Потребление на електрическа енергия (мощност): дефиниция, измерване и загуби

Потребление на електрическа енергия: дефиниция, измерване в W/kW, видове загуби и ефективност, практически съвети за намаляване на разходите и оптимизация на устройствата.

В електротехниката потреблението на електроенергия се отнася до електрическата енергия за единица време, която се използва за работа на нещо, например домашен уред. Потреблението на енергия обикновено се измерва в единици ват (W) или киловат (kW).

Енергията, използвана от оборудването, винаги е повече от реално необходимата. Това е така, защото никое оборудване не е 100% ефективно. Енергията се губи под формата на топлина, вибрации и/или електромагнитно излъчване. Например една електрическа крушка не само преобразува електрическата енергия в светлина, но и отделя известно количество топлина.

Дефиниция и основни единици

Мощност (P) е скоростта, с която се извършва работа или се преобразува енергия. Единицата в SI е ват (W). 1 W = 1 J/s (1 джаул в секунда). По-удобни за битови и индустриални приложения са киловат (kW = 1 000 W) и мегават (MW = 1 000 000 W).

Потребление на енергия за даден период обикновено се изразява в киловатчасове (kWh), което е енергията, консумирана при мощност 1 kW за 1 час. Киловатчасът е мерна единица, която се използва в сметките за ток.

Измерване на мощността и енергията

Някои общи формули за мощност в електрически вериги:

• P = V · I (за променлив и постоянен ток, където V е напрежение, I е ток)
• P = I² · R (загуби в резистивни елементи)
• P = V² / R (еквивалентна форма за резистивни елементи)

За измерване на мощността и консумацията се използват:

• Ватметри — измерват директно активната мощност.
• Енергомери (смарт и механични) — записват акумулираната енергия в kWh и се използват за фактуриране.
• Анализатори на мрежата — измерват напрежение, ток, хармоници, фактор на мощността и др.
• Амперметри и волтметри — дават моментни стойности на ток и напрежение; комбинирани с измерване на време позволяват изчисляване на енергия.

Видове мощност и фактор на мощността

В променлив ток съществуват различни понятия за мощност:

• Активна мощност (P) — действителната мощност, която се преобразува в работа или топлина (измерва се в W).
• Реактивна мощност (Q) — мощностът, който циклично обменят магнитни и електрически полета (измерва се в VAR). Тя не дава полезна работа, но влияе на токовете в мрежата.
• Видима (апаратна) мощност (S) — векторната сума на активната и реактивната мощност (измерва се в VA).

Фактор на мощността (cos φ) = P / S. Той показва колко добре се използва доставената електрическа енергия; при нисък фактор на мощността токът е по-голям за една и съща активна мощност, което увеличава загубите в проводниците.

Загуби и ефективност

Загубите на енергия могат да възникнат на различни нива:

• Резистивни загуби (I²R) — в проводници, намотки и резистивни елементи. Тези загуби се увеличават с тока и с дължината / сеченията на проводниците.
• Трансформаторни загуби — включват магнитни (хистерезисни) загуби в ядрото и вихрови токове (eddy currents), както и медни загуби в намотките.
• Загуби при преобразуване — инвертори, захранвания и електродвигатели имат загуби, свързани с преобразуването на енергията (топлина, звукови вибрации и електромагнитни смущения).
• Стойностни загуби и standby — уреди в режим на готовност (standby) продължават да консумират енергия, макар и малко, което натрупано води до допълнителна консумация.
• Транспортни загуби — дълги разстояния и неподходящо напрежение увеличават загубите; пренос на високо напрежение намалява относителните загуби.

Ефективност на устройство = (полезна изходна мощност / подадената входна мощност) · 100%. Колкото по-висока е ефективността, толкова по-малко енергия се губи.

Практически примери

• Една крушка 60 W, работеща 5 часа, ще изразходва 60 W × 5 h = 300 Wh = 0.3 kWh.
• Електродвигател с мощност 2 kW и КПД 85% изисква ~2.35 kW входна мощност; разликата 0.35 kW е загуба (освобождава се главно като топлина).

Как да намалим потреблението и загубите

• Използвайте по-енергийно ефективни уреди (например LED крушки вместо лампи с нажежаема жичка).
• Поддръжка и правилно подбиране на мощността на двигатели и трансформатори — работещи близо до оптималния си режим те са по-ефективни.
• Корекция на фактора на мощността (кондензатори, филтри) — намалява реактивните токове и общите загуби.
• Намаляване на дължини на кабели или увеличаване на сечението, когато е възможно, за по-малки резистивни загуби.
• Изключване на уреди в режим standby или използване на разклонители с бутон за изключване.
• Инсталиране на смарт метри и системи за управление на натоварването — оптимизиране спрямо пикове и евтини часове (тарифи)
• Изолация и топлинна ефективност на сгради — намаляване на нуждата от отопление/охлаждане.

Заключение

Потреблението на електрическа енергия и мощност са свързани, но различни понятия: мощността е моментната скорост на използване на енергия, докато енергията е натрупаното потребление във времето. Разбирането на измерванията, видовете мощност, източниците на загуби и методите за оптимизация позволява по-ефективно използване на електроенергията, намаляване на разходите и удължаване на експлоатацията на оборудването.

Търсене по буква