2259556.ru

Журнал Мастера
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет силы тока освещения

Как рассчитать силу тока, рассчитать мощность, ампераж

Для обеспечения безопасности при эксплуатации бытовых электроприборов необходимо верно вычислить сечение питающего кабеля и проводки. Поскольку ошибочно выбранное сечение жил кабеля способно привести к возгоранию проводки из-за короткого замыкания. Это грозит возникновением пожара в здании. Это также относится к выбору кабеля для подключения электрических двигателей.

Физическое понятие величин

Любая электрическая цепь характеризуется рядом параметров. Наиболее важными из них являются сила тока, напряжение, мощность и сопротивление. Эти характеристики связаны между собой и зависят друг от друга. Явление, объединяющее их, называется электричеством.

Это понятие было введено ещё в 1600 году английским физиком Уильямом Гилбертом, изучающим магнитные и электрические явления. Исследуя магнетизм в природе, учёный установил, что некоторые тела при трении начинают обладать силой притяжения по отношению к другим предметам, в частности, к янтарю. Поэтому он и назвал открытое явление ēlectricus, что в переводе с латинского обозначает «янтарный».

Продолжая его исследования, немецкий физик Отто фон Герике в 1663 году изобрёл электрическую машину, которая представляла собой металлический стержень с одетым на него серным шаром. В результате он выяснил, что материалы могут не только притягивать вещества, но и отталкивать. Но только через восемьдесят лет американец Бенджамин Франклин создал теорию электричества, введя такие термины, как отрицательный и положительный заряд.

Дальнейшее развитие электричество получило после опытов Шарля Кулона и открытия им закона взаимодействия зарядов. Заключался он в следующем: сила влияния двух точечных зарядов друг на друга в вакууме прямо пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна расстоянию между ними в квадрате. После этого благодаря экспериментам таких учёных, как Джоуль, Ленц, Ом, Ампер, Фарадей, Максвелл были введены понятия ток, напряжение и электромагнетизм.

Так, в 1897 году англичанин Джозеф Томсон установил, что носителями зарядов являются электроны. Ранее, в 1880 году, электротехник из России Дмитрий Лачинов сформулировал необходимые условия для передачи электричества на расстояния.

После этих открытий были выработаны фундаментальные определения электричества. Сегодня под ним понимаются свойства материалов образовывать вокруг себя электрическое поле, оказывающее воздействие на располагающиеся рядом другие заряженные частицы. Заряды условно принято разделять на положительные и отрицательные. При их перемещении возникает магнитное поле, при этом одинакового знака заряды притягиваются, а разного — отталкиваются.

Сила тока

Ток — это упорядоченное движение носителей заряда, происходящее под влиянием электрического поля. В качестве положительно заряженных частиц выступают электроны, а отрицательных — дырки. Математически это явление описывается с помощью формулы I = Q*T, где I — ток проводимости (А), Q — заряд частицы (Кл), T — время ©.

То есть электрическим током называется количество зарядов, прошедших через поперечное сечение вещества. Но эта формулировка верна только для тока постоянной величины, в то время как для изменяемого во времени она будет выглядеть I (T) = dQ/dT.

Плотность движения носителей заряда в материале, то есть количество электричества, проходящего за условно принятое время, называется силой тока. Согласно Международной системе (СИ) его единицей измерения является ампер. Один ампер равен перемещению электрического заряда, равного одному кулону, через поперечное сечение за одну секунду.

Носители заряда могут двигаться как упорядоченно, так и хаотично. При их движении возникает электрическое поле, обозначаемое латинской буквой E. Значение, определяющееся отношением тока к поперечному сечению проводника, называется плотностью тока. За единицу её измерения принимается А/мм 2 .

По своему виду ток различают на следующие типы:

  1. Переноса. Характеризуется движением зарядов, осуществляемым в свободном пространстве. Этот тип характерен для газоразрядных приборов.
  2. Смещения. Возникает в диэлектриках и определяется упорядоченным перемещением связанных заряженных частиц.
  3. Полный. Определяется суммарным значением тока: проводимости, переноса и смещения.
  4. Постоянный. Это такой вид, который может изменять величину, но не изменяет направление движения, то есть свой знак.
  5. Переменный. Такого вида ток может изменяться как по величине, так и по направлению (знаку).

Переменный вид разделяется по форме и может быть синусоидальным и несинусоидальным. Для расчёта силы тока синусоидальной формы используется формула Is = Ia*sin ωt, где Ia — максимальное значение тока (A), ω — угловая скорость, равная 2πf (Гц).

Физические тела, в которых возможно протекание тока, называют проводниками, а в тех, где возникают препятствия его прохождению — диэлектриками. Промежуточное состояние между ними занимают полупроводники.

Разность потенциалов

Напряжением принято называть физическую величину, характеризующую электрическое поле. Она показывает, какую работу понадобится совершить полю для того, чтобы переместить единичный заряд из одной точки в другую. При этом принимается, что этот перенос не влияет на распределение зарядов в источнике поля. Согласно Международной системе единиц напряжение измеряется в вольтах.

Читать еще:  Плавный выключатель света как называется

Работа по переносу складывается из двух величин — электрических и сторонних. Если сторонние силы не действуют, то напряжение на участке цепи равно разности потенциалов и вычисляется по формуле U = φ1-φ2. При этом потенциал определяется отношением напряжённости электрического поля к заряду. Для его расчёта используют формулу φ = W/q.

Другими словами, это характеристика поля в определённой точке, не зависящей от величины заряда, находящегося в нём. То есть напряжение в общем случае определяется работой электростатического поля, возникающего при движении заряда вдоль его силовых линий. Математически его можно рассчитать по формуле U = A/q, где А — совершаемая работа по перемещению (Дж), q — энергия заряда (Кл).

Применительно к сети переменного тока для напряжения используются следующие понятия:

  1. Мгновенное. Это значение физической величины, измеренное в конкретный момент времени: U = U (t). Для синусоидального сигнала мгновенное напряжение находится с помощью выражения U (t) = Ua sin (ὤt + φ).
  2. Амплитудное. Характеризуется наибольшей величиной мгновенного значения без учёта знака: Ua = max (U (t)).
  3. Среднее. Определяется за полный период сигнала по формуле Us = 1/T ʃ U (t)*dt. Для синусоидальной формы это значение равно нулю.

Проводя расчёт напряжения, редко используется понятие электрического потенциала. Связано это с тем, что условно принято за одну из точек потенциала принимать землю.

Это значение берётся равным нулю, а все остальные потенциалы считаются относительно неё. Говоря, что напряжение в определённой точке составляет 300 вольт, имеется в виду разность потенциалов между этой точкой и землёй, равная этому значению.

Электрическая мощность

Электрическая мощность характеризует скорость передачи электрической энергии или её преобразование. Единицей её измерения является ватт. Для того чтобы посчитать мощность на определённом участке цепи, необходимо перемножить значение напряжения и силы тока на этом участке. Исходя из определения электрического напряжения, можно сказать, что заряд при движении совершает работу, численно равную ей на участке цепи. Если же умножить работу на количество зарядов, то можно найти общее значение работы, которую совершили заряды на этом участке.

Исходя из физического определения, что мощность — это работа за единицу времени, получается выражение P = A/Δt, где A — работа, совершаемая зарядом при перемещении от начальной точки к конечной (Дж), Δt — время, затраченное на полное перемещение заряда ©.

Для всех зарядов в цепи мощность можно найти благодаря формуле P = (U/ Δt) * Q, где Q — общее число зарядов.

Так как ток представляет собой заряд, протекающий в единицу времени (I = Q/ Δt), то получается, что мощность равна произведению тока на напряжение, то есть P = U*I (Вт).

В цепи с постоянным током его сила и напряжение всегда имеют постоянное значение в определённой точке, поэтому для любого момента времени мощность можно вычислить по формуле P = I*U = I2*R = U2/R, где R — сопротивление прохождению тока в электрической цепи (Ом). Если же в этой сети находится источник электродвижущей силы, то мощность находится как P = I*E+ I2*r, где Е — электродвижущая сила или ЭДС (В), r — внутреннее сопротивление источника ЭДС (Ом).

Для цепи, в которой её параметры изменяются по какому-то циклу, мощность в определённой точке интегрируется по времени. При этом существуют следующие виды мощности:

  1. Активная. Для её нахождения используется расчёт, учитывающий угол сдвига фаз φ. Находится согласно формуле P = U*I*cos φ.
  2. Реактивная. Характеризуется нагрузками, создаваемыми электрическими устройствами в виде колебаний энергии электромагнитного поля. Её вычисление осуществляется по формуле P = U*I*sin φ.
  3. Полная. Определяется произведением действующих значений тока и напряжения, связана с другими видами мощности выражением S= √(P 2 +Q 2 ).

О напряжении, токе и мощности

Продолжив аналогии с водой, напряжение можно сравнить с давлением в магистрали. По мере увеличения разницы потенциалов (вольтаж) получают большую силу электрического тока при остальных равных условиях. Если подключить в цепь лампу накаливания, будет видно, как соответствующим образом изменяется свечение спирали.

Мощность – это комплексный показатель, определяющий потребляемую энергию. Его рассчитывают с учетом приложенного напряжения и тока в цепи.

Теоретическая основа расчётов

Номинальная мощность электроприборов обычно указывается на шильдике на приборе или же в паспорте к нему. Если же мощность не указана, но есть показатель тока, то для расчёта применяется следующая формула:

где I – сила тока, А

U – напряжение в сети, В

Для определения суммарной мощности группы потребителей на одной линии применяется следующая формула:

Где с — коэффициент спроса,

Р1 , Р2 , Р3 , Рn — номинальные мощности отдельных приборов, Вт

Читать еще:  Выключатель для управления светом с двух мест

Коэффициент спроса указывает на возможность одновременного включения всех приборов линии. При одновременном включении всех устройств Кс =1 . На практике это происходит редко, поэтому для жилых помещений коэффициент спроса принят на уровне 0,8 для 2х потребителей, 0,75 для 3х и 0,7 – 5 и более.

Также при расчётах мощности нужно учитывать соотношение реактивной и активной составляющих сопротивления нагрузки ( cos φ , Вт / ВА ).

Поэтому формула полной расчетной мощности будет выглядеть так:

Где cos φ — коэффициент мощности.

При расчёте мощности для жилого помещения этот коэффициент принимают равным 0,95 – 0,98. Если же планируется подключение приборов с большим индуктивным сопротивлением (например, компрессор, насос, электродрель, перфоратор), то в расчет нужно закладывать cos φ равный 0,8.

Именно этот показатель нужно использовать при построении сети, распределении нагрузки на фазы. Также на основании полученных данных производится вычисление расчётной величины силы тока:

На основании этого показателя происходит подбор сечения кабеля для проводки, а также защитной автоматики для установки в щиток.

Максимальная мощность по ГОСТу

Ярче нельзя! Согласно ГОСТ (2004) «Светильники для освещения жилых и общественных помещений» максимальная потребляемая мощность одного бытового светильника должна быть не более:

  • 550 Вт — для светильников общего освещения;
  • 180 Вт — для светильников комбинированного освещения;
  • 150 Вт — для светильников экспозиционного (точечного) и декоративного освещения;
  • 25 Вт — для ночников (ориентирующее освещение).

  • 1 из 3

На фото:

Светильники на светодиодах способны творить чудеса! Они дают очень яркий свет, хотя потребляют минимум электроэнергии (в данном случае – до 7,5 Вт). А некоторые модели способны светить разными цветами.

При этом единичная мощность одной лампы светильника должна быть не более:

  • 150 Вт — для светильников общего, местного и комбинированного освещения;
  • 100 Вт — для экспозиционных светильников, при этом для светильника с галогенными лампами накаливания не более 150 Вт;
  • 60 Вт — для декоративных светильников;
  • 25 Вт — для ночника.

На практике это означает, что российские фабрики (руководствуясь ГОСТом) не делают люстры мощнее 550 Вт. При этом каждый патрон рассчитан на лампочку мощностью не более 150 Вт. А во все модели для местного освещения (торшеры, бра и пр.) можно вкручивать лампы суммарной мощностью не более 180 Вт. Это связано с возможностями типовой электропроводки в наших домах. Правила в других странах даже более строгие, так что в смысле мощности заграничные светильники превосходно адаптируются к российским реалиям.

Формула расчета нагрузки, мощности и силы тока

Для проведения изысканий может применяться формула расчета тока, которая должна учитывать несколько параметров. Расчет примерный, потому что еще нужно учитывать коэффициент мощности, равный для большинства электропотребителей 0,9-1. Если вы включаете в сеть напряжением 220 В электрическую лампочку 100 Вт, то ток в подводящих проводах 100 Вт/220 В, или 0,45 А (это при коэффициенте мощности равном 1). Если электроприемник имеет коэффициент мощности 0,9, то при мощности 100 Вт и напряжении 220 В сила тока рассчитывается следующим образом: I = W/KU = 100Вт/200Вх0,9=0,5А. Чем меньше коэффициент мощности, тем больше ток и, следовательно, больше потери энергии в проводах за счет их нагревания. Формула расчета нагрузки может быть скорректирована с учетом изменения этих параметров.

Формула мощности нагрузки используется, чтобы подсчитать электрическую потребность нескольких электроприемников, необходимо суммировать их номинальные токи, иногда у всех электроприемников коэффициент мощности одинаков или достаточно близок к единице. При различных значениях коэффициента мощности находят его усредненное значение, а чаще принимают эту величину 0,8-0,9 и вычисляют силу тока, исходя из суммы номинальных мощностей. Нагрузку на фазовый провод от трехфазного электроприемника подсчитывают, исходя из того, что на каждую фазу приходится одна треть мощности и что фазовое напряжение в 1,73 раза меньше линейного: мощность трехфазного электроприемника делят на номинальное линейное напряжение, а коэффициент мощности на 1,73. Потребители, пользующиеся трехфазным током, одну из фаз выделяют для питания однофазных электроприемников, силу тока в этом фазовом проводе определяют, суммируя нагрузки всех трех- и однофазных электроприемников. На ток в других фазовых проводах однофазные электроприемники не влияют, но они определяют ток в нулевом проводе (при включении только трехфазных электроприемников тока в нулевом проводе нет).

Формула расчета силы тока при правильном применении позволяет формировать устойчивую к перепадам напряжения сеть. Практически все электроприемники в вашем доме имеют различное электрическое сопротивление, определяемое результатом деления величин электрического напряжения и силы электрического тока. Электрическое сопротивление (проводника, электроутюга, телевизора и т. п.) в омах (Ом), равно электрическому напряжению в вольтах (В), деленному на силу тока в амперах (А): R = U/I. Если к электроприемнику приложено напряжение 220 В и при этом протекает ток силой 0,5 А, то сопротивление цепи составляет 440Ом. Если сопротивление увеличить, сила тока пропорционально уменьшится. Используя приведенные зависимости: I =W/U и R=U/I, путем арифметических действий получим: WR = U2.

Читать еще:  Беспроводной проходной выключатель света легранд

Отсюда, можно, зная величину электрического напряжения и мощность электропотребителя, вычислить его сопротивление. Или вычислить мощность, зная величины R и U. Например, сопротивление электроприемника мощностью 220 Вт составляет 484 Ом, а сопротивление электроприемника мощностью 1 кВт — 48,4 Ом.

Сопротивление проводов электрической сети обычно находится в пределах от долей Ома до 1-2 Ом, нагрев проводов электрическим током зависит от сопротивления и силы тока, поэтому если электрическое соединение сделано плохо (недостаточно затянуты винты, небрежно скручены и зачищены провода), его сопротивление оказывается больше и возникает опасный перегрев, появляется возможность загорания. При коротком замыкании напряжение сети приложено к замкнутым между собой проводам, сопротивление мало, и сила тока возрастает, превосходя допустимые значения. Если при этом нет необходимых мер защиты (например, отсутствуют предохранители), провода также могут загореться.

У домовладельцев возникает вопрос: каким проводом лучше монтировать электропроводку — с медной или алюминиевой жилой? Конечно, вопрос корректен, если подразумеваются одинаковые провода: сечение жилы, тип изоляции и т. п. Удельное сопротивление меди в 1,6 раза меньше, чем удельное сопротивление алюминия. Для передачи одной и той же электрической мощности до опасного нагрева нужно выбрать сечение алюминиевой жилы в 1,6 больше, по сравнению с медной.

Коэффициент теплопроводности меди 390 Вк/м x К, а у алюминия 209 X= Вк / м x К, то есть у меди в 1,7 больше. Это означает, что, если в одном месте медной жилы, например, за счет плохого контакта, возник перегрев — температура повысилась, то такое повышение температуры быстрее будет распределяться по медной жиле по сравнению с алюминиевой. Следовательно, использование медных проводников имеет несомненные преимущества по сравнению с алюминиевыми.

По определению мощность есть энергия в единицу времени, электрическая энергия Е равна: Е = Wt, где t — время.

Измеряют величину Е при помощи электросчетчиков. Если мощность электроприемников суммарно составляет 1 кВт, то за 1 час работы будет израсходован 1 кВт/час, такое же количество электроэнергии израсходуют за 4 часа электроприемники мощностью 250 Вт или электролампа мощностью 100 Вт за 10 часов.

Вам понадобиться: в доме всегда включено много электропотребителей — электрические лампочки, холодильник, телевизор, электронагреватели и т. п. Обычно все они соединены параллельно, однако в редких случаях встречается и последовательное соединение потребителей. Вам, например, необходимо рассчитать, купив новый электроприбор (и зная его мощность и напряжение, которые должны быть приведены в паспорте) не только силу тока через этот прибор, но и какой автомат-предохранитель нужно поставить в цепи прибора, если параллельно ему уже подключены другие. То есть необходимы самые краткие данные для расчета электрических цепей.

Далее, если у вас есть конкретная электрическая цепь, подставляя величины U, Rv R2 и т. д., вы получите необходимые численные значения, только не забудьте все величины записывать в Международной системе единиц СИ — вольтах, амперах, Омах и ваттах. Впрочем, если вы привыкли к лошадиным силам (л. с.), то запомните, что 1 л. с. — 735,5 Вт.

Приведенные сведения из электротехники — тот технический минимум, который вам необходимо знать, чтобы грамотно эксплуатировать электрические системы в своем доме.

Примеры задач

Для примера рассмотрим вычисление на участках электрической цепи с последовательным и параллельным соединением элементов. Первый вариант предусматривает ситуацию, когда все детали соединяются друг за другом от одного полюса источника питания до другого.

Рис. 3. Последовательная расчетная цепь

Как видите на рисунке, в качестве источника мы используем батарейку с номинальным напряжением 9 В и три резистора по 10, 20 и 30 Ом соответственно. Так как номинальный ток нам не известен, расчет произведем через напряжение и сопротивление:

P = U 2 /R = 81 / (10+20+30) = 1.35 Вт

Для параллельной схемы подключения возьмем в качестве примера участок цепи с двумя резисторами и одним источником тока:

Рис. 4. Параллельная схема подключения

Как видите, для удобства расчетов нам нужно привести параллельно подключенные резисторы к схеме замещения, из чего получится:

Тогда искомый номинал нагрузки мы можем узнать через значение тока и сопротивления:

P = I 2 *R = 25*6 = 150 Вт

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector