Hur man beräknar effekt, strömstyrka och spänning: principer och exempel för hushållsförhållanden

Ägare av lägenheter, privata hus och andra elektrifierade objekt ställs ofta inför frågan om att bestämma värdena för de grundläggande elektriska storheterna, eftersom det inte är så enkelt att beräkna effekt utifrån tillåten strömstyrka och känd spänning eller att lösa det omvända problemet.

Direkt tillämpning av den välkända Ohms lag utan att ta hänsyn till egenskaperna hos hushållsnät och apparater kan leda till felaktigt resultat.

I detta material kommer vi att förstå vad effekt är och berätta hur man beräknar denna parameter.

Grundläggande begrepp om storheterna

Elektrotekniska beräkningar baseras på välkända samband mellan strömstyrka (I, Ampere), spänning (U, Volt), effekt (P, Watt) och resistans (R, Ohm). Praktiska beräkningar kräver vanligtvis kännedom om värdena för den första trion.

Numeriska uttryck för de nämnda storheterna är, varnar vi, inte tillräckliga – ytterligare egenskaper som avslöjar elförbrukningsläget behövs.

Elektrisk strömstyrka

Beräkning av tillräcklig ledartvärsnitt och märkström för automatsäkring för en specifik gren av elnätet görs enligt värdet av den maximalt möjliga strömstyrkan för denna sektion. Detta är nödvändigt för att förhindra situationer med överhettning av ledningar, vilket ofta leder till brand.

Arbetsparametrar för automatsäkringar och jordfelsbrytare väljs enligt normkrav. För att bestämma tillåten ledartvärsnitt beroende på maximalt möjlig strömstyrka måste man använda en tabell som tillhandahålls av produkttillverkaren, eftersom kablar oftast tillverkas enligt tekniska villkor (TU) och inte enligt GOST.

Med samma märkning skiljer sig kablar tillverkade enligt GOST (till vänster) och enligt TU (till höger) både visuellt och i grundläggande egenskaper.

Eftersom man kan beräkna elektrisk strömstyrka utifrån apparaternas effektförbrukning och nätspänning, måste man korrekt bestämma värdena för dessa två indikatorer.

Spänning i hushållsnät

Många lägenhetsägare tror att standardfasspänningen för hushållsbruk är ungefär 220 V. I de flesta fall stämmer det. Men enligt GOST 29322-2014 skulle från 01.10.2015 i Ryska federationen ha skett en övergång till ett system på 230 V som är kompatibelt med EU-länderna.

En avvikelse på 5 % från standardvärdet är tillåten under obegränsad tid, medan 10 % är tillåten under högst 1 timme. Så enligt gamla regler kan spänningen variera mellan 198 och 242 V, och enligt nuvarande GOST mellan 207 och 253 V.

Det finns också fall där nätspänningen under lång tid är betydligt lägre än normen. En sådan situation uppstår när den totala effekten av de elapparater som är anslutna till grenen är mycket högre än planerat, och när de flesta av dem är påslagna inträffar en “nedsänkning av nätet”.

Detta problem ligger inom ansvarsområdet för de organisationer som ansvarar för elleveransen och beror på överbelastning av distributionstransformatorer, utslitna transformatorstationer eller otillräcklig kabelarea.

Låg inspänning leder inte bara till förändringar i strömstyrkan och eventuellt utlösning av skyddet, utan även till snabba haverier av elapparater som innehåller asynkronmotorer eller komplex elektronik.

För att ta reda på det verkliga spänningsvärdet måste du regelbundet göra mätningar med en voltmeter. Om värdena “varierar kraftigt” krävs användning av en stabilisator eller en dyrare omvandlare med energilagringsfunktion.

Nyanser i begreppet effekt för elektriska apparater

Alla enheter som förbrukar el har en parameter som kallas effekt. Ju högre detta värde är, desto mer energi tar apparaten från kretsen.

Det finns totalt tre typer av effekt:

• Aktiv effekt (P). Karakteriserar hastigheten med vilken elektrisk energi omvandlas till en annan form, till exempel elektromagnetisk eller termisk. Den måste beaktas vid beräkning av oåterkallelig energiförbrukning och därmed apparatens driftskostnad. Måttenhet – W.
• Reaktiv effekt (Q). Karakteriserar den energi som kommer från källan (transformatorn) till konsumentens reaktiva element (kondensatorer, motorlindningar), men som sedan nästan omedelbart återgår till källan. Måttenhet – W eller var (förkortning för volt-ampere reaktiv).
• Skenbar effekt (S). Karakteriserar den belastning som konsumenten lägger på kretselementen. Den används vid beräkning av kabelarea och val av brytare, det vill säga strömstyrkan beräknas utifrån den skenbara effekten hos alla anslutna elapparater. Måttenhet – W eller V*A (V*A – voltampere).

Alla dessa parametrar kan beräknas via fasvinkeln som uppstår mellan spännings- och strömvektorerna (f):

P = S * cos(f);

Q = S * sin(f);

S² = P² + Q².

Till hushållsapparater där den totala effekten kan vara betydligt högre än den aktiva hör kylskåp, tvättmaskiner, lysrör och vissa energisnåla lampor samt kraftenheter.

På motorer anges vanligtvis aktiv effekt och effektfaktor. I detta fall beräknas den totala effekten så här: S = P / cos(f) = 750 / 0,78 = 962 W

Det finns även begreppet topp- eller starteffekt. Det beror på att det krävs mycket mer kraft för att accelerera motorer än för att hålla dem igång. Därför uppstår en kortvarig belastningstopp i kretsen när sådana apparater som kylskåp eller tvättmaskiner slås på.

Startströmmar kan vara flera gånger högre än driftströmmar. Detta bör beaktas vid beräkning av erforderlig kabelarea och val av brytarens märkström.

För att göra detta måste man identifiera apparaten med störst skillnad mellan start- och drifteffekt och lägga till den till totalvärdet. Startströmmar för övriga enheter kan ignoreras eftersom sannolikheten för att flera olika förbrukares motorer startar samtidigt är praktiskt taget noll.

Linjära och fasförhållanden

Nu har praxis att ansluta hushållsobjekt till trefasiga elnät blivit vanlig.

Detta motiveras av följande skäl:

• Betydande elförbrukning. I detta fall skulle det vara mycket orationellt att ansluta ett enfasnät med hög effekt på grund av stor kabelarea och hög materialåtgång för transformatorn.
• Förekomst av apparater som drivs av tre faser. Att implementera anslutningsschemat för en sådan enhet till en enfaskrets är inte särskilt enkelt och medför störningar som till exempel uppstår vid start av en asynkronmotor.

Det finns två sätt att ansluta trefasapparater – “stjärna” och “triangel”.

Principscheman för överföring av elektrisk energi över tre faser. Namnen “stjärna” och “triangel” har de fått på grund av geometrisk likhet med dessa objekt.

I kretsar av typ “stjärna” är linje- och fasströmmarna identiska, medan linjespänningen är 1,73 gånger större än fasspänningen:

I_l = I_f;

U_l = 1.73 * U_f.

Denna formel förklarar det kända spänningsförhållandet för hushålls- och lågspänningsindustrinät med frekvensen 50 Hz: 220 / 380 V (enligt nya GOST: 230 / 400 V).

Vid triangelkoppling, däremot, är spänningen densamma, medan linjeströmmarna är större än fasströmmarna:

I_l = 1.73 * I_f;

U_l = U_f.

Dessa formler kan endast användas vid symmetrisk fasbelastning. Om strömförbrukningen i kablarna skiljer sig (asymmetrisk mottagare) utförs beräkningarna med vektoralgebraregler, och den uppkommande utjämningsströmmen kompenseras via neutralledaren. För nätverk med anslutna hushållsapparater är sådana fall dock sällsynta.

Samband mellan grundläggande storheter

Den vanligaste uppgiften som vanliga konsumenter stöter på är att beräkna den verkliga strömstyrkan. Hur beräknar man egentligen ampere från kända spännings- och effektvärden? Detta måste lösas när man bestämmer kabelarean och säkringens märkvärde, med teknisk information om apparaterna som ska anslutas till kretsen.

Efter att ha beräknat strömstyrkan väljs ofta kablar med minsta tillåtna area. Detta är dock inte alltid korrekt, eftersom en sådan lösning leder till betydande begränsningar när nya elektriska apparater behöver läggas till nätet.

Ibland behöver man göra omvända beräkningar och bestämma vilken total effekt som kan anslutas vid känd spänning och maximalt tillåten strömstyrka, som begränsas av befintlig ledning.

Dessa två uppgifter för en enfaskrets kan lösas med en enkel formel:

I = S / U;

S = U * I,

där S är den totala skenbara effekten för alla elektriska förbrukare.

Ett cirkeldiagram som visar Ohms lag och uttrycker sambandet mellan effekt, strömstyrka, spänning och resistans är lämpligt för att beräkna parametrar i en enfaskrets.

För att lösa problemet med att beräkna strömstyrkan från kända eller beräknade effekt- och spänningsvärden i en trefaskrets måste man känna till den totala belastningen som läggs på varje fas.

Både den nödvändiga kabelarean och den lägsta tillåtna säkringsmärkvärdet väljs utifrån den mest belastade ledningen, med antagandet att:

S = 3 * max{S₁, S₂, S₃}.

I = S / (U * 1.73).

Den tillåtna effekten för varje fas kan beräknas med följande formel:

S_1,2,3 < S / 3 = I * U / 1.73,

där I är den maximalt tillåtna strömstyrkan för befintlig ledning.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Beräkning av strömstyrka från effekt för val av kabelarea:

Bestämning av effektförbrukning för grupper av elektriska apparater med exempel från ett privat hus:

Beräkning av strömstyrka för att bestämma ledningsparametrar eller bestämning av tillåten effekt i en befintlig krets kan göras själv. För en korrekt lösning av problemet måste man ta hänsyn till nyanser som uppstår i praktiken, och inte bara använda kända formler som fungerar under “ideala” förhållanden.

Om du har frågor om artikelns ämne eller kan komplettera materialet med intressant information, lämna gärna dina kommentarer i blocket nedan.