Ρεύμα, τάση, ισχύς: βασικά χαρακτηριστικά ηλεκτρικής ενέργειας

Ο ηλεκτρισμός χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό από τον άνθρωπο για να ικανοποιήσει τις ανάγκες του, αλλά είναι αόρατος, δεν γίνεται αντιληπτός από τις αισθήσεις, επομένως είναι δύσκολο να κατανοηθεί. Για να απλοποιηθεί η εξήγηση των ηλεκτρικών διεργασιών, συχνά συγκρίνονται με τα υδραυλικά χαρακτηριστικά ενός κινούμενου ρευστού.

Για παράδειγμα, έρχεται στο διαμέρισμά μας με σύρμα Ηλεκτρική ενέργεια από απομακρυσμένες γεννήτριες και νερό βρύσης από αντλία πίεσης. Ωστόσο, ο διακόπτης σβήνει τα φώτα και η κλειστή βρύση νερού εμποδίζει τη ροή του νερού από τη βρύση. Για να κάνετε τη δουλειά, πρέπει να ανοίξετε τον διακόπτη και να ανοίξετε τη βρύση.

Μια κατευθυνόμενη ροή ελεύθερων ηλεκτρονίων μέσω των καλωδίων θα ορμήσει στο νήμα του λαμπτήρα (θα ρέει ηλεκτρικό ρεύμα) το οποίο θα εκπέμπει φως. Το νερό που βγαίνει από τη βρύση θα στραγγίσει στο νεροχύτη.

Αυτή η αναλογία καθιστά επίσης δυνατή την κατανόηση των ποσοτικών χαρακτηριστικών, τη συσχέτιση της ισχύος του ρεύματος με την ταχύτητα κίνησης του υγρού και την εκτίμηση άλλων παραμέτρων.

Η τάση του δικτύου συγκρίνεται με το ενεργειακό δυναμικό της πηγής υγρού. Για παράδειγμα, μια αύξηση της υδραυλικής πίεσης από μια αντλία σε έναν σωλήνα θα δημιουργήσει υψηλή ταχύτητα κίνησης του ρευστού και αύξηση της τάσης (ή τη διαφορά μεταξύ των δυναμικών της φάσης - το καλώδιο εισόδου και το μηδέν εργασίας - την έξοδο) θα αυξήσει την πυράκτωση του λαμπτήρα, την ισχύ της ακτινοβολίας του.

Η αντίσταση του ηλεκτρικού κυκλώματος συγκρίνεται με τη δύναμη πέδησης της υδραυλικής ροής. Ο ρυθμός ροής επηρεάζεται από:

• υγρό ιξώδες;

• απόφραξη και αλλαγή στη διατομή των καναλιών. (Στην περίπτωση βρύσης νερού, η θέση της βαλβίδας ελέγχου.)

Η τιμή της ηλεκτρικής αντίστασης επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες:

• η δομή της ουσίας που καθορίζει την παρουσία ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό και επηρεάζει αντίσταση; 

• περιοχή διατομής και μήκος του αγωγού ρεύματος.

• θερμοκρασία.

Η ηλεκτρική ισχύς συγκρίνεται επίσης με το ενεργειακό δυναμικό της ροής στα υδραυλικά και υπολογίζεται από την εργασία που γίνεται ανά μονάδα χρόνου. Η ισχύς μιας ηλεκτρικής συσκευής εκφράζεται από το ρεύμα που αντλείται και την εφαρμοζόμενη τάση (για κυκλώματα AC και DC).

Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρισμού μελετήθηκαν από διάσημους επιστήμονες που έδωσαν ορισμούς του ρεύματος, της τάσης, της ισχύος, της αντίστασης και περιέγραψαν με μαθηματικές μεθόδους τις αμοιβαίες σχέσεις μεταξύ τους.

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει γενικές σχέσεις για κυκλώματα AC και DC που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση της απόδοσης συγκεκριμένων κυκλωμάτων.

Ας δούμε μερικά παραδείγματα χρήσης τους.

Παράδειγμα #1. Πώς να υπολογίσετε την αντίσταση και την ισχύ

Ας υποθέσουμε ότι θέλετε να επιλέξετε έναν περιοριστή ρεύματος για την τροφοδοσία του κυκλώματος φωτισμού. Γνωρίζουμε την τάση τροφοδοσίας του εποχούμενου δικτύου «U», ίση με 24 βολτ και την κατανάλωση ρεύματος «I» 0,5 αμπέρ, η οποία δεν πρέπει να ξεπεραστεί. Σύμφωνα με την έκφραση (9) του νόμου του Ohm, υπολογίζουμε την αντίσταση «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohms.

Με την πρώτη ματιά, προσδιορίζεται η τιμή της αντίστασης. Ωστόσο, αυτό δεν είναι αρκετό. Για την αξιόπιστη λειτουργία του sema, είναι απαραίτητο να υπολογιστεί η ισχύς σύμφωνα με την τρέχουσα κατανάλωση.

Σύμφωνα με τη λειτουργία του νόμου Joule-Lenz, η ενεργός ισχύς «P» είναι ευθέως ανάλογη με το ρεύμα «I» που διέρχεται από το καλώδιο και την εφαρμοζόμενη τάση «U». Αυτή η σχέση περιγράφεται από τον τύπο (11) στον πίνακα παρακάτω.

Υπολογίζουμε: P = 24×0,5 = 12 W.

Λαμβάνουμε την ίδια τιμή εάν χρησιμοποιήσουμε τύπους (10) ή (12).

Ο υπολογισμός της ισχύος της αντίστασης από την τρέχουσα κατανάλωση δείχνει ότι στο επιλεγμένο κύκλωμα είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί αντίσταση 48 Ohm και 12 W. Μια αντίσταση με χαμηλότερη ισχύ δεν θα αντέξει τα εφαρμοζόμενα φορτία, θα θερμανθεί και θα καεί με το ρεύμα του χρόνου.

Αυτό το παράδειγμα δείχνει την εξάρτηση του τρόπου με τον οποίο το ρεύμα φορτίου και η τάση δικτύου επηρεάζουν την ισχύ του χρήστη.

Παράδειγμα #2. Πώς να υπολογίσετε το ρεύμα

Για μια ομάδα πριζών που προορίζονται για την τροφοδοσία οικιακών ηλεκτρικών συσκευών στην κουζίνα, είναι απαραίτητο να επιλέξετε έναν προστατευτικό διακόπτη κυκλώματος. Η ισχύς των συσκευών σύμφωνα με τα στοιχεία του διαβατηρίου είναι 2,0, 1,5 και 0,6 kW.

Απάντηση. Το διαμέρισμα χρησιμοποιεί μονοφασικό δίκτυο AC 220 volt. Η συνολική ισχύς όλων των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στην εργασία ταυτόχρονα θα είναι 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Χρησιμοποιώντας τον τύπο (2), προσδιορίζουμε το συνολικό ρεύμα της ομάδας καταναλωτών: 4100/220 = 18,64 A.

Ο πιο κοντινός διακόπτης ισχύος έχει ρυθμό ενεργοποίησης 20 αμπέρ. Το επιλέγουμε. Ένα μηχάνημα με τιμή χαμηλότερη από 16 A θα σβήσει οριστικά από υπερφόρτωση.

Διαφορές στις παραμέτρους των ηλεκτρικών κυκλωμάτων στο εναλλασσόμενο ρεύμα

Μονοφασικά δίκτυα

Κατά την ανάλυση των παραμέτρων των ηλεκτρικών συσκευών, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι ιδιαιτερότητες της λειτουργίας τους σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος, όταν, λόγω της επίδρασης της βιομηχανικής συχνότητας, εμφανίζονται χωρητικά φορτία στους πυκνωτές (μετατοπίζουν το διάνυσμα ρεύματος κατά 90 μοίρες μπροστά από το διάνυσμα τάσης), και στις περιελίξεις του πηνίου — επαγωγικό (το ρεύμα είναι 90 μοίρες πίσω από την τάση). Στην ηλεκτρολογία ονομάζονται άεργα φορτία... Μαζί δημιουργούν απώλειες αέργου ισχύος «Q» που δεν κάνουν καμία χρήσιμη εργασία.

Με ενεργά φορτία, δεν υπάρχει μετατόπιση φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης.

Με αυτόν τον τρόπο, προστίθεται στην ενεργή τιμή της ισχύος μιας ηλεκτρικής συσκευής σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος ένα αντιδραστικό στοιχείο, λόγω του οποίου αυξάνεται η συνολική ισχύς, η οποία συνήθως ονομάζεται πλήρης και υποδεικνύεται με τον δείκτη «S».

Εναλλασσόμενο ημιτονοειδές ρεύμα σε μονοφασικό δίκτυο

Το ηλεκτρικό ρεύμα και η τάση συχνότητας ποικίλλουν με το χρόνο με ημιτονοειδή τρόπο. Αντίστοιχα, υπάρχει μια αλλαγή στην εξουσία. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων τους σε διαφορετικά χρονικά σημεία δεν έχει πολύ νόημα. Επομένως, οι συνολικές (ολοκληρωτικές) τιμές επιλέγονται για μια ορισμένη χρονική περίοδο, κατά κανόνα, η περίοδος ταλάντωσης T.

Η γνώση των διαφορών μεταξύ των παραμέτρων των κυκλωμάτων εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος σάς επιτρέπει να υπολογίσετε σωστά την ισχύ μέσω ρεύματος και τάσης σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση.

Τριφασικά δίκτυα

Βασικά, αποτελούνται από τρία πανομοιότυπα μονοφασικά κυκλώματα, μετατοπισμένα μεταξύ τους στο μιγαδικό επίπεδο κατά 120 μοίρες. Διαφέρουν ελαφρώς στα φορτία σε κάθε φάση, μετατοπίζοντας το ρεύμα από την τάση κατά μια γωνία phi. Λόγω αυτής της ανομοιομορφίας δημιουργείται ρεύμα I0 στον ουδέτερο αγωγό.

Εναλλασσόμενο ημιτονοειδές ρεύμα σε τριφασικό δίκτυο

Η τάση σε αυτό το σύστημα αποτελείται από τάσεις φάσης (220 V) και τάσεις γραμμής (380 V).

Η ισχύς μιας συσκευής τριφασικού ρεύματος που είναι συνδεδεμένη στο κύκλωμα είναι το άθροισμα των εξαρτημάτων σε κάθε φάση. Μετράται χρησιμοποιώντας ειδικές συσκευές: wattmeters (ενεργό συστατικό) και varmeters (reactive). Είναι δυνατός ο υπολογισμός της συνολικής κατανάλωσης ισχύος μιας συσκευής τριφασικού ρεύματος με βάση τις μετρήσεις του βατόμετρου και του βαρόμετρου χρησιμοποιώντας τον τύπο του τριγώνου.

Υπάρχει επίσης μια έμμεση μέθοδος μέτρησης που βασίζεται στη χρήση βολτόμετρου και αμπερόμετρου με μετέπειτα υπολογισμούς των τιμών που λαμβάνονται.

Μπορείτε επίσης να υπολογίσετε τη συνολική κατανάλωση ρεύματος, γνωρίζοντας το μέγεθος της φαινομενικής ισχύος S. Για να γίνει αυτό, αρκεί να τη διαιρέσετε με την τιμή της τάσης γραμμής.