S elektrospotřebiči se každý den setkáváme, zdá se, že náš život se bez nich zastaví. A každý z nich v technickém návodu označuje výkon. Dnes zjistíme, co to je, naučíme se typy a metody výpočtu.
Obsah
Napájení v obvodu střídavého proudu
Elektrické spotřebiče připojené k síti pracují v obvodu střídavého proudu, proto budeme uvažovat výkon v těchto podmínkách. Nejprve si však uveďme obecnou definici pojmu.
Napájení - fyzikální veličina, která odráží rychlost přeměny nebo přenosu elektrické energie.
V užším slova smyslu říkají, že elektrický výkon je poměr práce vykonané za určité časové období k tomuto časovému období.
Abychom parafrázovali tuto definici méně vědecky, ukazuje se, že výkon je určité množství energie, které spotřebitel spotřebuje za určité časové období. Nejjednodušším příkladem je obyčejná žárovka. Rychlost, jakou žárovka přeměňuje spotřebovanou elektřinu na teplo a světlo, je její výkon. Čím vyšší je tedy tento indikátor pro žárovku zpočátku, tím více bude spotřebovávat energii a tím více světla bude vydávat.
Protože v tomto případě nejde pouze o proces přeměny elektřiny na nějakou jinou (světelné, tepelné atd.), ale také procesem oscilace elektrického a magnetického pole, dochází k fázovému posunu mezi proudem a napětím, což je třeba vzít v úvahu při dalších výpočtech.
Při výpočtu výkonu ve střídavém obvodu je obvyklé rozlišovat aktivní, jalové a plné komponenty.
Pojem činný výkon
Aktivní „užitečný“ výkon je ta část výkonu, která přímo charakterizuje proces přeměny elektrické energie na nějakou jinou energii. Označuje se latinským písmenem P a měří se v wattů (út).
Vypočteno podle vzorce: P = U⋅I⋅cosφ,
kde U a I jsou efektivní hodnoty napětí a proudu obvodu, v tomto pořadí, cos φ je kosinus fázového úhlu mezi napětím a proudem.
DŮLEŽITÉ! Výše popsaný vzorec je vhodný pro výpočet obvodů s napětí 220V, výkonné jednotky však většinou využívají síť s napětím 380V. V tomto případě by měl být výraz vynásoben odmocninou ze tří nebo 1,73
Pojem jalový výkon
Jalový „škodlivý“ výkon je výkon, který vzniká při provozu elektrických spotřebičů s indukční nebo kapacitní zátěží a odráží probíhající elektromagnetické oscilace. Jednoduše řečeno, jde o energii, která přechází ze zdroje energie ke spotřebiteli a poté se vrací zpět do sítě.
Tuto komponentu samozřejmě nelze použít v podnikání, navíc v mnoha ohledech poškozuje napájecí síť, proto se to většinou snaží kompenzovat.
Tato hodnota je označena latinským písmenem Q.
ZAPAMATOVAT SI! Jalový výkon se neměří v běžných wattech (út), a v reaktivních voltampérech (Var).
Vypočteno podle vzorce:
Q = U⋅I⋅sinφ,
kde U a I jsou efektivní hodnoty napětí a proudu obvodu, sinφ je sinus fázového úhlu mezi napětím a proudem.
DŮLEŽITÉ! Při výpočtu může být tato hodnota kladná i záporná v závislosti na fázovém pohybu.
Kapacitní a indukční zátěže
Hlavní rozdíl mezi reaktivními (kapacitní a indukční) zátěže – ve skutečnosti přítomnost kapacity a indukčnosti, které mají tendenci ukládat energii a později ji předávat do sítě.
Indukční zátěž přeměňuje energii elektrického proudu nejprve na magnetické pole (během půl půl cyklu), a poté přeměňuje energii magnetického pole na elektrický proud a přenáší jej do sítě. Příkladem jsou indukční motory, usměrňovače, transformátory, elektromagnety.
DŮLEŽITÉ! Při provozu indukční zátěže se proudová křivka vždy zpožďuje za křivkou napětí o polovinu poloviny cyklu.
Kapacitní zátěž přeměňuje energii elektrického proudu na elektrické pole a následně přeměňuje energii výsledného pole zpět na elektrický proud.Oba procesy opět probíhají každý půl cyklu. Příkladem jsou kondenzátory, baterie, synchronní motory.
DŮLEŽITÉ! Během provozu kapacitní zátěže předbíhá proudová křivka křivku napětí o půl cyklu.
Účiník cosφ
Účiník cosφ (číst cosinus phi) je skalární fyzikální veličina odrážející účinnost spotřeby elektrické energie. Zjednodušeně řečeno, koeficient cosφ ukazuje přítomnost jalové části a hodnotu přijaté aktivní části vzhledem k celkovému výkonu.
Koeficient cosφ se zjistí z poměru činného elektrického výkonu ke zdánlivému elektrickému výkonu.
POZNÁMKA! Při přesnějším výpočtu je třeba vzít v úvahu nelineární zkreslení sinusoidy, která jsou však v konvenčních výpočtech zanedbávána.
Hodnota tohoto koeficientu se může lišit od 0 do 1 (pokud se výpočet provádí v procentech, pak od 0 % do 100 %). Z výpočtového vzorce není těžké pochopit, že čím větší je jeho hodnota, tím větší je aktivní složka, což znamená, že výkon zařízení je lepší.
Koncept totální moci. Mocenský trojúhelník
Zdánlivý výkon je geometricky vypočítaná hodnota rovna odmocnině součtu čtverců činného a jalového výkonu. Označeno latinským písmenem S.
Celkový výkon můžete také vypočítat vynásobením napětí a proudu.
S = U⋅I
DŮLEŽITÉ! Zdánlivý výkon se měří ve voltampérech (VA).
Výkonový trojúhelník je vhodnou reprezentací všech dříve popsaných výpočtů a vztahů mezi činným, jalovým a zdánlivým výkonem.
Nohy odrážejí reaktivní a aktivní složky, přepona - celkový výkon. Podle zákonů geometrie je kosinus úhlu φ roven poměru aktivní a celkové složky, to znamená, že je to účiník.
Jak najít činnou, jalovou a zdánlivou sílu. Příklad výpočtu
Všechny výpočty jsou založeny na výše uvedených vzorcích a mocninném trojúhelníku. Podívejme se na problém, se kterým se v praxi nejčastěji setkáváme.
Typicky jsou elektrické spotřebiče označeny činným výkonem a hodnotou koeficientu cosφ. S těmito údaji je snadné vypočítat reaktivní a celkové složky.
K tomu vydělíme činný výkon koeficientem cosφ a získáme součin proudu a napětí. To bude plný výkon.
Dále na základě mocninového trojúhelníku zjistíme jalový výkon rovný druhé mocnině rozdílu druhých mocnin zdánlivých a činných výkonů.
Jak se cosφ měří v praxi
Hodnota součinitele cosφ bývá uvedena na štítcích elektrospotřebičů, pokud je však potřeba ji v praxi měřit, používají specializované zařízení - fázový měřič. Také digitální wattmetr se s tímto úkolem snadno vyrovná.
Pokud je získaný koeficient cosφ dostatečně nízký, lze jej prakticky kompenzovat. To se děje především zapojením přídavných zařízení do obvodu.
- Pokud je nutné korigovat jalovou složku, pak by měl být do obvodu zařazen reaktivní prvek, působící opačně než již fungující zařízení. Pro kompenzaci provozu indukčního motoru, například indukční zátěže, je paralelně zapojen kondenzátor. Pro kompenzaci synchronního motoru je připojen elektromagnet.
- Pokud je nutné opravit problémy s nelinearitou, zavede se do obvodu pasivní korektor cosφ, např. může to být tlumivka s vysokou indukčností zapojená do série se zátěží.
Výkon je jedním z nejdůležitějších ukazatelů elektrospotřebičů, takže vědět, co to je a jak se to počítá, je užitečné nejen pro školáky a lidi se specializací na techniku, ale také pro každého z nás.
Podobné články:
