Curent, tensiune, putere: caracteristici de bază ale energiei electrice

Electricitatea a fost folosită de multă vreme de om pentru a-și satisface nevoile, dar este invizibilă, nu este percepută de simțuri, de aceea este greu de înțeles. Pentru a simplifica explicarea proceselor electrice, acestea sunt adesea comparate cu caracteristicile hidraulice ale unui fluid în mișcare.

De exemplu, ea vine în apartamentul nostru prin cablu Energie electrica de la generatoare de la distanță și apă de la robinet de la o pompă de presiune. Cu toate acestea, întrerupătorul stinge luminile, iar robinetul de apă închis împiedică scurgerea apei din robinet. Pentru a face treaba, trebuie să porniți întrerupătorul și să deschideți robinetul.

Un flux direcționat de electroni liberi prin fire se va precipita către filamentul becului (va curge un curent electric) care va emite lumină. Apa care iese de la robinet se va scurge în chiuvetă.

Această analogie face posibilă, de asemenea, înțelegerea caracteristicilor cantitative, relația dintre puterea curentului și viteza de mișcare a lichidului și estimarea altor parametri.

Tensiunea rețelei este comparată cu potențialul energetic al sursei de lichid. De exemplu, o creștere a presiunii hidraulice de la o pompă într-o țeavă va crea o viteză mare de mișcare a fluidului și o creștere a tensiunii (sau diferența dintre potențialele fazei - firul de intrare și zero de lucru - ieșirea) va crește incandescența becului, puterea radiației sale.

Rezistența circuitului electric este comparată cu forța de frânare a fluxului hidraulic. Debitul este afectat de:

• vâscozitatea lichidului;

• înfundarea și modificarea secțiunii transversale a canalelor. (În cazul unui robinet de apă, poziția supapei de control.)

Valoarea rezistenței electrice este afectată de mai mulți factori:

• structura substanţei care determină prezenţa electronilor liberi într-un conductor şi afectează rezistenţă; 

• aria secțiunii transversale și lungimea conductorului de curent;

• temperatura.

Puterea electrică este, de asemenea, comparată cu potențialul energetic al debitului în hidraulic și este estimată din munca efectuată pe unitatea de timp. Puterea unui aparat electric este exprimată prin curentul absorbit și tensiunea aplicată (pentru circuite AC și DC).

Toate aceste caracteristici ale electricității au fost studiate de oameni de știință celebri care au dat definiții ale curentului, tensiunii, puterii, rezistenței și au descris prin metode matematice relațiile reciproce dintre ele.

Următorul tabel prezintă relațiile generale pentru circuitele AC și DC care pot fi utilizate pentru a analiza performanța unor circuite specifice.

Să ne uităm la câteva exemple de utilizare a acestora.

Exemplul #1. Cum se calculează rezistența și puterea

Să presupunem că doriți să selectați un limitator de curent pentru a alimenta circuitul de iluminare. Cunoaștem tensiunea de alimentare a rețelei de bord «U», egală cu 24 volți și consumul de curent «I» de 0,5 amperi, care nu trebuie depășit. Conform expresiei (9) a legii lui Ohm, se calculează rezistența «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohmi.

La prima vedere, valoarea rezistorului este determinată. Cu toate acestea, acest lucru nu este suficient. Pentru funcționarea fiabilă a sema, este necesar să se calculeze puterea în funcție de consumul de curent.

Conform funcționării legii Joule-Lenz, puterea activă «P» este direct proporțională cu curentul «I» care trece prin fir și cu tensiunea aplicată «U». Această relație este descrisă prin formula (11) din tabel. de mai jos.

Calculăm: P = 24×0,5 = 12 W.

Obținem aceeași valoare dacă folosim formulele (10) sau (12).

Calcularea puterii rezistorului după consumul său de curent arată că în circuitul selectat este necesară utilizarea unei rezistențe de 48 Ohm și 12 W. Un rezistor cu o putere mai mică nu va rezista la sarcinile aplicate, se va încălzi și se va arde cu curentul timpului.

Acest exemplu arată dependența de modul în care curentul de sarcină și tensiunea rețelei afectează puterea utilizatorului.

Exemplul #2. Cum se calculează curentul

Pentru un grup de prize destinate alimentarii aparatelor electrice de uz casnic din bucătărie, este necesar să selectați un întrerupător de protecție. Puterea dispozitivelor conform datelor pașaportului este de 2,0, 1,5 și 0,6 kW.

Răspuns. Apartamentul folosește o rețea de curent alternativ monofazat de 220 volți. Puterea totală a tuturor dispozitivelor conectate să funcționeze în același timp va fi de 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Folosind formula (2), determinăm curentul total al grupului de consumatori: 4100/220 = 18,64 A.

Cel mai apropiat întrerupător de circuit are o rată de declanșare de 20 de amperi. O alegem noi. O mașină cu o valoare mai mică de 16 A se va opri definitiv din cauza suprasarcinii.

Diferențele în parametrii circuitelor electrice în curent alternativ

Rețele monofazate

La analizarea parametrilor aparatelor electrice, este necesar să se țină seama de particularitățile funcționării acestora în circuitele de curent alternativ, atunci când, datorită influenței frecvenței industriale, în condensatoare apar sarcini capacitive (deplasează vectorul curent cu 90). grade înaintea vectorului de tensiune), iar în înfășurările bobinei — inductiv (curentul este cu 90 de grade în spatele tensiunii). În electrotehnică se numesc sarcini reactive... Împreună creează pierderi de putere reactivă «Q» care nu fac nicio muncă utilă.

În cazul sarcinilor active, nu există o schimbare de fază între curent și tensiune.

În acest fel, la valoarea activă a puterii unui aparat electric în circuitele de curent alternativ se adaugă o componentă reactivă, datorită căreia puterea totală crește, ceea ce se numește de obicei plin și este indicat de indicele «S».

Curentul sinusoidal alternativ într-o rețea monofazată

Curentul electric și tensiunea de frecvență variază în timp într-o manieră sinusoidală. În consecință, are loc o schimbare de putere. Determinarea parametrilor lor în momente diferite în timp nu are prea mult sens. Prin urmare, valorile totale (de integrare) sunt selectate pentru o anumită perioadă de timp, de regulă, perioada de oscilație T.

Cunoașterea diferențelor dintre parametrii circuitelor de curent alternativ și continuu vă permite să calculați corect puterea prin curent și tensiune în fiecare caz specific.

Rețele trifazate

Practic, ele constau din trei circuite monofazate identice, decalate unul față de celălalt pe planul complex cu 120 de grade. Ele diferă ușor în sarcinile din fiecare fază, deplasând curentul de la tensiune cu un unghi phi. Din cauza acestei denivelări, în conductorul neutru se creează un curent I0.

Curentul sinusoidal alternativ într-o rețea trifazată

Tensiunea din acest sistem constă din tensiuni de fază (220 V) și tensiuni de linie (380 V).

Puterea unui dispozitiv de curent trifazat conectat la circuit este suma componentelor din fiecare fază. Se măsoară folosind aparate speciale: wattmetre (componentă activă) și varmetre (reactive). Este posibil să se calculeze consumul total de energie al unui dispozitiv de curent trifazat pe baza măsurătorilor wattmetrului și varmetrului folosind formula triunghiulară.

Exista si o metoda indirecta de masurare bazata pe utilizarea unui voltmetru si ampermetru cu calculele ulterioare ale valorilor obtinute.

De asemenea, puteți calcula consumul total de curent, cunoscând mărimea puterii aparente S. Pentru a face acest lucru, este suficient să o împărțiți la valoarea tensiunii de linie.