В чем измеряется энергия в электротехнике

Энергия и мощность электрического тока

В замкнутой электрической цепи источник затрачивает электhическую энергию

ЭДС источника определяется выражением Из этого выражения следует, что энергия, затраченная источником, равна

так как что вытекает из определения величины тока

Энергия источника расходуется на потребителе (полезная энергия)

и на внутреннем сопротивлении источника (потери)

Потерей энергии в проводах, при незначительной их длине, можно пренебречь.

Из закона сохранения энергии следует

Во всех элементах электрической цепи происходит преобразование энергии (в источниках различные виды энергии преобразуются в электрическую, в потребителях — электрическая в другие виды энергии).

Скорость такого преобразования энергии определяет электрическую мощность элементов электрической цепи

Обозначается электрическая мощность буквой Р, а единицей электрической мощности является ватт, другими словами, (ватт)

Таким образом, мощность источника электрической энергии ‘ определяется выражением

Мощность потребителя, т.е. полезная, потребляемая мощность, будет равна

Если воспользоваться законом Ома для участка электрической цепи, то полезную мощность можно определить следующим выражением:

Потери мощности на внутреннем сопротивлении источника

Для любой замкнутой цепи должен сохраняться баланс мощностей

Так как электрическая мощность измеряется в ваттах, то единицей измерения электрической энергии является

Коэффициент полезного действия электрической цепи л определяется отношением полезной мощности (мощности потребителя) ко всей затраченной мощности (мощности источника)

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Для измерения электрической энергии применяются счетчики электроэнергии. Из различных систем счетчиков наибольшее распространение получили электродинамические счетчики для цепей постоянного тока и индукционные счетчики для цепей переменного и трехфазного тока.

Электрические счетчики представляют собой суммирующие приборы. Основное отличие их от показывающих приборов заключается в том, что угол поворота их подвижной части не ограничивается пружиной. С течением времени угол поворота нарастает, показание счетчика суммируется, причем каждому обороту подвижной части его соответствует определенное значение измеряемой величины.

Однофазный индукционный счетчик (рис 7-24) состоит из алюминиевого диска, укрепленного на оси, и двух электромагнитов; последовательного А и параллельного Б.

Ток потребителя I, проходя по обмотке электромагнита А, возбуждает магнитный поток Ф_I, пропорциональный току I. Ток в обмотке параллельного электромагнита воз буждает магнитный поток Ф_U, пропорциональный напряжению сети U.

Рис. 7-24. Схема устройства и включения индукционного счетчика

Эти магнитные потоки, пронизывая диск, наводят в нем вихревые токи I_А и I_б Ток I_А ≡ Ф_I≡ I, а ток I_б ≡ Ф_U ≡ U. От взаимодействия тока I_А с магнитным потоком Ф_U и тока I_б с потоком Ф_I создается вращающий момент, пропорциональный мощности потребителя:

М = Ʀ₁ UI cos φ = Ʀ₁Р

Этот момент вызывает вращение диска счетчика. При вращении диска в поле постоянного тормозного магнита М в диске индуктируются вихревые токи (рис. 3-20), взаимодействие которых с полем того же магнита М создает тормозной момент, пропорциональный скорости вращения диска счетчика n, т. е.

Постоянной нагрузке соответствует и постоянная скорость вращения счетчика, так как при этом имеет место равенство вращающего и тормозного моментов

Ʀ ₁Р = Ʀ ₂n

откуда следует, что

P = ((Ʀ ₂n)/ Ʀ ₁) n = Ʀ n

т.е. скорость вращения счетчика пропорциональна мощности потребителя.

Рис 7-25. Схема счетного механизма.

При мощности потребителя Р в течение времени , израсходованная им энергия

W = P t = Ʀ n t = ƦN

Таким образом израсходованная энергия пропорциональна числу оборотов диска счетчика N.

Ʀ = W/N

называемый постоянной счетчика, численно равен количеству энергии, израсходованной в сети за время одного оборота диска счетчика.

Израсходованная энергия регистрируется счетным механизмом (рис, 7-25), приводимым в движение от червячной передачи (или шестеренки) В, укрепленной на оси счетчика. Движение диска передается пяти роликам, на боковых поверхностях которых нанесены цифры от О до 9. Ролики свободно надеты на ось Л. Первый (на рис 7-25 — правый) скреплен с шестеренкой и при движении диска счетчика беспрерывно вращается. Один оборот первого ролика вызывает поворот второго ролика на 1 /₁₀ часть оборота. Один оборот второго — вызывает поворот третьего ролика также на 1 /₁₀ часть оборота и т. д. Ролики прикрыты алюминиевым щитком, через отверстия в котором видно только по одной цифре каждого ролика. Прочитанное через отверстия в щитке числовое значение дает величину энергии, учтенную счетчиком за весь период его работы с того момента, когда показания его соответствовали нулевому значению.

Рис 7-26. Схема устройства и включения двухэлементного однодискового счетчика.

Для определения энергии израсходованной за какой-то промежуток времени, нужно из показания счетчика в конце измерения вычесть показание, снятое в начале.

Согласно ГОСТ 6570-60 счетчики активной энергии делятся на классы точности 1, 2 и 2,5, а счетчики реактивной энергии — на классы 2 и 3.

Для измерения электрической энергии в трехфазных четырехпроводных цепях применяется трехэлементный счетчик. Он имеет три электромагнитные системы такие же, как и у однофазного счетчика, которые воздействуют на три диска, укрепленные на одной оси. Счетчик имеет один счетный механизм. Схема включения счетчика принципиально та же, что и трехэлементного ваттметра (рис. 7-20).

Для измерения энергии в трехфазных трех проводных цепях применяются двухэлемент ные двухдисковые или одноднсковые счетчики (рис 7-26).

Двухэлементный счетчик можно заменить двумя однофазными счетчиками (парные счетчики). Схема включения

Рис 7-27. Схема соединения счетчика реактивной энергии типа ИР.

двухэлементного и парных счетчиков принципиально та же, что и двухэлементного ваттметра (рис. 7-23, б).

Измерение реактивной энергии трехфазного тока производится реактивными счетчиками, например типа ИР, схема которого дана на рис. 7-27.

Этот счетчик — индукционный двухэлементный имеющий по две обмотки на каждом из последовательных электромагнитов. Эти обмотки создают в сердечниках такие по величине и фазе магнитные потоки, которые совместно с потоками параллельных электромагнитов обеспечивают получение вращающего момента, пропорционального реактивной мощности. Счетный механизм непосредственно учитывает реактивную энергию.

Расширение пределов измерения тока и напряжения ваттметров и счетчиков производится при помощи измерительных трансформаторов.

Измерение электрической энергии

Электротехническое изделие в соответствии со своим назначением потребляет (вырабатывает) активную энергию, расходуемую на совершение полезной работы. При постоянстве напряжения, тока и коэффициента мощности количество потребленной (выработанной) энергии определяется соотношением Wp = UItcos φ = Pt

где P=UIcos φ — активная мощность изделия; t — продолжительность работы.

Единицей энергии в СИ служит джоуль (Дж). В практике еще находит применение внесистемная единица измерения Ватт х час (Вт х ч). Соотношение между этими единицами следующее: 1 Вт-ч=3,6 кДж или 1 Вт-с=1 Дж.

В цепях периодического тока количество израсходованной или выработанной энергии измеряют индукционными или электронными э лектрическими счетчиками.

Конструктивно индукционный счетчик представляет собой микроэлектродвигатель, каждому обороту ротора которого соответствует определенное количество электрической энергии. Соотношение между показаниями счетчика и числом оборотов, совершенных двигателем, называют передаточным числом и указывают на щитке: 1 кВт х ч = N оборотов диска. По передаточному числу определяют постоянную счетчика C=1/N, кВт х ч/об; C = 1000 — 3600/N Вт х с/об.

В СИ постоянная счетчика выражается в джоулях, так как число оборотов — безразмерная величина. Счетчики активной энергии выпускают как для однофазных, так и для трех- и четырехпроводных трехфазных сетей.

Рис. 1 . Схема включения счетчиков в однофазную сеть: а — непосредственное, б — черед измерительные трансформаторы

Однофазный счетчик (рис. 1 , а) электрической энергии имеет две обмотки: токовую и напряжения и может быть включен в сеть по схемам, подобным схемам включения однофазных ваттметров. Для исключения ошибок при включении счетчика, а следовательно, и ошибок учета энергии рекомендуется во всех случаях использовать схему включения счетчика, указанную на крышке, закрывающей его выводы.

Необходимо отметить, что при изменении направления тока в одной из обмоток счетчика диск начинает вращаться в другую сторону. Поэтому токовую обмотку прибора и обмотку напряжения следует включать так, чтобы при потреблении энергии приемником диск счетчика вращался в направлении, указанном стрелкой.

Токовый вывод, обозначенный буквой Г, подключают всегда со стороны питания, а к нагрузке подключают второй вывод токовой цепи, обозначенный буквой И. Кроме того, вывод обмотки напряжения, однополярный с выводом Г токовой обмотки, подключают также со стороны питания.

При включении счетчиков через измерительные трансформа т оры тока необходимо одновременно учитывать полярность обмоток трансформаторов тока и трансформаторов напряжения (рис. 1, б) .

Счетчики выпускают как для применения с любыми трансформаторами тока и трансформаторами напряжения — универсальные, в условное обозначение которых добавлена буква У, так и для применения с трансформаторами, номинальные коэффициенты трансформации которых указаны на их щитке.

Пример 1 . Универсальный счетчик, имеющий параметры Uп=100 В и I = 5 А, используют с трансформатором тока, имеющим первичный ток 400 А и вторичный 5 А, и трансформатором напряжения с первичным напряжением 3000 В и вторичным 100 В.

Определить постоянную схемы, на которую надо умножить показания счетчика для нахождения количества израсходованной энергии.

Постоянную схемы находят как произведение коэффициента трансформации трансформатора тока на коэффициент трансформации трансформатора напряжения: D = kti х ktu = ( 400 х 3000 ) / ( 5 х 100 ) = 2400.

Подобно ваттметрам счетчики можно использовать с разными измерительными преобразователями, но в этом случае необходимо сделать перерасчет показаний.

Пример 2 . Счетчик, предназначенный для использования с трансформатором тока имеющим коэффициент трансформации kti1 = 400/5, и трансформатором напряжения с коэффициентом трансформации ktu1 = 6000/100, используется в схеме измерения энергии с другими трансформаторами, имеющими такие коэффициенты трансформации: kti2 = 100/5 и ktu2 =35000/100. Определить постоянную схемы, на которую надо умножить показания счетчика.

Постоянная схемы D = (kti2 х ktu2) / (kti1 х ktu1) = ( 100 х 35 000 ) / (400 х 6000) = 35/24 = 1 , 4583.

Трехфазные счетчики, предназначенные для измерения энергии в трехпроводных сетях, конструктивно представляют собой два объединенных однофазных счетчика (рис 2 , а, б). Они имеют две токовые обмотки и две обмотки напряжения. Обычно такие счетчики называют двухэлементными.

Все сказанное выше о необходимости соблюдения полярности обмоток прибора и обмоток, используемых вместе с ним измерительных трансформаторов в схемах включения однофазных счетчиков, в полной мере относится и к схемам включения, трехфазных счетчиков.

Для отличия элементов друг от друга в трехфазных счетчиках выводы дополнительно обозначены цифрами, одновременно указывающими и порядок следования фаз питающей сети, подключаемых к выводам. Таким образом, к выводам, отмеченным цифрами 1 , 2 , 3 подключают фазу L1 (А), к выводам 4, 5 — фазу L2 (В) и к выводам 7, 8, 9 — фазу L3 (С).

Определение показаний счетчика, включаемого с трансформаторами, рассмотрено в примерах 1 и 2 и полностью применимо к трехфазным счетчикам. Отм е тим, что цифра 3, стоящая на щитке счетчика перед коэффициентом трансформации как множитель, говорит только о необходимости применения трех трансформаторов и поэтому при определении постоянной схемы не учитывается.

Пример 3 . Определить постоянную схемы для универсального трехфазного счетчика , используемого с трансформаторами тока и напряжения, 3 х 800 А/5 и 3 х 15000 В / 100 (форма записи специально повторяет запись на щитке).

Определяем постоянную схемы: D = kti х ktu = ( 80 0 х 1500 ) /(5-100) =24000

Рис. 2. Схемы включения трехфазных счетчиков в трехпроводную сеть: а — непосредственное для измерения активной (прибор Р 11 ) и реактивной (прибор P 1 2) энергии, б — через трансформаторы тока для измерения активной энергии

Известно, что при изменении коэффициента мощности при разных токах I может быть получено одно и то же значение активной мощности UIcos φ , а следовательно, и активной составляющей тока Ia = Icos φ .

Увеличение коэффициента мощности приводит к уменьшению тока I при заданной активной мощности и поэтому улучшает использование линий передач и другого оборудования. С уменьшением коэффициента мощности при постоянной активной мощности требуется увеличить ток I, потребляемый изделием, что приводит к возрастанию потерь в линии передач и другом оборудовании.

Поэтому изделия с низким коэффициентом мощности потребляют от источника дополнительную энергию Δ Wp, необходимую для покрытия потерь, соответствующих возросшему значению тока. Эта дополнительная энергия пропорциональна реактивной мощности изделия и при условии постоянства во времени значений тока, напряжения и коэффициента мощности может быть найдена по соотношению Δ Wp = kWq = kUIsin φ , где Wq = UIsin φ — реактивная энергия (условное понятие).

Пропорциональность между реактивной энергией электротехнического изделия и энергией, вырабатываемой дополнительно на станции, сохраняется и при изменении напряжения, тока и коэффициента мощности во времени. На практике реактивную энергию измеряют внесистемной единицей (вар х ч и производными от нее — квар х ч, Мвар х ч и др.) с помощью специальных счетчиков, которые конструктивно полностью подобны счетчикам активной энергии и отличаются только схемами включения обмоток (см. рис. 2 , а, прибор P 12 ).

Все расчеты, связанные с определением измеренной счетчиками реактивной энергии, аналогичны рассмотренным выше расчетам для счетчиков активной энергии.

Следует обратить внимание на то, что энергия, расходуемая в обмотке напряжения (см. рис. 1 , 2), счетчиком не учитывается, и все затраты несет производитель электроэнергии, а энергия, потребляемая токовой цепью прибора, учитывается счетчиком т. е. затраты в этом случае относят на счет потребителя.

Помимо энергии с помощью счетчиков электрической энергии можно определить и некоторые другие характеристики нагрузки. Например, по показаниям счетчиков реактивной и активной энергии можно определить значение средневзвешенного tg φ нагрузки: tg φ = Wq/Wp , г д е W з — количество энергии, учтенное счетчиком активной энергии, за данный промежуток времени , Wq — то же, но учтенное счетчиком реактивной энергии за тот же период времени. Зная tg φ , по тригонометрическим таблицам находят cos φ .

Если оба счетчика имеют одинаковые передаточное число и постоянную схемы D, можно найти tg φ нагрузки для данного момента. Для этого за один и тот же промежуток времени t= (30 — 60) с одновременно отсчитывают число оборотов nq счетчика реактивной энергии и число оборотов np счетчика активной энергии. Тогда tg φ = nq/np.

При достаточно постоянной нагрузке можно по показаниям счетчика активной энергии определить ее активную мощность.

Пример 4 . Во вторичной обмотке трансформатора включен счетчик активной, энергии с передаточным числом 1 кВт х ч = 2500 об. Обмотки счетчика включены через трансформаторы тока с kti = 100/5 и напряжения с ktu = 400/100. За 50 с диск сделал 15 оборотов. Определить активную мощность.

Постоянная схема D = ( 400 х 100 ) /(5 х 100 ) = 80. Учитывая передаточное число, постоянная счетчика С = 3600/N = 3600/2500= 1,44 кВт х с/об. С учетом постоянной схемы C’ = CD= 1,44 х 80= 1 1 5,2 кВт х с/об.

Так и м образом, n оборотов д иска соответствуют расходу энергии Wp = С’n= 115,2 [ 15= 1728 кВт х с. Следовательно, мощность нагрузки Р = Wp/t = 17,28/50 = 34,56 кВт.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

В чем измеряется энергия в электротехнике

Ваши независимость и комфорт! +7(916)787-2341

Киловатты или киловатт-часы?

Поделиться ссылкой на статью

Обновлено 11 января, 2022

Отличие «киловатт» от «киловатт-час»

Мы очень часто сталкиваемся с неправильным применением этих единиц измерения. Не только далекие от энергетики люди, но и многие многие люди с техническим образованием употребляют «киловатты» вместо «киловатт-часов». Очень часто говорят «киловатт в час» (кВт/ч) — а такой единицы измерения физически не существует. Ватт — это мгновенная величина, она не может делиться на единицу времени. Ватт это уже джоуль (работа), поделенная на секунду — какой физический смысл в «ускорении работы»?

«киловатт» и «киловатт-час» – схожие в названии «две большие разницы» �� . «Киловатт» – кратная «ватт», системная единица измерения мощности. «киловатт-час» – внесистемная единица учёта потребленной или произведенной электрической энергии. В ватт и киловатт выражается величина мощности электрического устройства, в киловатт-часах измеряется энергия (например, потребленная домом электроэнергия измеряется именно в кВт*ч).

Исторически так сложилось, что энергетики измеряют энергию в кВт*ч. Хотя правильнее было бы применять для энергии джоули.

— перевод ватт-часов в джоули и калории

«Ватт» и «киловатт»

«Ватт» (Вт, W) – производная системная единица измерения мощности, связанная с основными единицами системы СИ:

• Вт = Дж/с, или Вт = H•м/с;
• Вт = В•А (в электротехнике).

«1 ватт» — это мощность устройства, совершающего работу величиной в 1 джоуль за 1 секунду времени. Как единица измерения мощности, ватт принят в 1882г., включён в систему СИ в 1960г. и назван в честь Джеймса Уатта (Ватта) – создателя универсальной паровой машины. В системе СИ «ваттами» обозначают величину механической, тепловой, электрической и любой другой мощности. Образование кратных и дольных единиц от ватт производится применением набора стандартных префиксов системы СИ – кило, мега, гига …

• 1 ватт
• 1000 ватт = 1 киловатт
• 1000 000 ватт = 1000 киловатт = 1 мегаватт
• 1000 000 000 ватт = 1000 мегаватт = 1000 000 киловатт = 1гигаватт
• «киловатт» – кратная «ватт» единица измерения мощности

«киловатт-час»

Киловатт-час (кВт•ч, kW•h) – внесистемная единица учёта количества потребленной или произведённой электрической энергии. Использование «киловатт-час» на территории России регламентирует переработанный советский ГОСТ 8.417, однозначно определяющий наименование, обозначение и область применения «киловатт-час».

Внесистемные единицы, допустимые к применению наравне с единицами СИ приведены в параграфе 6 ГОСТ 8.417-2002

• Наименование величины: Энергия
• Наименование единицы: киловатт-час
• Обозначение: kW•h (кВт•ч)
• Соотношение с единицей СИ: 3,6×10 6 Дж
• Область применения: Для счётчиков электрической энергии

ГОСТ 8.417-2002 рекомендует использовать «киловатт-час», как основную единицу измерения для учёта количества использованной электроэнергии. Потому как, «киловатт-час» – наиболее простая, удобная и практичная форма, позволяющая получать максимально приемлемые человекопонятные результаты. ГОСТ 8.417-2002 абсолютно не возражает против использования на потребительском и узко-профессиональном уровне кратных и дольных единиц, образованных от «киловатт-час»:

• 1 киловатт-час = 1000 ватт-час
• 1 мегаватт-час = 1000 киловатт-час

Большинство национальных технических стандартов постсоветских стран увязаны со стандартами бывшего Советского Союза. В метрологии постсоветского пространства существуют аналоги российского ГОСТ 8.417 или ссылки на него.

Обозначение бытовой электротехники

Общепринятая практика – обозначать электрические характеристики устройств на их корпусе. Выбор единиц измерения происходит индивидуально, на усмотрение производителя. Учитывая особенности производимой электротехники, возможны (и не есть ошибкой) следующие варианты обозначения:

• в ваттах и киловаттах (Вт, кВт, W, kW), для простоты пользовательского понимания – указывается полезная выдаваемая мощность электромоторов, электрообогревателей и иных устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую, тепловую, световую … … в случае определяющей важности электроприбора по выдаваемому полезному световому, механическому или тепловому воздействию … … на потребительском уровне.
• в ватт-часах и киловатт-часах (Вт•ч, кВт•ч, W•h, kW•h) указывают потребляемое электроприбором количество электрической энергии за единицу времени – 1час (60 мин), согласно ГОСТ 8.417. Для маломощной бытовой электротехники постоянного включения (холодильники) ныне принято указывать годовое потребление электричества, опять таки – удобоваримая пользовательская форма понимания физической величины.
• в вольт-амперах и киловольт-амперах (VA, кVA )
  – обозначение полной потребляемрй электрической мощности электроприбора

Типичная мощность бытовых электроприборов приведена в нашей статье «Типичная мощность бытовых приборов»

Единицы измерения для обозначения мощности электроприборов

Встречаются бытовые микроволновки от разных производителей, мощность которых указана в киловаттах (кВт, kW), в киловатт-часах (кВт⋅ч, kW⋅h) или в вольт-амперах (ВА, VA ). И первое, и второе, и третье – не будет ошибкой. В первом случае производитель указал тепловую мощность (как нагревательного агрегата), во втором – потребляемую электрическую мощность (как электропотребителя), в третьем – полную электрическую мощность (как электроприбора).

Поскольку бытовое электрооборудование достаточно маломощное, чтобы учитывать законы научной электротехники, то на бытовом уровне, все три цифры – практически совпадают.

Разница «киловатт и киловатт-час»

• Киловатт — единица ИЗМЕРЕНИЯ мощности, киловатт-час – единица УЧЕТА потребления электроэнергии. На уровне бытового прибора-электропреобразователя:
  — в киловаттах измеряется выдаваемая тепловая или механическая мощность электроагрегата.
  — в киловатт-часах измеряется потребляемая электрическая мощность электроагрегата.
  Для бытового электроприбора цифры вырабатываемой (механической или тепловой) и потребляемой (электрической) энергии практически совпадают.
• Связывание единиц измерения киловатт и киловатт-час применимо для случаев прямого и обратного преобразования электрической энергии в механическую, тепловую и т.д.
• В случае прямого или обратного преобразования электрической энергии в механическую или тепловую, увязать киловатт-час с другими единицами измерения энергии можно при помощи онлайн-калькулятора сайта:
  Перевести киловатт-часы =>в Джоули, калории и кратные им единицы

Теплопотери

Теплоэнергетики тоже внесли свою лепту в путаницу. Как известно, теплопотери определяются количеством энергии, ушедшем через ограждающие конструкции, за единицу времени.

Получается Теплопотери это — потери тепла (энергии) в единицу времени. Например, кВт*часы за 24часа (кВт*час/24часа). Часы сокращаются и остаются киловатты… И это не мощность!

Т. е. теплопотери измеряются в ваттах и киловаттах.
Поэтому математически, при расчетах, время не учитывается, но про него речь вести удобно (пока часы не сократятся). Иногда удобно измерять удельные теплопотери на 1 кв. метр площади. Тогда получится Вт/кв.м. площади (пола, как правило).
Европейские стандарты меряют в кВт*часах/(кв.м.*год). И это правильно.