Мощность, энергия и КПД в электрике

Энергия и работа

Энергия это способность совершить работу. Она не появляется и не исчезает, а переходит из одного вида в другой: в генераторе электростанции механическая энергия турбины становится электрической, в чайнике электрическая становится тепловой, в двигателе механической. Электрик работает с последним звеном этой цепочки.

Энергию измеряют в джоулях, но для электричества удобнее киловатт-час: столько энергии тратит прибор мощностью 1 кВт за час. 1 кВт·ч = 3 600 000 Дж. Именно киловатт-часы показывает счётчик и за них выставляют счёт.

W = P × t
Стоимость = W × тариф

• Чайник 2 кВт за 3 минуты: 2 × 3 / 60 = 0,1 кВт·ч.
• Водонагреватель 2,5 кВт за 40 минут: 2,5 × 40 / 60 ≈ 1,67 кВт·ч. При тарифе 6 ₽ за кВт·ч это 10 ₽.
• Холодильник со средней мощностью 60 Вт за сутки: 0,06 × 24 = 1,44 кВт·ч.

Мощность

Мощность показывает быстроту работы. Двое рабочих поднимают одинаковые мешки на пятый этаж, один за минуту, другой за три. Работа у них одна и та же, мощность первого втрое больше. Так же стиральная машина с нагревателем 2500 Вт греет воду быстрее, чем машина на 1800 Вт, а энергии на нагрев тратит столько же.

P = U × I = I² × R = U² / R

По мощности выбирают кабель и автомат: сначала переводят её в ток, потом берут сечение и номинал под этот ток. Как перевести ватты в амперы для однофазной и трёхфазной сети, показывает калькулятор тока по мощности.

КПД и потери

Ни одно устройство не превращает всю энергию в полезную работу. Провода и обмотки греются от тока, сердечники трансформаторов и двигателей перемагничиваются, подшипники трутся. КПД показывает, какая доля энергии всё-таки стала полезной.

η = Pполезная / Pзатраченная × 100 %

КПД инвертора важен при расчёте резервного питания: чтобы отдать в розетку 900 Вт при КПД 90 %, инвертор берёт из аккумулятора 1000 Вт. Калькулятор аккумуляторов для инвертора учитывает это.

Активная, реактивная и полная мощность

В нагревателе ток и напряжение меняются синхронно, и вся мощность активная: она греет, светит, крутит вал. В двигателе и трансформаторе есть обмотки с индуктивностью, и ток отстаёт от напряжения. Часть энергии каждые полпериода уходит в магнитное поле и возвращается обратно в сеть. Эта часть — реактивная мощность, работы она не совершает, но провода по-прежнему греет.

Полная мощность     S = U × I, ВА
Активная            P = S × cos φ, Вт
Реактивная          Q = S × sin φ, вар
Связь между ними    S² = P² + Q²

Поэтому стабилизаторы, генераторы, ИБП и инверторы подбирают по полной мощности в вольт-амперах. Насос 500 Вт с cos φ 0,8 нагружает сеть на 625 ВА, и ток у него на четверть больше, чем у нагревателя той же мощности.

Частые вопросы