только мощности или нескольких других параметров. Для инженерных и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ лучше всего подходит трехфазный трехпроводной метод с трехваттметром, так как он дает дополнительную информацию, которую можно использовать для балансировки нагрузки и определения истинного коэффициента мощности. В этом методе используются все три напряжения и все три тока. Измеряются все три напряжения (от a до b, от b до c, от c до a), и контролируются все три тока.

Рис. 5. При проектировании двигателей и приводов важно учитывать все три значения напряжения и тока, поэтому метод трех ваттметров, показанный на рисунке выше, является наилучшим выбором.

Измерение коэффициента мощности

При определении коэффициента мощности для синусоидальных волн коэффициент мощности равен косинусу угла между напряжением и током ( Cos Ø ). Он определяется как коэффициент мощности «смещения» и верен только для синусоидальных волн. Для всех других форм сигналов (несинусоидальных волн) коэффициент мощности определяется как реальная мощность в ваттах, деленная на кажущуюся мощность в амперах напряжения. Это называется «истинным» коэффициентом мощности и может использоваться для всех форм сигналов, как синусоидальных, так и несинусоидальных.

Рисунок 6: Общий коэффициент мощности определяется путем суммирования общей мощности в ваттах, деленной на общее значение ВА.

Рисунок 7: При использовании метода двух ваттметров сумма общих ватт (Вт

₁ + Вт ₂ ) делится на измерения ВА.

Однако, если нагрузка несбалансированная (фазные токи разные), это может привести к ошибке при расчете коэффициента мощности, поскольку при расчете используются только два измерения ВА. Две VA усредняются, потому что предполагается, что они равны; однако, если это не так, получается ошибочный результат.

Таким образом, лучше всего использовать метод трех ваттметров для несбалансированных нагрузок, поскольку он обеспечит правильный расчет коэффициента мощности как для сбалансированных, так и для несбалансированных нагрузок.

 

Рис.

8. При использовании метода трех ваттметров в приведенном выше расчете коэффициента мощности используются все три измерения ВА.

В анализаторах мощности используется описанный выше метод, который называется методом подключения 3V-3A (три напряжения, три тока). Это лучший метод для проектирования и проектирования, поскольку он обеспечивает правильное измерение общего коэффициента мощности и ВА для симметричной или несимметричной трехпроводной системы.

Основные измерения механической мощности

В электродвигателе механическая мощность определяется как произведение скорости на крутящий момент. Механическая мощность обычно определяется как киловатты или лошадиные силы, где один Вт равен 1 Джоулю/сек или 1 Нм/сек.

Рис. 9. Измерения механической мощности в ваттах определяются как два числа Pi, умноженные на скорость вращения (об/мин), деленные на 60-кратный крутящий момент (ньютон-метр).

Лошадиная сила — это работа, совершаемая в единицу времени. Одна л.с. равна 33 000 фунт-футов в минуту. Преобразование л.с. в ватты достигается с помощью этого соотношения: 1 л.с. = 745,69.987 Вт. Однако преобразование часто упрощается за счет использования 746 Вт на л.с. (рис. 10).

Рисунок 10: В уравнениях измерения механической мощности для мощности в лошадиных силах часто используется округленная цифра: 1 л.с. = 746 Вт.

Для асинхронных двигателей переменного тока фактическая скорость или скорость вращения ротора — это скорость, с которой вращается вал (ротор), обычно измеряемая с помощью тахометра. Синхронная скорость — это скорость вращения магнитного поля статора, рассчитанная как 120-кратная частота сети, деленная на количество полюсов в двигателе. Синхронная скорость — это теоретическая максимальная скорость двигателя, но ротор всегда будет вращаться немного медленнее, чем синхронная скорость из-за потерь, и эта разница скоростей определяется как скольжение.

Скольжение — это разница между скоростью вращения ротора и синхронной скоростью.