Отличия кВА от кВт

«В чем отличия кВА от кВт?» — этот вопрос — один из наиболее популярных. Его часто задают покупатели ИБП. Продавцы ИБП (которым, собственно, и задают это вопрос) отвечают на него по-разному и почти всегда неправильно. Попробуем разобраться, как рассчитывают мощность в электрической цепи.
В цепи постоянного тока дело обстоит довольно просто. Электрический ток, поступая из источника постоянного тока в нагрузку, производит в ней полезную (или бесполезную) работу по перемещению зарядов в направлении электрического поля. Рассчитать мощность в такой цепи очень просто: нужно умножить ток на падение напряжения на нагрузке:

P[Ватт] = I[Ампер] × U[Вольт]

В цепи переменного тока, с которой нам приходится иметь дело, рассматривая работу ИБП, все немного по-другому.
Для переменного тока вводится понятие мгновенной мощности — это произведение мгновенных значений переменных напряжения и тока. Активная мощность (средняя по времени мощность, выделяемая в нагрузке) — она измеряется в ваттах — равна среднему за период значению мгновенной мощности.

Если напряжение имеет синусоидальную форму, и нагрузка в цепи активная (или, иначе говоря, омическая — например, лампы накаливания), то активная мощность равна произведению действующих значений напряжения и тока. Т.е. она рассчитывается примерно так же, как и мощность в цепи постоянного тока:

P[Ватт] = Uдейств × Iдейств.

Рис. 1. Мгновенная мощность в цепи переменного тока

 

• а) синусоидальный ток в
  активной нагрузке;
• б) синусоидальный ток в
  нагрузке с реактивной составляющей;
• в) несинусоидальный ток.

На рис.1. видно, что в этом случае напряжение и ток всегда имеют одинаковый знак (становятся положительными и отрицательными одновременно). Поэтому мгновенная мощность всегда положительна. Физически это означает, что в любой момент времени мощность выделяется в нагрузке. Иначе говоря, так же как в цепи постоянного тока, заряды всегда движутся в направлении действия электрического поля.

Если напряжение и ток имеют синусоидальную форму, но нагрузка имеет емкостную или индуктивную (реактивную) составляющую, то ток опережает по фазе напряжение или отстает от него. В этом случае мощность, выделяемая в нагрузке, уменьшается.
На рисунке б) видно, что из-за фазового сдвига, в некоторые моменты времени, напряжение и ток имеют противоположные знаки. В это время мгновенная мощность оказывается отрицательной и уменьшает среднюю за период мгновенную мощность. Электротехник скажет, что в эти моменты времени ток течет из нагрузки в источник тока. С точки зрения физика, в эти моменты времени заряды по инерции движутся против сил электрического поля.
Формула для средней за период мощности для случая нагрузки с реактивной составляющей несколько изменяется. В ней появляется коэффициент мощности. Для синусоидальных напряжения и тока он численно равен знакомому со средней школы «косинусу фи»:

P[Ватт] = Uдейств × Iдейств × Cos (fi).
Здесь: fi — угол сдвига фаз между напряжением и током.

Произведение действующих значений напряжения и тока называется полной мощностью цепи переменного тока и измеряется в вольт-амперах (ВА). Полная мощность всегда больше или равна активной (выделяемой в нагрузке) мощности.
Если нагрузкой является компьютер, то дело обстоит еще немного сложнее. Ток, потребляемый компьютером, имеет несинусоидальную форму (см. рис. 30в). Мощность, выделяемая в нагрузке, при такой форме тока также меньше, чем произведение действующих значений напряжения и тока. На рис. 30в видно, что при некоторых значениях напряжения (когда напряжение мало) компьютер не потребляет тока. Мгновенная мощность в эти моменты времени равна нулю — напряжение как бы «пропадает зря», не производя работы.

Активная (выделяемая в нагрузке) мощность для случая нелинейной нагрузки выражается формулой:

P[Ватт] = Uдейств × Iдейств × К,
где: К — коэффициент мощности.

Ток «компьютерной» нагрузки как правило несколько опережает напряжение. Но сдвиг фаз очень невелик (10-30 градусов), поэтому коэффициент мощности для компьютера не равен косинусу угла фазового сдвига, а значительно меньше.

Если посчитать среднюю за период мощность импульсного блока питания и разделить на произведение действующих значений напряжения и тока, то получившийся коэффициент мощности будет примерно равен 0.6-0.8.
По данным фирмы American Power Conversion коэффициент мощности равен 0.6 для персональных компьютеров и 0.7 для мини компьютеров. На самом деле, коэффициент мощности компьютерной нагрузки связан с коэффициентом амплитуды тока и, даже для одного и того же импульсного блока питания, зависит от того, насколько блок питания использует свою номинальную мощность. Так, если импульсный блок питания нагружен слабо (к нему подключено мало потребителей — дисководов, процессоров и т.д.), то коэффициент амплитуды увеличивается, а коэффициент мощности уменьшается.

В зависимости от устройства ИБП, ток в разных местах его схемы зависит либо от активной мощности нагрузки (например, ток, отбираемый от аккумуляторов), либо от ее полной мощности (например, ток на выходе ИБП). Поэтому, как правило, производители ИБП указывают два значения максимальной мощности нагрузки, которая может быть подключена к ИБП: полную мощность в вольт-амперах и активную мощность в ваттах. В принципе, в каждом конкретном случае (для каждого сочетания ИБП + нагрузка) можно определить, какой из пределов (в ваттах или вольт-амперах) является критичным. Но это может сделать только специалист, зная, как устроен ИБП и как устроена нагрузка. Общего рецепта здесь дать нельзя — слишком много вариантов (разные типы и схемы ИБП, разные сдвиги фаз и коэффициенты амплитуды нагрузки и т.д.). Поэтому подбирая ИБП, покупатель должен просто учитывать оба ограничения. Т.е. и активная, и полная мощность его оборудования должны быть меньше заявленных производителем ИБП максимальных значений. Обычно, для надежной работы ИБП, берут еще и запас примерно в 30%.

Физика Работа и мощность электрического тока. Работа тока

Материалы к уроку

Конспект урока

Электрический ток получил широкое применение потому, что он несет с собой электрическую энергию, которую можно преобразовать в работу или во внутреннюю энергию.

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Эту работу принято называть работой тока.
Если за промежуток времени t через поперечное сечение произвольного участка проводника проходит заряд q, то электрическое поле совершает работу. Чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд, пошедший по нему. Т.е.  A= q*U (а равно кью умножить на у), где U – напряжение на концах проводника, а q – величина прошедшего заряда, А – работа. Так как  сила тока определяется
I = q/t(и равно кью деленое на тэ), то заряд можно выразить    q = I∙t, тогда работа будет
A = I∙U∙t(а равно и у тэ)
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течение которого совершалась работа.
Работа измеряется в джоулях, сила тока – в амперах, напряжение в вольтах, время – в секундах.
Проведем опыт 1. Соберем цепь, состоящую из источника (4,5 В), лампочки (на 3 В), амперметра, включенного последовательно с лампочкой, вольтметра, включенного параллельно лампочке и выключателя. Кроме того, мы будем измерять время по секундомеру. Включим цепь и произведем замеры  во время прохождения тока в течение 5 минут (300 с).
Получили:
I=0,25A ;  U= 3B ;  t = 300c
Вычислим работу: Работа электрического тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течение которого совершалась работа:  0,25А∙3В∙300с=225 Дж
В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Мощность тока. Любой электрический  прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенного количества энергии  за какой-то промежуток времени. Поэтому наряду с работой тока,  важное значение имеет понятие мощность тока. Мощностью электрического тока называется отношение работы за время  к этому интервалу времени: P = A/t Или  заменив работу по ранее полученной формуле, будем иметь: P = I*U*t/t =  I*U   ,т.

е. получаем новое выражение для мощности тока: Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение: P = I*U
За единицу мощности принят ватт, 1 Вт=1дж:с
Используют единицы мощности, которые кратны ватту:
1(гектоватт) гВт=100 Вт,
1(киловатт) кВт=1000 Вт,
1(мегаватт) МВт=1000 000 Вт
Проведем опыт 2.  Соберем такую же цепь, как в опыте 1 и практически повторим его. Мы получим (как и ранее) 225 Дж работы за 300с. Найдем мощность электрического тока: разделим 225 Дж на 300 с и получим 0,75 Вт
Мощность электрического тока измеряется с помощью амперметра и вольтметра.
Но существуют и специальные приборы, которые измеряют мощность электрического тока  — ваттметры.
 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитораОставить заявку на подбор

Руководство по измерению мощности переменного тока

Руководство по загрузке

Мощность — это скорость выполнения работы (работа/время). Это также скорость, с которой энергия генерируется или используется. Для систем постоянного тока мощность выражается в ваттах: P=VdcAdc. Для систем переменного тока определение мощности является более сложным. Напряжение и ток в цепи переменного тока периодически меняют направление (переменный ток). В чисто резистивной цепи напряжение и ток меняют направление одновременно (синфазно). Измерения мощности выполняются путем измерения среднеквадратичного значения тока и напряжения по формуле P = VrmsArms.

Если также присутствует реактивный элемент (емкостный или индуктивный), напряжение и ток больше не меняют направление одновременно. Ток будет отставать от напряжения, когда в цепь включена индуктивность (см. рис. А). Ток будет опережать напряжение, когда цепь включает емкость. Величина опережения или отставания, выраженная в градусах, представляет собой фазовый угол (ø). Отдаваемая мощность равна P = VAcosø. Термин cosø представляет собой коэффициент мощности. Обратите внимание, что для чисто реактивной цепи P = 0,

.

Нагрузка, включающая реактивные элементы, представляет собой комплексное полное сопротивление (Z). В последовательной цепи Z = √÷R2, где X — индуктивное или емкостное сопротивление в омах, а R — сопротивление в омах. В параллельной цепи Z = RX/√÷R2. Коэффициент мощности представляет собой отношение R/Z. Коэффициент мощности можно также описать как фактическую мощность, деленную на полную мощность: PF = Вт/ВА. Для чисто резистивной цепи PF = 1,

.

Крест-фактор
Другим параметром, используемым для характеристики форм переменного напряжения и тока, является крест-фактор – отношение пикового значения к среднеквадратичному. Коэффициент амплитуды синусоиды. CF двухполупериодного выпрямленного синуса также равен √2, но полупериодного выпрямленного синуса равен 2. CF прямоугольного сигнала равен 1; треугольная волна √3. Последовательности импульсов с низким коэффициентом заполнения могут иметь пик-фактор >10.

Спецификация коэффициента амплитуды в измерительном приборе определяет пиковый уровень сигнала, с которым можно работать, часто с пониженной точностью.

На эту спецификацию влияют два фактора:
– Динамический диапазон усилителей и схем формирования сигнала.
– Полоса пропускания используемого среднеквадратичного преобразователя.

На приборах с более чем одним входным диапазоном ограничение в усилителях можно преодолеть, используя более высокий диапазон. Тогда пики сигнала для определенной амплитуды будут находиться в пределах максимально допустимого для этого диапазона (рис. B).

По мере увеличения коэффициента амплитуды высокочастотные компоненты становятся большей частью общей формы волны. Обычно они кратны основной частоте (гармоникам). Электронные регуляторы скорости, диммеры ламп, импульсные источники питания и аналогичные электронные схемы часто генерируют сигналы с высоким содержанием гармоник. Однофазный источник питания постоянного тока с диодным мостом без сетевой фильтрации имеет гармоники формы волны тока далеко за пределы 7-й (см. рис. C).

Преобразователь с полосой пропускания (-3 дБ) 780 Гц измерит 71% вклада 13-й гармоники. Полоса пропускания преобразователя не является серьезной проблемой, когда основная частота составляет 50 или 60 Гц. Однако, когда основной является высокая частота (например, 20 кГц в инверторе мощности), для точного измерения несинусоидальной формы сигнала требуется гораздо большая полоса пропускания. Измерительному оборудованию, предназначенному для измерения точек в цепи коммутации, требуется широкая полоса пропускания.

Однофазные цепи
Для простейшего однофазного подключения к сети переменного тока требуется два провода. В цепях низкого напряжения напряжение можно измерить напрямую с помощью вольтметра переменного тока с соответствующей шкалой. Ток обычно измеряют, вставляя трансформатор тока со стороны линии и контролируя выходной сигнал полноразмерным амперметром переменного тока на 5 А (рис. D). Там, где невозможно разорвать цепь для установки трансформатора тока, можно использовать разъемный сердечник или накладной преобразователь тока. В цепях с более высоким напряжением может быть добавлен трансформатор напряжения для понижения напряжения источника до более низкого уровня (рис. E).

В зависимости от уровня напряжения частотомеры могут быть подключены непосредственно так же, как вольтметр переменного тока, или могут работать через трансформатор напряжения. Некоторые ваттметры, измерители коэффициента мощности и счетчики ватт-часов подключаются непосредственно к источнику питания (рис. F). В цепях с более высокой энергией или в ситуациях, когда счетчик расположен далеко от силовой цепи, используются трансформаторы тока и трансформаторы тока (рис. G).

В однофазной трехпроводной системе два горячих провода сдвинуты по фазе на 180° (относительно нейтрали). Для однофазной трехпроводной системы требуются два однофазных ваттметра или один многофазный прибор с двумя измерительными элементами (каждый элемент измеряет напряжение и ток). Это показано на рис. H. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не перегрузить счетчик при низком коэффициенте мощности. При PF=0,5 для полномасштабного считывания требуется удвоение полной шкалы либо на входе V, либо на входе A.

Многофазные цепи
Хотя многие нагрузки на предприятии являются однофазными, их рабочее питание поступает от одной фазы трехфазной системы распределения. Тяжелые электрические нагрузки, такие как большие двигатели, обычно трехфазные для повышения эффективности. Трехфазное питание конфигурируется как звезда (Y) или треугольник. Y-образные соединения могут быть 3-х или 4-х проводными. Напряжение на каждой фазе смещено на 120° от напряжения на остальных фазах.

Теорема Блонделя утверждает, что если сеть питается через N проводников, то общая мощность измеряется путем суммирования показаний N ваттметров, расположенных так, что элемент тока ваттметра находится в каждой линии, а соответствующий элемент напряжения подключен между этой линией и проводником. общая точка. Если общая точка расположена на одной из линий, то мощность можно измерять ваттметрами N-1.

Это позволяет измерять 3-фазную 3-проводную систему с помощью двух однофазных ваттметров, аналогично однофазной трехпроводной системе (см. рис. I).

Полная мощность представляет собой алгебраическую сумму двух показаний при всех условиях нагрузки и коэффициента мощности. Если нагрузка сбалансирована, при коэффициенте мощности, равном единице, каждый прибор будет показывать половину нагрузки; при коэффициенте мощности 0,5 один прибор считывает всю нагрузку, а другой показывает ноль; при коэффициенте мощности менее 0,5 одно показание будет отрицательным. В то время как сбалансированные нагрузки предпочтительны, многие системы сегодня не сбалансированы из-за модификаций системы или наличия нелинейных нагрузок.

3-фазная система Y с центральной нейтралью эквивалентна 4-проводной системе. Это требует использования трех измерительных элементов (рис. J). Для трех ваттметров общая мощность представляет собой алгебраическую сумму трех показаний при всех условиях нагрузки и коэффициента мощности.

На этих схемах показано использование однофазных ваттметров с прямым подключением. Внешние ТТ и ТТ также могут использоваться, как описано для однофазных цепей. На практике обычно используется трехфазный измеритель мощности, так как он может измерять все три ветви и вычислять алгебраическую сумму внутри себя. В системах, где третий провод напряжения отсутствует на счетчике, может использоваться специальная конфигурация элемента 2 1/2, как показано на рис. К.

Приборы

Polyphase доступны как в аналоговой, так и в цифровой конфигурации. Некоторые электронные трехфазные измерители мощности нельзя использовать в однофазных цепях из-за необходимости использования внутренней математической функции.

Энергия
Энергия – это мощность, используемая в течение определенного времени (P ˚ t). Электрическая энергия обычно измеряется в кВтч или МВтч. Счетчики киловатт-часов — это измерители мощности с временной базой для интегрирования мгновенной мощности во времени. Электронные версии счетчика кВтч часто включают возможность отображения мощности и потребления. Спрос – это среднее количество энергии, потребляемой за определенный промежуток времени. Для утилиты этот интервал обычно составляет 15 или 30 минут. Коммунальное предприятие должно иметь достаточную мощность для удовлетворения пикового спроса, поэтому цены на энергию часто устанавливаются на основе этого фактора. Счетчики потребления с регулируемыми уставками и выходными реле могут использоваться для отключения низкоприоритетных нагрузок для ограничения пиков потребления. Считывание потребления на аналоговом счетчике электроэнергии реализовано с помощью стрелочного указателя с ручным сбросом.

Измерение напряжения, тока и мощности в однофазной цепи с резистивной нагрузкой — бесплатная тетрадь по электрике

№ эксперимента: 1

Название эксперимента:

Измерение напряжения, тока и мощности в однофазной цепи с резистивной нагрузкой.

Цель:

Для измерения напряжения, тока и мощности в однофазной цепи с резистивной нагрузкой.

Теория:

Согласно показанной принципиальной схеме мы использовали реостат в качестве резистивной нагрузки. Амперметр типа МИ включен последовательно с реостатом для измерения тока, протекающего через него. Мы выбрали амперметр в соответствии с током нагрузки. Вольтметр типа MI подключен к нагрузке для измерения напряжения на ней. Для измерения мощности, потребляемой нагрузкой, мы подключили ваттметр. Мы выбрали ваттметр и вольтметр в соответствии с напряжением питания и номинальным током нагрузки.

В ваттметре коэффициент умножения определяется следующим образом:

В нашем случае

(i) MF= (150×5×1)/750 = 1 [При напряжении питания 100 В]

(ii) MF = (300×5×1)/750 = 2 [При напряжении питания 200 В]

Итак, мы должны умножить 1 и 2 на показания ваттметра в Sl. № 1 и 2 соответственно, как показано в таблице наблюдений.

Схема:

Стол наблюдения:

Сл. №	Resistance (Ohm)	Voltage (V)	Current (A)	Power (W)
1.	100	100
2.	100	200

Используемое оборудование:

Примечания:

1. Не следует прикасаться к катушке реостата во время и после теста, так как он рассеивает значительное количество тепла.
2. Сопротивление реостата следует измерять после отключения от сети без изменения его значения через жокей.