Что такое сила и мощность? В чем измеряется данный показатель, какие при этом используются приборы, и как названные применяются на практике, мы рассмотрим далее в статье.
Сила
В мире все тела физической природы начинают движение благодаря силе. При ее воздействии, с попутным или противоположным направлением движения тела, совершается работа. Таким образом, на тело воздействует какая-либо сила.
Так, велосипед трогается с места благодаря силе ног человека, а на поезд действует сила тяги электровоза. Подобное воздействие случается при любом движении. Работа силы - это величина, в которой умножается модуль силы, модуль перемещения точки ее приложения и косинус угла между векторами этих показателей. Формула в этом случае выглядит следующим образом:
A = F · s · cos (F, s)
Если угол между этими векторами не равен нулю, то работа производится всегда. При этом она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. На тело не будет действовать сила при угле, равном 90°.
Рассмотрим для примера телегу, которую тянет мускульная сила лошади. Другими словами, работу совершает сила тяги в направлении движения телеги. А вот направленная вниз или перпендикулярно, работы не совершает (кстати, лошадиные силы — это то, в чем измеряется мощность двигателя).
Работа силы является скалярной величиной и измеряется в джоулях. Она может быть:
- равнодействующей (при воздействии нескольких сил);
- непостоянной (тогда вычисление производится с интегралом).
Мощность
В чем измеряется эта величина? Для начала разберем, что она из себя представляет. Понятно, что движение тело начинает за счет силы, совершающей Однако на практике, помимо этого, необходимо знать, как именно она совершается.
Работа может быть завершена в разные сроки. Например, одно и то же действие может совершить маленький моторчик или большой электрический двигатель. Вопрос только в том, за какое время оно будет произведено. Величина, отвечающая за такую задачу, — это мощность. В чем измеряется она, становится понятным из определения - это отношение работы за конкретное время к его величине:
Путем логических действий приходим к следующей формуле:
то есть произведение векторов силы на скорость движения - и есть мощность. В чем измеряется она? По международной системе СИ, единицей измерения данной величины является 1 Ватт.
Ватт и другие единицы измерения мощности
Ватт означает мощность, где за одну секунду производится работа в один джоуль. Последнюю единицу назвали так в честь англичанина Дж.Уатта, который изобрел и соорудил первую паровую машину. Но он при этом использовал другую величину - лошадиную силу, каковая применяется и по сей день. приблизительно равна 735,5 Ватт.
Таким образом, кроме Ватта, мощность измеряют в метрической лошадиной силе. А при очень малом значении также используют Эрг, равный десяти в минус седьмой степени Ватт. Возможно и измерение в одной единице массы/силы/метров в секунду, что равно 9,81 Ватт.
Мощность в двигателе
Названная величина является одной из самых важных в любом моторе, который бывает самой разной мощности. Например, электрическая бритва имеет сотые доли киловатта, а ракета космического корабля насчитывает миллионы.
Для разной нагрузки необходима различная мощность для сохранения определенной скорости. Например, машина станет тяжелее, если в нее поместить больше груза. Тогда о дорогу увеличится. Поэтому, чтобы поддерживать ту же скорость, что и в ненагруженном состоянии, потребуется большая мощность. Соответственно, мотор будет съедать больше топлива. Об этом факте известно всем водителям.
Но при большой скорости важна и инерция машины, которая прямо пропорциональна ее массе. Бывалые водители, знающие об этом факте, находят при езде лучшее сочетание топлива и скорости, чтобы бензина уходило меньше.
Мощность тока
В чем измеряется мощность тока? В той же самой единице по системе СИ. Она может быть измерена прямым или косвенным методом.
Первый способ реализуется при помощи ваттметра, потребляющего существенную энергию и сильно нагружающего источник тока. С его помощью измеряется от десяти Ватт и более. Косвенный метод используют при необходимости измерить малые значения. Приборами для этого служат амперметр и вольтметр, подсоединенные к потребителю. Формула в данном случае будет иметь такой вид:
При известном сопротивлении нагрузки, измеряем протекающую через нее величину тока и находим мощность так:
P = I 2 ∙ R н.
По формуле P = I 2 /R н также может быть вычеслена мощность тока.
В чем измеряется она в сети трехфазного тока, тоже не секрет. Для этого применяют уже знакомый прибор - ваттметр. Причем решить задачу, чем измеряется можно с помощью одного, двух или даже трех приборов. Например, для четырехпроводной установки потребуется три устройства. А для трехпроводной при несимметричной нагрузке — два.
Момщность - физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.
Различают среднюю мощность за промежуток времени
и мгновенную мощность в данный момент времени:
Интеграл от мгновенной мощности за промежуток времени равен полной переданной энергии за это время:
Единицы измерения. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду. механическая работа мощность электрическая
Другой распространённой, но ныне устаревшей единицей измерения мощности, является лошадиная сила. В своих рекомендациях Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) относит лошадиную силу к числу единиц измерения, "которые должны быть изъяты из обращения как можно скорее там, где они используются в настоящее время, и которые не должны вводиться, если они не используются"
Соотношения между единицами мощности (см. приложение 9).
Мощность в механике . Если на движущееся тело действует сила, то эта сила совершает работу. Мощность в этом случае равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется тело:
где F - сила, v - скорость, - угол между вектором скорости и силы.
Частный случай мощности при вращательном движении:
M - момент силы, - угловая скорость, - число пи, n - частота вращения (число оборотов в минуту, об/мин.).
Электрическая мощность
Механическая мощность. Мощность характеризует быстроту совершения работы.
Мощность (N) - физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа.
Мощность показывает, какая работа совершается за единицу времени.
В Международной системе (СИ) единица мощности называется Ватт (Вт) в честь английскогоизобретателя Джеймса Ватта (Уатта), построившего первую паровую машину.
[N]= Вт = Дж / c
- 1 Вт = 1 Дж / 1с
- 1 Ватт равен мощности силы, совершающей работу в 1 Дж за 1 секунду или, когда груз массой 100г поднимают на высоту 1м за 1 секунду.
Сам Джеймс Уатт (1736-1819) пользовался другой единицей мощности - лошадиной силой (1 л.с.), которую он ввел с целью возможности сравнения работоспособности паровой машины и лошади.
1л.с. = 735 Вт.
Однако, мощность одной средней лошади - около 1/2 л.с., хотя лошади бывают разные.
"Живые двигатели" кратковременно могут повышать свою мощность в несколько раз.
Лошадь может доводить свою мощность при беге и прыжках до десятикратной и более величины.
Делая прыжок на высоту в 1м, лошадь весом 500кг развивает мощность равную 5 000 Вт = 6,8 л.с.
Считается, что в среднем мощность человека при спокойной ходьбе равна приблизительно 0,1л.с. т.е 70-90Вт.
При беге, прыжках человек может развивать мощность во много раз большую.
Оказывается, самым мощным источником механической энергии является огнестрельное оружие!
С помощью пушки можно бросить ядро массой 900кг со скоростью 500м/с, развивая за 0,01 секунды около 110 000 000 Дж работы. Эта работа равнозначна работе по подъему 75 т груза на вершину пирамиды Хеопса (высота 150 м).
Мощность выстрела пушки будет составлять 11 000 000 000Вт = 15 000 000 л.с.
Сила напряжения мышц человека приблизительно равна силе тяжести, действующей на него.
эта формула справедлива для равномерного движения с постоянной скоростью и в случае переменного движения для средней скорости.
Из этих формул видно, что при постоянной мощности двигателя скорость движения обратно пропорциональна силе тяги и наоборот.
На этом основан принцип действия коробки скоростей (коробки перемены передач) различных транспортных средств.
Электрическая мощность . Электримческая мощность - физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. При изучении сетей переменного тока, помимо мгновенной мощности, соответствующей общефизическому определению, вводятся также понятия активной мощности, равной среднему за период значению мгновенной, реактивной мощности, которая соответствует энергии, циркулирующей без диссипации от источника к потребителю и обратно, и полной мощности, вычисляемой как произведение действующих значений тока и напряжения без учёта сдвига фаз.
U - это работа, выполняемая при перемещении одного кулона, а ток I - количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность или мощность электрического тока.
Анализируя приведённую формулу, можно сделать очень простой вывод: поскольку электрическая мощность "P" в одинаковой степени зависит от тока "I" и от напряжения "U", то, следовательно, одну и ту же электрическую мощность можно получить либо при большом токе и малом напряжении, или же, наоборот, при большом напряжении и малом токе (Это используется при передачи электроэнергии на удалённые расстояния от электростанций к местам потребления, путём трансформаторного преобразования на повышающих и понижающих электроподстанциях).
Активная электрическая мощность (это мощность, которая безвозвратно преобразуется в другие виды энергии - тепловую, световую, механическую и т.д.) имеет свою единицу измерения - Вт (Ватт). Она равна произведению 1 вольта на 1 ампер. В быту и на производстве мощность удобней измерять в кВт (киловаттах, 1 кВт = 1000 Вт). На электростанциях уже используются более крупные единицы - мВт (мегаватты, 1 мВт = 1000 кВт = 1 000 000 Вт).
Реактивная электрическая мощность - это величина, которая характеризует такой вид электрической нагрузки, что создаются в устройствах (электрооборудовании) колебаниями энергии (индуктивного и емкостного характера) электромагнитного поля. Для обычного переменного тока она равна произведению рабочего тока I и падению напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними:
Q = U*I*sin(угла).
Реактивная мощность имеет свою единицу измерения под названием ВАр (вольт-ампер реактивный). Обозначается буквой "Q".
Удельная мощность . Удельная мощность - отношение мощности двигателя к его массе или др. параметру.
Удельная мощность автомобиля . Применительно к автомобилям удельной мощностью называют максимальную мощность мотора, отнесённую ко всей массе автомобиля. Мощность поршневого двигателя, делённая на литраж двигателя, называется литровой мощностью. Например, литровая мощность бензиновых моторов составляет 30…45 кВт/л, а у дизелей без турбонаддува - 10…15 кВт/л.
Увеличение удельной мощности мотора приводит, в конечном счёте, к сокращению расхода топлива, так как не нужно транспортировать тяжёлый мотор. Этого добиваются за счёт лёгких сплавов, совершенствования конструкции и форсирования (увеличения быстроходности и степени сжатия, применения турбонаддува и т. д.). Но эта зависимость соблюдается не всегда. В частности, более тяжёлые дизельные двигатели могут быть более экономичны, так как КПД современного дизеля с турбонаддувом доходит до 50 %
В литературе, используя этот термин, часто приводят обратную величину кг/л.с. или кг/квт.
Удельная мощность танков . Мощность, надёжность и другие параметры танковых двигателей постоянно росли и улучшались. Если на ранних моделях довольствовались фактически автомобильными моторами, то с ростом массы танков в 1920-х-1940-х гг. получили распространение адаптированные авиационные моторы, а позже и специально сконструированные танковые дизельные (многотопливные) двигатели. Для обеспечения приемлемых ходовых качеств танка его удельная мощность (отношение мощности двигателя к боевой массе танка) должна быть не менее 18-20 л. с. /т. Удельная мощность некоторых современных танков (см. приложение 10).
Активная мощность . Активная мощность - среднее за период значение мгновенной мощности переменного тока:
Активная мощность - это величина, которая характеризует процесс преобразования электроэнергии в какой-либо другой вид энергии. Другими словами, электрическая мощность, как бы, показывает скорость потребления электроэнергии. Это та мощность, за которую мы платим деньги, которую считает счетчик.
Активную мощность можно определить по такой формуле:
Мощностные характеристики нагрузки можно точно задать одним единственным параметром (активная мощность в Вт) только для случая постоянного тока, так как в цепи постоянного тока существует единственный тип сопротивления - активное сопротивление.
Мощностные характеристики нагрузки для случая переменного тока невозможно точно задать одним единственным параметром, так как в цепи переменного тока существует два разных типа сопротивления - активное и реактивное. Поэтому только два параметра: активная мощность и реактивная мощность точно характеризуют нагрузку.
Принцип действия активного и реактивного сопротивлений совершенно различный. Активное сопротивление - необратимо преобразует электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, световую и т.д.) - примеры: лампа накаливания, электронагреватель.
Реактивное сопротивление - попеременно накапливает энергию затем выдаёт её обратно в сеть - примеры: конденсатор, катушка индуктивности.
Активная мощность (рассеиваемая на активном сопротивлении) измеряется в ваттах, а реактивная мощность (циркулирующая через реактивное сопротивление) измеряется в варах; так же для характеристики мощности нагрузки используют ещё два параметра: полную мощность и коэффициент мощности. Все эти 4 параметра:
Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт.
Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный).
Полная мощность: обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер).
Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ, единица измерения: безразмерная величина.
Эти параметры связаны соотношениями:
S*S=P*P+Q*Q, cosФ=k=P/S.
Также cosФ называется коэффициентом мощности.
Поэтому в электротехнике для характеристики мощности задаются любые два из этих параметров так как остальные могут быть найдены из этих двух.
То же самое и с источниками питания. Их мощность (нагрузочная способность) характеризуется одним параметром для источников питания постоянного тока - активная мощность (Вт), и двумя параметрами для ист. питания переменного тока. Обычно этими двумя параметрами являются полная мощность (ВА) и активная (Вт).
Большинство офисной и бытовой техники, активные (реактивное сопротивление отсутствует или мало), поэтому их мощность указывается в Ваттах. В этом случае при расчёте нагрузки используется значение мощности ИБП в Ваттах. Если нагрузкой являются компьютеры с блоками питания (БП) без коррекции входного коэффициента мощности (APFC), лазерный принтер, холодильник, кондиционер, электромотор (например, погружной насос или мотор в составе станка), люминисцентные балластные лампы и др. - при расчёте используются все вых. данные ибп: кВА, кВт, перегрузочные характеристики и др.
Реактивная мощность. Реактивная мощность, способы и виды (средства) компенсации реактивной мощности.
Реактивная мощность - часть полной мощности, затрачиваемая на электромагнитные процессы в нагрузке, имеющей емкостную и индуктивную составляющие. Не выполняет полезной работы, вызывает дополнительный нагрев проводников и требует применения источника энергии повышенной мощности.
Реактивная мощность относится к техническим потерям в электросетях согласно Приказу Минпромэнерго РФ № 267 от 04.10.2005.
При нормальных рабочих условиях все потребители электрической энергии, чей режим сопровождается постоянным возникновением электромагнитных полей (электродвигатели, оборудование сварки, люминесцентные лампы и многое др.) нагружают сеть как активной, так и реактивной составляющими полной потребляемой мощности. Эта реактивная составляющая мощности (далее реактивная мощность) необходима для работы оборудования содержащего значительные индуктивности и в то же время может быть рассмотрена как нежелательная дополнительная нагрузка на сеть.
При значительном потреблении реактивной мощности напряжение в сети понижается. В дефицитных по активной мощности энергосистемах уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Недостаточная для выполнения баланса активная мощность передается в такие системы из соседних энергосистем, в которых имеется избыток генерируемой мощности. Обычно энергосистемы дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме. В отличие от активной мощности реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами - конденсаторами, синхронными компенсаторами или статическими источниками реактивной мощности, которые можно установить на подстанциях электрической сети.
Компенсация реактивной мощности , в настоящее время, является немаловажным фактором, позволяющим решить вопрос энергосбережения и снижения нагрузок на электросеть. По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает значительную величину в себестоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления предприятия, выработке методики и поиску средств для компенсации реактивной мощности.
Компенсация реактивной мощности. Средства компенсации реактивной мощности. Индуктивной реактивной нагрузке, создаваемой электрическими потребителями, можно противодействовать с помощью ёмкостной нагрузки, подключая точно рассчитанный конденсатор. Это позволяет снизить реактивную мощность, потребляемую от сети и называется корректировкой коэффициента мощности или компенсацией реактивной мощности.
Преимущества использования конденсаторных установок как средства для компенсации реактивной мощности:
- · малые удельные потери активной мощности (собственные потери современных низковольтных косинусных конденсаторов не превышают 0,5 Вт на 1000 ВАр);
- · отсутствие вращающихся частей;
- · простой монтаж и эксплуатация (не нужно фундамента);
- · относительно невысокие капиталовложения;
- · возможность подбора любой необходимой мощности компенсации;
- · возможность установки и подключения в любой точке электросети;
- · отсутствие шума во время работы;
- · небольшие эксплуатационные затраты.
В зависимости от подключения конденсаторной установки возможны следующие виды компенсации:
- 1. Индивидуальная или постоянная компенсация, при которой индуктивная реактивная мощность компенсируется непосредственно в месте её возникновения, что ведет к разгрузке подводящих проводов (для отдельных, работающих в продолжительном режиме потребителей с постоянной или относительно большой мощностью - асинхронные двигатели, трансформаторы, сварочные аппараты, разрядные лампы и т.д.).
- 2. Групповая компенсация, в которой аналогично индивидуальной компенсации для нескольких одновременно работающих индуктивных потребителей подключается общий постоянный конденсатор (для находящихся вблизи друг от друга электродвигателей, групп разрядных ламп). Здесь также разгружается подводящая линия, но только до распределения на отдельных потребителей.
- 3. Централизованная компенсация, при которой определенное число конденсаторов подключается к главному или групповому распределительному шкафу. Такую компенсацию применяют, обычно, в больших электрических системах с переменной нагрузкой. Управление такой конденсаторной установкой выполняет электронный регулятор - контроллер, который постоянно анализирует потребление реактивной мощности от сети. Такие регуляторы включают или отключают конденсаторы, с помощью которых компенсируется мгновенная реактивная мощность общей нагрузки и, таким образом, уменьшается суммарная мощность, потребляемая от сети.
Ещё в 18 веке мощность стали считать в лошадиных силах. До сих пор эта физическая величина употребляется для обозначения силы двигателей. Рядом с показателем мощности двигателя внутреннего сгорания в ваттах продолжают писать значение в л.с.
Мощность как физическая величина, формула мощности
Значение, показывающее, как быстро происходят преобразование, трансляция или потребление энергии в какой-либо системе, – мощность. Для характеристик энергетических условий важно, насколько быстро выполняется процесс. Работа, реализуемая в единицу времени, именуется мощностью:
- А – работа;
- t – время.
Можно учитывать отдельно мощность в механике и электрическую мощность.
Чтобы получить ответ на вопрос: в чем измеряется механическая мощность, рассматривают действие силы на движущееся тело. Сила проделывает работу, мощность в таком случае определяется по формуле:
- F – сила;
- v – скорость.
При вращательном движении эту величину определяют с учётом момента силы и частоты вращения, «об./мин.».
Зависимость между электрическим током и мощностью
В электротехнике работой будет U – напряжение, которое перемещает 1 кулон, количество перемещаемых в единицу времени кулонов – это ток (I). Мощность электротока или электрическую мощность P получают, умножив ток на напряжение:
Это полная работа, выполненная за 1 секунду. Зависимость здесь прямая. Изменяя ток или напряжение, изменяют мощность, расходуемую устройством.
Одинакового значения Р добиваются, варьируя одну из двух величин.
Определение единицы измерения мощности тока
Единица измерения мощности тока носит имя Джеймса Ватта, шотландского инженера-механика. 1 Вт – это мощность, которую вырабатывает ток 1 А при разности потенциалов 1 В.
К примеру, источник при напряжении 3,5 В создаёт в цепи ток 0,2 А, тогда мощность тока получится:
P = U*I = 3,5*0,2 = 0,7 Вт.
Внимание! В механике мощность принято изображать буквой N, в электротехнике – буквой P. В чем измеряется n и P? Независимо от обозначения, это одна величина, и измеряется она в ваттах «Вт».
Ватт и другие единицы измерения мощности
Говоря о том, в чем измеряется мощность, необходимо знать, о чём идёт речь. Ватт – это величина, соответствующая 1 Дж/с. Она принята в Международной Системе Единиц. В каких единицах ещё измеряется мощность? Раздел науки астрофизика работает с единицей под названием эрг/с. Эрг – очень маленькая величина, равная 10-7 Вт.
Ещё одна, поныне распространённая, единица из этого ряда – «лошадиная сила». В 1789 году Джеймс Ватт подсчитал, что груз весом 75 кг из шахты может вытащить одна лошадь и сделать это со скоростью 1 м/с. Исходя из подсчёта такой трудоёмкости, мощность двигателей допускается измерить этой величиной в соотношении:
1 л.с. = 0,74 кВт.
Интересно. Американцы и англичане считают, что 1 л.с. = 745.7 Вт, а русские – 735.5 Вт. Спорить, кто прав, а кто нет, не имеет смысла, так как мера эта внесистемная и не должна быть использована. Международная организация законодательной метрологии рекомендует изъять её из обращения.
В России при расчёте полиса КАСКО или ОСАГО используют эти данные силового агрегата автомобиля.
Формула взаимосвязи между мощностью, напряжением и силой тока
В электротехнике работу рассматривают как некоторое количество энергии, отдаваемое источником питания на действие электроприбора в период времени. Поэтому электрическая мощность есть величина, описывающая быстроту трансформации или передачи электроэнергии. Её формула для постоянного тока выглядит так:
- U – напряжение, В;
- I – сила тока, А.
Для некоторых случаев, пользуясь формулой закона Ома, мощность можно вычислить, подставив значение сопротивления:
P = I*2*R, где:
- I – сила тока, А;
- R – сопротивление, Ом.
В случае расчётов мощности цепей переменного тока придётся столкнуться с тремя видами:
- активная её формула: P = U*I*cos ϕ, где – коэффициент угла сдвига фаз;
- реактивная рассчитывается: Q = U*I*sin ϕ ;
- полная представлена в виде: S = √P2 + Q2, гдe P – aктивная, а Q2 – реактивная.
Расчёты для однофазной и трёхфазной цепей переменного тока выполняются по разным формулам.
Важно! Потребители электроэнергии на предприятиях в большинстве асинхронные двигатели, трансформаторы и другие индуктивные приёмники. При работе они используют реактивную мощность, а та, протекая по линиям электропередач, приводит ЛЭП к дополнительной нагрузке. Чтобы повысить качество энергии, используют компенсацию реактивной энергии в виде конденсаторных установок.
Приборы для измерения электрической мощности
Провести измерения мощности позволяет ваттметр. У него две обмотки. Одна включается в цепь последовательно, как амперметр, вторая параллельно, как вольтметр. В установках электроэнергетики ваттметры определяют значения в киловатт-час «кВт*час». В измерениях нуждается не только электрическая, а также лазерная энергия. Приборы, способные измерять этот показатель, изготавливаются как стационарного, так и переносного исполнения. С их помощью оценивают уровень лазерных излучений оборудования, применяющего этот вид энергии. Один из портативных измерителей – LP1, японского производителя. LP1 разрешает напрямую определять значения силы светового излучения, к примеру, в визуальном пятне оптических устройств проигрывателей DVD.
Мощность в бытовых электрических приборах
Для нагрева металла нити накаливания лампочки, увеличения температуры рабочей поверхности утюга или иного бытового прибора, тратится определённое количество электроэнергии. Её величину, отбираемую нагрузкой за час, считают потребляемой мощностью этого аппарата.
Внимание! Если на лампочке написано «40 W, 230 V», это значит, что за 1 час она потребляет из сети переменного тока 40 Вт. Зная количество лампочек и параметры, подсчитывают, сколько энергии тратится на освещение комнат в месяц.
Как перевести ватты
Так как ватт – величина маленькая, в быту оперируют киловаттами, пользуются системой перевода величин:
- 1 Вт = 0,001 кВт;
- 10 Вт = 0,01 кВт;
- 100 Вт = 0,1 кВт;
- 1000 Вт = 1 кВт.
Мощность некоторых электрических приборов, Вт
Средние значения потребления электроэнергии бытовых устройств:
- плиты – 110006000 Вт;
- холодильники – 150-600 Вт;
- стиральные машины – 1000-3000 Вт;
- пылесосы – 1300-4000 Вт;
- электрочайники – 2000-3000 Вт.
Параметры каждого бытового прибора указываются в паспорте, а также обозначаются на корпусе. Там определены точные значения для информации потребителя.
Видео
Важнейшей задачей статистики оборудования является измерение мощности двигателей предприятия. Мощностью двигателя называется его способность выполнять определенную работу за единицу времени (секунду). Основной единицей измерения мощности является киловатт (кВт). Поскольку энергетическое оборудование предприятия может включать двигатели, мощность которых выражается в различных единицах, суммарная мощность всех двигателей выражается в киловаттах. Для этого пользуются такими постоянными соотношениями:
Мощность двигателей можно охарактеризовать с разных точек зрения.
в Зависимости от конструкции двигателя мощности различают теоретическую, индикаторную и эффективную (настоящую).
Мощность теоретическая (#) определяется путем расчетов, исходя из предположения об отсутствии в двигателе механических потерь (от трения) и тепловых потерь (от излучения). Теоретическая мощность может быть вычислена для любых двигателей.
Мощность индикаторная (#/вс) - мощность двигателя с учетом тепловых, но без учета механических потерь. Измеряется М.нд на том органе двигателя, где заканчиваются потери от излучения.
Третьим видом конструктивных мощностей является мощность эффективная (Г Это действительная мощность, учитывающий потери теплового и механического характера. Измеряется на рабочем валу двигателя.
в Зависимости от интенсивности работы двигателя мощность его может меняться, поэтому различают такие мощности с нагрузкой: нормальную (экономическую), максимально длительную и максимально короткое время.
Мощность нормальная (Л/^ г) является мощностью, при которой двигатель наиболее экономно расходует топливо и энергию на единицу силы, то есть имеет самый высокий коэффициент полезного действия (к.п.д.). При отклонении нагрузки вверх или вниз от нормальной к. к.д. снижается.
в Основном с целью получения максимального количества энергии при эксплуатации силовых устройств для них устанавливается режим максимальной нагрузки, при котором двигатель без ущерба для своего состояния может работать неопределенно длительный период. Мощность, характерная для максимальной нагрузки большинства силовых двигателей, называется максимально длительной (Ммт{)-
Мощностью максимально кратковременной (№) называется предельная нагрузка двигателя, за которого он без аварии может работать короткое время, обычно не более 30 мин.
Все три вида мощности нагрузки являются потенциальными, поскольку определяют не действительное, а возможное нагрузки. Для полноты характеристики мощности двигателя следует одновременно учитывать его мощность, по конструкции и по нагрузке. Как правило, это будет мощность максимально длительная эффективная.
Для характеристики мощностей двигателей по эксплуатационному назначению различают присоединенную мощность, установленную, имеющуюся, пиковую, резервную, среднюю фактическую и среднегодовую.
Присоединенной мощностью (Мприсд) называется мощность всех приемников, присоединенных к электростанции, в том числе мощность электромоторов чужого тока у абонентов и электромоторов своего тока.
Крупные электростанции обеспечивают электроэнергией абонентов, имеющих различные графики нагрузки. Например, утром резко возрастает потребность в энергии производства и городского транспорта (трамвай, троллейбус), но уменьшается на освещение; в вечерние часы прекращается работа части предприятий, но резко возрастает потребность зрелищных заведений в электрической энергии. За счет неодночасного присоединения абонентов к станции присоединенная мощность обычно больше мощности станции в 2-2,5 раза. Итак, станция мощностью в 30 тыс. кВт может обслуживать абонентов, мощность приемников тока которых составляет 60 тыс. кВт и более.
Мощность установлена (л/) является общей максимально длительной эффективной мощностью установленных двигателей (для электростанции - мощность электрогенераторов).
Поскольку часть двигателей, находящихся в ремонте и ожидающих ремонта, не может быть использована, большое значение приобретает имеющаяся мощность (Мнаяві) - суммарная мощность всех устройств, за вычетом тех, что находятся в ремонте или ожидающие его.
За определенный период, например за сутки, месяц или квартал, важно определить максимум нагрузки, который называют пиковой мощностью ША.
Разница между имеющейся и пиковой мощностями называется резервной мощностью. Она состоит из двух частей, имеющих разное экономическое значение: по мощности резервных двигателей, предназначенных дня замены тех, что работают, в случае аварии, и с недогрузки двигателей, работающих в час пик.
Для многих практических расчетов определяется средняя фактическая мощность Л. Рассчитывается она для отдельного двигателя путем деления выработанной за период энергии в киловатт-часах на фактическое время работы в часах, то есть
Чтобы вычислить среднюю фактическую мощность нескольких двигателей, которые работают совместно, надо производимую ими энергию разделить на время работы всех двигателей, уменьшенный на время их совместной работы. Так, формула средней фактической мощности двух двигателей, работающих совместно в той или иной комбинации, будет иметь вид
Пример 7.1
Вычислить среднюю фактическую мощность двух двигателей, из которых первый работал с 6 до 16 часов, и произвел 630 кВт х час энергии, а второй работал с 8 до 23 часов, и произвел 715 кВт х час энергии.
Общее количество произведенной энергии: 630 + 715 = 1345 кВт х ч.
Общее время работы двигателей: (16-6) + (23-8) =25 часов.
Время совместной работы двигателей: (16-8) = 8 часов.
Кроме средней фактической мощности, вычисляют мощность среднегодовую {М), которая показывает, сколько киловатт часов энергии в среднем за год произведено в течение одного часа.
Для этого произведенная энергия делится на количество часов уроке-8760. всегда меньше, чем причем их соотношение А^УЛ^ характеризует степень использования двигателя во времени за годовой период.
На предприятиях установлены двигатели, которые выполняют различные функции: первичные двигатели производят механическую энергию, а вторичные - трансформируют механическую энергию в электрическую (электрогенераторы) или электрическую в механическую и тепловую (электромоторы и электроаппараты).
Если для определения суммарной мощности предприятия сложить мощность первичных и вторичных двигателей, то будет допущен повторный счет; кроме того, в расчет суммарной мощности должна входить только мощность, которая используется в производственном процессе. Следовательно, мощность двигателей, установленных на силовой станции предприятия, энергия которых отпускается на сторону, не следует учитывать при определении энергетической мощности определенного предприятия, поскольку она будет учтена на предприятиях - потребителях энергии.
Рис. 7.1. в
Из рис. 7.1 видно, что первичные двигатели могут непосредственно приводить в движение рабочие машины или передавать механическую энергию електрогенераторам для трансформации ее в электрическую; электроэнергия собственных электрогенераторов может быть использована как для питания электромоторов и электроаппаратов своего и смешанного тока, так и для обеспечения хозяйственных нужд предприятия. Часть электроэнергии может быть отпущена на сторону. В то же время энергия, полученная со стороны, обеспечивает работу электромоторов и электроаппаратов чужого и смешанного тока. Самостоятельно учитывается мощность первичных двигателей прямого действия и мощность транспортных двигателей. Просуммировав мощности первичных и вторичных двигателей, мы допустим двойной счет. Поэтому применяется формула вычисления энергетической мощности предприятия, которая полностью исключает повторный счет:
В общей мощности первичных двигателей №) учитывается также мощность двигателей прямого действия и тех, что используются на заводском транспорте.
Формула 7.3 не только исключает повторный счет мощности, но и разграничивает мощность механического и электрического привода.
Мощность механического привода равна разнице между мощностью всех первичных двигателей предприятия и мощностью той их части, которая обслуживает электрогенераторы (Мпд-М^^^^). Эта разница есть мощностью первичных двигателей, непосредственно связанных с рабочими машинами (с помощью трансмиссии или системы зубчатых колес).
Мощность электрического привода определяется как сумма мощностей электромоторов и электроаппаратов, то есть вторичных двигателей, которые непосредственно обслуживают производственный процесс.
Иногда при вычислении энергетической мощности предприятия мощность первичных двигателей, обслуживающих электрогенераторы Гп.д.обсл.ел.ген)> неизвестна. Чтобы ее определить, надо мощность электрогенераторов умножить на коэффициент 1,04. Происхождение этого коэффициента следующее: средний коэффициент полезного действия электрогенераторов принимаем равным 0,96, а это означает, что мощность первичных двигателей, которые их обслуживают можно получить делением мощности первичных двигателей на 0,96 или умножением на_= 1,04. 0,96
Для определения количества энергии, потребленной предприятием, пользуются формулой, аналогичной той, которая используется для вычисления суммарной мощности:
Пример 7.2
Вычислить потенциальную и среднюю фактическую мощность предприятия, зная, что предприятие работало 200 часов и мало в своем распоряжении следующее энергетическое оборудование:
^^=400+50+350 0,736+100 0,736 - 250-1,04 + 220 + 600 = І34І,2л5ж.
Для вычисления Иф необходимо определить энергию, потребленную предприятием:
Ещйпр = 80000 + 42000 o 0,736+10000 - 0,736 - 48000 o 1,04 + 42000 + 90000 = 200352 кВт.
Общие сведения. Измерение мощности весьма распространено в практике электрических и электронных измерений на постоянном и переменном токе во всем освоенном диапазоне частот - вплоть до миллиметровых и более коротких волн.
Особое значение имеет измерение мощности в диапазоне СВЧ, поскольку мощность является единственной характеристикой электрического режима соответствующего тракта, когда измерение тока и напряжения на СВЧ из-за большой погрешности практически невозможно.
Мощность измеряется ваттметрами в пределах от долей микроватт до единиц - десятков гигаватт.
В зависимости от измеряемых мощностей приборы делятся на ваттметры малой (<10 мВт), средней (10 мВт... 10 Вт) и большой (>10 Вт) мощности.
Основной единицей измерения мощности является ватт (Вт). Используются также кратные и дольные единицы:
Гигаватт (1 ГВт = Вт);
Мегаватт (1 МВт = Вт);
Киловатт (1 кВт = Вт);
Милливатт (1 мВт = Вт);
Микроватт (1 мкВт = Вт).
Международные обозначения единиц измерения мощности приведены в Приложении 1.
Мощность может измеряться не только в абсолютных, но и в относительных единицах - децибелах:
Для измерения мощности используют косвенные и прямой методы. В каталоговой классификации электронные ваттметры обозначаются следующим образом: Ml - образцовые, М2 - проходящей мощности» МЗ - поглощаемой мощности, М4 - мосты для измерителей мощности, М5 - преобразователи (головки) ваттметров.
Электромеханические ваттметры классифицируются в соответствии с единицами измерения мощности, указанными на их шкалах и лицевых панелях: W - ваттметры: kW - киловаттметры; mW - милливаттметры; W - микроваттметры.
Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока низких частот. Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока промышленных частот используются чаше всего электромеханические ваттметры электродинамической и ферродинамической систем.
В лабораторной практике применяются в основном ваттметры электродинамической системы 3, 4 и 5-го классов точности (0,1; 0,2; 0,5). В промышленности при технических измерениях применяют ваттметры ферродинамической системы 6, 7 и 8-го классов точности (1,0; 1,5 и 2,5).
Шкалы однопредельных ваттметром градуированы в значениях измеряемой величины (ваттах, киловаттах и т.д.). Многопредельные ваттметры имеют неградуированную шкалу. Перед использованием таких ваттметров при известных номинальном значении тока и поминальном значении напряжения выбранного предела, а также количестве делений шкалы применяемого ваттметра необходимо определить его цену деления с (постоянную прибора) при по формуле
Зная цену деления для данного ваттметра в выбранном пределе, несложно произвести отсчет значения измеряемой мощности. Измеренное значение мощности будет составлять
где п - отсчет количества делений по шкале прибора.
Ваттметры электродинамической системы применяются для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока частотой до нескольких килогерц.
Ваттметры ферродинамической системы применяются для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока промышленных частот.
На постоянном и переменном токе низких, средних и высоких частот используются косвенные методы измерения мощности, т.е. напряжения, сила тока и фазовые сдвиги определяются путем последующего вычисления мощности. Активная мощность двухфазного переменного тока в цепи с комплексной нагрузкой определяется но формуле
где U, I- среднеквадратичное значение напряжения и силы тока;
Фазовый сдвиг между силой тока и напряжением.
В цепи с чисто активной нагрузкой , когда = 0, = 1, мощность переменного тока составляет
,
(3.33)
мощность импульсного тока:
На практике обычно измеряется средняя мощность за период следовании импульсов:
(3-35)
где q - скважность: q = ;
Длительность импульсов;
Коэффициент формы импульсов 1;
Период следования импульсов.
Высокочастотные методы измерения мощности . Возможны два типовых метода измерения мощности (в зависимости от ее вида: поглощаемая или проходящая).
Поглощаемая мощность - это мощность, потребляемая нагрузкой. В этом случае нагрузка заменяется ее эквивалентом, а измеряемая мощность полностью рассеивается на этом эквиваленте нагрузки, и далее измеряется мощность теплового процесса. Нагрузка ваттметра полностью поглощает мощность, поэтому такие приборы называются ваттметрами поглощаемой мощности (рис. 3.16, а). Так как нагрузка полностью должна поглощать измеряемую мощность, то прибор может использоваться только при отключенном потребителе. Погрешность измерения будет тем меньше, чем более полно обеспечено согласование входного сопротивления ваттметра с выходным сопротивлением исследуемого источника или волновым сопротивлением линии передачи.
Рис. 3.16. Методы измерения ваттметрами поглощаемой (о) и проходящей мощности (б)
Проходящая мощность - это мощность, передаваемая генератором в реальную нагрузку. Приборы, ее измеряющие, называются ваттметрами проходящей мощности. Такие ваттметры потребляют незначительную долю мощности источника, а основная ее часть выделяется в реальной полезной нагрузке (рис. 3.16, б).
К ваттметрам проходящей мощности относятся приборы па преобразователях Холла, с поглощающей стенкой и другие приборы.
В диапазоне высоких и сверхвысоких частот косвенные методы измерения мощности не применяются, так как в разных сечениях линии передач значения силы тока и падения напряжения различны; кроме того, подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому на СВЧ используются другие методы: 1 например, преобразования электромагнитной энергии в тепловую (калориметрический метод), изменения сопротивления резистора (термисторный метод).
Калориметрический метод измерения мощности характеризуется высокой точностью. Этот метод используется во всем радиотехническом диапазоне частот при измерении сравнительно больших мощностей, когда имеет место потеря тепла. Калориметрический метод основан на преобразовании электрической энергии в тепловую, когда нагревается некоторая жидкость в калориметре ваттметра (рис. 3.17). Далее мощность оценивается путем определения по известной разности температур и известному объему жидкости, протекающей через калориметр:
,
(3.36)
где - коэффициент используемой жидкости;
- объем нагретой жидкости.
Рис. 3.17. Устройство калориметрического ваттметра
Погрешность калориметрического метода составляет 1...7%.
Термисторный (болометрический) метод измерения мощности основан на использовании свойства терморезисторов изменять свое сопротивление под воздействием поглощаемой ими мощности электромагнитных колебаний. В качестве терморезисторов используют термисторы и болометры.
Термистор представляет собой полупроводниковую пластину (или диск), заключенную в стеклянный баллон. Термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление падает.
Болометр представляет собой тонкую пластину из слюды или стекла с нанесенным на нее слоем (пленкой) платины. Пленочные болометры обладают очень высокой чувствительностью (до ... Вт). Болометры имеют положительный температурный коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление растет.
Чувствительность и надежность термисторов выше, чем болометров, однако параметры болометров стабильнее, поэтому они применяются в образцовых ваттметрах (подгруппа M1).
Термисторный метод обеспечивает высокую чувствительность, поэтому его применяют для измерения малых и средних мощностей. Использование ответвителей и делительных устройств позволяет применять метод и для измерения больших мощностей. Погрешность термисторных ваттметров составляет 4... 10% и чаще всего зависит от степени согласованности нагрузки.
К основным метрологическим характеристикам ваттметров, которые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:
Тип прибора (поглощаемой или проходящей мощности);
Диапазон измерения мощности;
Частотный диапазон;
Допустимая погрешность измерений;
Коэффициент стоячей волны (КСВ) входа измерителя мощности или модуль коэффициента отражения.
1. Приведите правило включения амперметра в исследуемую цепь.
2. Каково назначение шунтов?
3. Как изменяется сопротивление амперметра с подключением шунта?
4. Как шунт подключается к амперметру?
5. Амперметры какой системы чаще используются при измерении силы постоянного тока?
6. Амперметры какой системы используются при измерении силы I переменного тока высоких частот?
7. Какие правила необходимо соблюдать при измерении силы тока высоких частот?
8. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока низких частот.
9. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока высоких частот.
10. Перечислите основные параметры амперметра.
11. Какое требование предъявляется к внутреннему сопротивлению амперметра?
12. Почему нельзя использовать электромеханический амперметр электродинамической системы при измерении силы переменного тока высоких частот?
13. Перечислите достоинства амперметров магнитоэлектрической системы.
14. Перечислите недостатки амперметров магнитоэлектрической системы.
15. Сколько шунтов содержит электромеханический амперметр с пятью пределами измерения?
16. В чем состоит принципиальное отличие вольтметра от амперметра?
17. Как вольтметр включается в цепь?
18. Каково назначение добавочных резисторов?
19. Что необходимо сделать для расширения диапазона измерения напряжения электромеханического вольтметра?
20. Перечислите достоинства и недостатки электромеханических вольтметров.
21. По каким признакам классифицируются электронные аналоговые вольтметры?
22. По каким структурным схемам строятся электронные аналоговые вольтметры?
23. Перечислите достоинства и недостатки электронных аналоговых вольтметров.
24. Почему вольтметры типа У - Д имеют высокую чувствительность?
25. Почему вольтметры типа Д - У имеют широкий частотный диапазон?
26. Каковы преимущества электронных цифровых вольтметров по сравнению с электронными аналоговыми?
27. Зачем электронные аналоговые вольтметры имеют шкалу, градуированную в децибелах?
28. По каким основным метрологическим характеристикам выбирают вольтметр?
29. В каких единицах измеряется напряжение?
30. Что представляют собой мультиметры?
31. Какими приборами можно измерить мощность в цепях постоянного тока?
32. Какими приборами можно измерить мощность в цепях переменного синусоидального тока промышленных частот?
33. Каким методом можно измерить малую мощность в СВЧ - диапазоне?
34. Каким методом можно измерить большую мощность в СВЧ - диапазоне?
35. Что необходимо знать при определении мощности импульсного сигнала?
36. Определите мощность, выделенную на резисторе R = 1 кОм при протекании постоянного тока силой 5 мА.
37. Определите рассеиваемую резистором R - 2 кОм мощность, если через него протекает синусоидальный ток амплитудой 4 мА.
38. В чем состоит калориметрический метод измерения мощности?
39. В чем состоит термисторный метод измерения мощности?
40. Что такое болометр и где он используется?
41.Укажите достоинства термистора по сравнению с болометром.
42. Укажите недостатки термистора по сравнению с болометром.
43. Перечислить достоинства и недостатки электродинамических ваттметров.
44. К какой группе и подгруппе относятся ваттметры поглощаемой мощности?
45. Какую часть энергии потребляют ваттметры проходящей мощности?
