Ako vypočítať výkon, prúd a napätie: princípy a príklady výpočtu pre domáce podmienky

Majitelia bytov, súkromných domov a iných elektrifikovaných objektov sa často stretávajú s otázkou určovania hodnôt základných elektrických veličín, pretože vypočítať výkon podľa prípustného prúdu a známeho napätia alebo vyriešiť opačnú úlohu nie je veľmi jednoduché.

Priame použitie známeho Ohmovho zákona bez zohľadnenia osobitostí domácich sietí a spotrebičov môže viesť k nesprávnemu výsledku.

V tomto materiáli si objasníme, čo je výkon, a povieme si o tom, ako vypočítať tento ukazovateľ.

Základné pojmy veličín

Elektrotechnické výpočty sú založené na všeobecne známych vzťahoch medzi silou prúdu (I, ampér), veľkosťou napätia (U, volt), hodnotami výkonu (P, watt) a odporu (R, ohm). Praktické výpočty zvyčajne vyžadujú znalosť hodnôt prvej trojice.

Číselných vyjadrení uvedených veličín, predvídame, nie je dosť – sú potrebné ďalšie charakteristiky, odhaľujúce režim elektrospotreby.

Sila elektrického prúdu

Výpočet dostatočného prierezu žíl a menovitej hodnoty ističa pre konkrétnu vetvu elektrickej siete sa vykonáva podľa hodnoty maximálne možného prúdu pre tento úsek. Je to potrebné na predchádzanie situácie vznietenia vedenia, čo často vedie k vzniku požiaru.

Pracovné parametre ističov a prúdových chráničov sa vyberajú podľa normatívnych požiadaviek. Na určenie prípustného prierezu žíl v závislosti od maximálne možného prúdu je potrebné použiť tabuľku poskytnutú výrobcom produktu, pretože káble sú najčastejšie vyrobené podľa technických podmienok (TU), a nie podľa GOST.

S rovnakým označením sa káble vyrobené podľa GOST (vľavo) a podľa TU (vpravo) líšia vizuálne aj základnými charakteristikami

Keďže silu elektrického prúdu možno vypočítať podľa príkonu spotrebičov a napätia siete, je potrebné správne určiť hodnoty týchto dvoch ukazovateľov.

Napätie v domácich sieťach

Mnohí majitelia bytov si myslia, že štandardné napätie vo fáze pre domáce potreby je približne 220 V. Vo väčšine prípadov je to skutočne tak. Hoci podľa GOST 29322-2014 od 01.10.2015 v rámci Ruskej federácie mal prebehnúť prechod na systém 230 V kompatibilný s krajinami EHS.

Odchýlka 5% od normy je prípustná na akékoľvek obdobie, a 10% – na obdobie nepresahujúce 1 hodinu. Takto podľa starých pravidiel sa hodnota napätia môže pohybovať v rozmedzí od 198 do 242 V, a podľa platného GOST – od 207 do 253 V.

Tiež existujú prípady, keď je napätie v sieti dlhodobo výrazne nižšie ako normované. Takáto situácia nastáva vtedy, keď je celkový výkon elektrických spotrebičov pripojených na vetvu oveľa vyšší ako plánovaný a pri zapnutí väčšiny z nich dochádza k “poklesu siete”.

Tento problém vzniká v zóne zodpovednosti organizácií, ktoré zodpovedajú za dodávku elektriny, a súvisí s preťažením distribučných transformátorov, opotrebovaním rozvodní alebo nedostatočným prierezom vodičov.

Znížené vstupné napätie vedie nielen k zmene parametra sily prúdu a možnému aktivovaniu ochrany, ale aj k rýchlemu poškodeniu elektrických spotrebičov obsahujúcich asynchrónne elektromotory alebo zložitú elektroniku.

Na zistenie hodnoty skutočného napätia je potrebné pravidelne vykonávať merania pomocou voltmetra. Ak údaje silno “kolíšu”, potom je potrebné použitie stabilizátora alebo drahšieho meniča s funkciou akumulátora elektriny.

Nuansy v pojme výkonu elektrospotrebičov

Všetky zariadenia spotrebúvajúce elektrinu majú taký parameter ako výkon. Čím je tento ukazovateľ väčší, tým viac energie zariadenie odoberá z obvodu.

Celkovo existujú tri druhy výkonu:

• Aktívny (P). Charakterizuje rýchlosť premeny elektrickej energie na iný druh, napríklad elektromagnetickú alebo tepelnú. Treba ju zohľadniť pri výpočte nezvratných nákladov na elektrinu, a teda aj nákladov na prevádzku zariadenia. Jednotka merania – W.
• Reaktívny (Q). Charakterizuje energiu, ktorá prichádza od zdroja (transformátora) k reaktívnym prvkom spotrebiča (kondenzátory, vinutia motora), ale potom sa prakticky okamžite vracia k zdroju. Jednotka merania – W alebo var (skratka – voltampér reaktívny).
• Zdanlivý (S). Charakterizuje záťaž, ktorú spotrebič kladie na prvky obvodu. Používa sa pri výpočte prierezu kábla a výbere menovitých hodnôt ističov, to znamená, že výpočet sily prúdu sa vykonáva podľa zdanlivého výkonu všetkých elektrických spotrebičov pripojených do obvodu. Jednotka merania – W alebo V*A (V*A – voltampéry).

Všetky tieto parametre možno prepočítať pomocou fázového posunu, ktorý vzniká medzi vektorom napätia a prúdom (f):

P = S * cos(f);

Q = S * sin(f);

S² = P² + Q².

K domácim zariadeniam, u ktorých zdanlivý výkon môže výrazne presahovať činný výkon, patria chladničky, práčky, žiarivky a niektoré úsporné žiarovky, ako aj bloky výkonovej elektroniky.

Na motoroch zvyčajne uvádzajú činný výkon a účinník. V tomto prípade sa zdanlivý výkon vypočíta takto: S = P / cos(f) = 750 / 0.78 = 962 W

Existuje tiež pojem špičkový alebo štartovací výkon. Ide o to, že na rozbeh motorov je potrebná oveľa väčšia sila ako na udržanie ich otáčania. Preto pri zapínaní takých spotrebičov, ako je chladnička alebo práčka, dochádza ku krátkodobému nárastu zaťaženia v časti obvodu.

Štartovacie prúdy môžu byť niekoľkonásobne vyššie ako prevádzkové. Pri výpočte potrebného prierezu káblov a výbere menovitej hodnoty ističa by sa to malo zohľadniť.

Na to je potrebné určiť spotrebič s najväčším rozdielom medzi štartovacím a prevádzkovým výkonom a pripočítať ho k celkovej hodnote. Štartovacie prúdy ostatných zariadení možno zanedbať, pretože pravdepodobnosť súčasného spustenia motorov u rôznych odberateľov je prakticky nulová.

Lineárne a fázové vzťahy

V súčasnosti sa rozšírila prax pripájania domácich objektov k trojfázovým elektrickým sieťam.

Je to odôvodnené nasledujúcimi dôvodmi:

• Významná spotreba elektrickej energie. V tomto prípade by bolo vedenie jednofázovej siete s veľkým výkonom veľmi nehospodárne z dôvodu veľkého prierezu kábla a vysokej materiálovej náročnosti transformátora.
• Prítomnosť zariadení pracujúcich z troch fáz. Realizácia schémy pripojenia takéhoto zariadenia k jednofázovému obvodu nie je veľmi jednoduchá a je spojená s rušením, ktoré vzniká napríklad pri štarte asynchrónneho motora.

Existujú dva spôsoby pripojenia trojfázových zariadení – “hviezda” a “trojuholník”.

Princípové schémy prenosu elektrickej energie po troch fázach. Názvy “hviezda” a “trojuholník” dostali vďaka geometrickej podobnosti s týmito objektmi.

V obvodoch typu “hviezda” sú sieťové a fázové prúdy identické, zatiaľ čo sieťové napätie je väčšie ako fázové 1,73-krát:

I_l = I_f;

U_l = 1.73 * U_f.

Tento vzorec vysvetľuje známy vzťah napätí pre domáce a nízke napäťové priemyselné siete s frekvenciou 50 Hz: 220 / 380 V (podľa nového GOST: 230 / 400 V).

Pri zapojení typu trojuholník je naopak napätie rovnaké, zatiaľ čo sieťové prúdy sú väčšie ako fázové:

I_l = 1.73 * I_f;

U_l = U_f.

Tieto vzorce sa môžu používať len pri symetrickom zaťažení fáz. Ak sa spotreba prúdu v kábloch líši (nesymetrický prijímač), výpočty sa vykonávajú pomocou pravidiel vektorovej algebry a vznikajúci vyrovnávací prúd sa kompenzuje neutrálnym vodičom. Avšak pre siete s pripojenými domácimi spotrebičmi sú takéto prípady zriedkavé.

Vzájomná súvislosť základných veličín

Najbežnejšou úlohou, s ktorou sa stretávajú bežní spotrebitelia, sú výpočty skutočne pôsobiaceho prúdu. Ako teda správne vypočítať ampérovú hodnotu na základe známych hodnôt napätia a výkonu? Je potrebné ju vyriešiť pri odôvodňovaní hodnôt prierezu žíl a menovitého prúdu ističa s technickými informáciami o zariadeniach, ktoré budú do tohto obvodu pripojené.

Po výpočte prúdu sa často vyberajú káble s najmenším prípustným prierezom. To však nie je vždy správne, pretože takéto riešenie vedie k značným obmedzeniam pri potrebe pridania nových elektrických spotrebičov do siete.

Niekedy je potrebné vykonať spätné výpočty a určiť, aký celkový výkon možno pripojiť pri známom napätí a maximálnom povolenom prúde, ktorý je obmedzený existujúcim vedením.

Tieto dve úlohy pre jednofázový obvod možno vyriešiť pomocou jednoduchého vzorca:

I = S / U;

S = U * I,

kde S – celkový zdanlivý výkon všetkých elektrických spotrebičov.

Kruhový diagram zobrazujúci Ohmov zákon a vyjadrujúci závislosť výkonu, prúdu, napätia a odporu je vhodný na výpočet parametrov jednofázového obvodu.

Na vyriešenie úlohy výpočtu prúdu podľa známych alebo vypočítaných hodnôt výkonu a napätia v trojfázovom obvode je potrebné poznať celkové zaťaženie aplikované na každú fázu.

A požadovaný prierez žíl kábla aj minimálne prípustná menovitá hodnota ističa sa vyberajú podľa najviac zaťaženej línie, pričom sa predpokladá, že:

S = 3 * max{S₁, S₂, S₃}.

I = S / (U * 1.73).

Povolený výkon pre každú z fáz možno vypočítať podľa nasledujúceho vzorca:

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

kde I – maximálne povolený prúd pre existujúce vedenie.

Závery a užitočné video k téme

Výpočet prúdu z výkonu na výber prierezu kábla:

Stanovenie spotrebovaného výkonu skupín elektrických spotrebičov na príklade rodinného domu:

Výpočet prúdu na určenie parametrov vedenia alebo stanovenie prípustného výkonu v existujúcom obvode možno vykonať samostatne. Na správne vyriešenie úlohy je potrebné zohľadniť nuansy, ktoré vznikajú v praxi, a nie len používať známe vzorce, ktoré fungujú pri “ideálnych” podmienkach.

Ak máte otázky k téme článku alebo môžete tento materiál doplniť o zaujímavé informácie, zanechajte svoje komentáre v bloku nižšie.