Ох, эти непонятные кВт и кВА...

Многие до сих путаются в мощностях стабилизаторов: киловатты (кВт) и киловольт-амперы (кВА), как они связаны между собой, как понять сколько киловатт (кВт) выдаёт стабилизатор и прочие вопросы. Сейчас постараемся всё подробно объяснить. Но чтобы разобраться, придётся вспомнить некоторые основы электротехники.

Для начала следует разобраться с параметрами электрических цепей. Нас будут интересовать, в первую очередь, напряжение (обозначается U, измеряется в вольтах, В) и сила тока (обозначается I, измеряется в амперах, А). Чтобы наглядно представить себе эти параметры, можно сравнить электричество с водой, а электрическую цепь с трубопроводом. В таком сравнении напряжение будет давлением воды, а сила тока — скорость течения воды по трубам.

Важное замечание, трубопровод может находиться под давлением, но краны перекрыты, и вода по трубам не течёт. Таким образом, переходя к электричеству, есть напряжение, а тока нет — это случай, когда не включен ни один прибор. Как только мы включаем любой прибор (это аналогично открыванию вентилей в водопроводе), по цепи потечёт электрический ток.

Любой электроприбор обладает такой характеристикой, как сопротивление (обозначается R, измеряется в омах, Ом). Сопротивление прибора характеризует величину тока, который появится в сети после включения этого прибора. Если сопротивление прибора маленькое, то потечёт большой ток, если сопротивление большое — ток будет маленьким. В аналогии с водой прибор можно рассматривать как фильтр. Если это фильтр грубой очистки, то он практически не повлияет на скорость течения воды, его сопротивление низкое. А если это фильтр тонкой очистки, то он создаст серьёзное препятствие на пути воды, и скорость потока значительно снизится — его сопротивление большое.

Теперь потихоньку переходим к мощности. Как же всё-таки рассчитать мощность стабилизатора? Из курса физики ещё известно, что электрическая мощность определяется как произведение силы тока на напряжение: P = I×U. Поскольку U всегда должно быть 220 В, то именно ток фактически определяет мощность, а он, в свою очередь, определяется сопротивлением нагрузки.

И когда мы говорим о постоянном напряжении, всё достаточно банально. Например, напряжение в цепи 12 В; подключили какой-то прибор и измерили ситу тока в цепи — получилось 3, А, значит мощность равна 12 вольт×3 ампера = 36 Вт (ватт).

Но напряжение в наших розетках переменное, с частотой 50 Гц (50 раз в секунду) оно по синусоиде меняет свое значение с + на — и наоборот. И мощность, как произведение тока и напряжения, надо рассматривать уже более детально:

Здесь синяя линия — напряжение, ток — красная линия, меняется синхронно с напряжением. Их произведение, мощность, обозначена чёрной линией (как помним, минус на минус даёт плюс, и даже когда напряжение и ток имеют отрицательные значения, мощность остаётся положительной).

Это случай, когда подключена чисто активная нагрузка, которая не создаёт задержки тока, и ток меняется синхронно с изменением напряжения. В этом случае формула P = I × U остаётся верна, и произведение тока на напряжение будет давать ватты (Вт).

Но, как известно, существуют элементы, которые задерживают ток — это, в первую очередь, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы. Эти элементы есть почти в любом приборе. И вот что происходит, если эти элементы задерживают ток:

Как видим, ток (красная линия) смещён относительно напряжения (синяя линия), и в некоторые моменты мощность (чёрная линия) становится отрицательной.

Физически это означает, что в эти моменты времени мы не потребляем мощность, а наоборот, выбрасываем её назад в электросеть!

Получается, что ток остался таким же, что в предыдущем случае, а потребили мы меньше мощности, часть выбросив назад в электросеть. А коль ток остался таким же, то электросчетчик накрутил нам столько-же, провода так же нагрелись, а мощности потребили меньше.

Вот теперь формула P = I × U перестала нам давать ватты (Вт). Поскольку ватты — это именно та мощность, которую мы потребили, а, коль скоро, часть мощности мы выбросили назад, то потребили мы меньше, чем развили. Другими словами, развиваем мы полную мощность, а используем её не всю.

Выходит, что у любого прибора в цепи переменного напряжения есть не один параметр мощности, а два: полная (развиваемая) мощность, и потребляемая (активная) мощность.

Полная мощность вычисляется по старой формуле P = I × U, но она уже не даёт Ватты, а она даёт Вольт-Амперы (произведение вольт на амперы). А вот чтобы вычислить ватты (мощность со знаком +, потребляемую мощность), нужно вспомнить тригонометрию. Если ток смещён относительно напряжения на угол fi, то мощность со знаком + (активную, потребляемую мощность) можно вычислить по формуле Pа = I × U × Cos(fi) — именно она измеряется в Ваттах (Вт). Выбрасываемая назад мощность вычисляется по формуле Pр = I × U / Cos(fi) — измеряется в ВАРах (вольт-ампер-реактивных) и называется реактивной мощностью.

Параметр Cos(fi) принято называть коэффициентом реактивной мощности или просто коэффициентом мощности.

Вот типичные значения коэффициента мощности разных приборов:
Обогреватели, лампочки накаливания — 1,0;
Телевизор — 0,9…0,95;
Микроволновка — 0,8;
Электродвигатель (насос, циркулярка, компрессор холодильника) — 0,7.

Теперь небольшой пример. Для ограничения мощности подключения используются автоматы защиты, которые отключаются при достижении током порогового значения. Пусть какая-то вымышленная дача подключена автоматом на 40, А:

Сколько обогревателей мощностью 1 кВт можно подключить к этой электросети? А сколько насосов аналогичной мощности?

Считаем. Цепь с напряжением 220 В. Полная мощность, которую можно развить в этой цепи до срабатывания автомата защиты 40×220 = 8800 ВА.

Полная мощность обогревателя P = 1 кВт × Cos(fi), как помним, у обогревателя Cos(fi) = 1, а значит его полная мощность P = 1×1 = 1 кВА = 1000 ВА. И сможем включить мы в сеть таких обогревателей 8800 / 1000 = 8 штук.

А вот коэффициент мощности насоса уже 0,7, а значит его полная мощность P = 1 кВт / 0,7 = 1,428 кВА = 1428 ВА. И включить насосов в эту сеть мы сможем лишь 8800 / 1428 = 6 шт.

Вот такой парадокс получается, что вроде и приборы все на 1 кВт, но одних можно включить в сеть 8 штук, а вторых лишь 6 штук.

Теперь перейдём к стабилизаторам. Их мощность задаётся по величине полной мощности (активная + реактивная, кВА), а значит однозначного ответа на вопрос: «какова мощность этого стабилизатора напряжения в киловаттах (кВт, ну или в ваттах, Вт)?», нет и быть не может!

Как и в предыдущем примере, киловатты стабилизатора определяются исходя из коэффициента мощности подключенной к нему нагрузки. Если подключаем чисто активную нагрузку (Cos(fi) = 1), то его мощность в ВА равна мощности в Вт. А вот если нагрузка имеет коэффициент мощности менее 1 (Cos(fi) < 1), то и мощность стабилизатора в ваттах (Вт) будет меньше.

Но и это ещё не все. Как мы все знаем, в любой системе должен выполняться закон сохранения энергии. Стабилизатор не исключение. Количество энергии на входе стабилизатора должно быть равно количеству энергии на выходе. Количество энергии это мощность (полная) в единицу времени, т. е. I × U. Отсюда можно записать следующее равенство:

Iвх × Uвх = Iвых × Uвых

Теперь представим ситуацию. Человек получил разрешение на подключение своей дачи к электросети с мощностью отбора 9 киловатт (кВт). Электрики должны ограничить потребление. Мощность — величина вычисляемая, но не измеряемая, её ограничить нельзя. А значит будут ограничивать величину измеряемую — амперы! Электрики прикинули, что при Cos(fi) = 1, 9000 Вт — это 9000 ВА. А при напряжении 220 В 9000 ВА — это ток в 9000 / 220 = 40,9, А, и повесили ограничительный автомат в 40 А.

Но человек жалуется, что напряжение у него не 220 В, а лишь 150 В — насосы не тянут, лампы горят в полнакала, обогреватели еле греют. И принимает решение купить стабилизатор напряжения. Поскольку разрешенная мощность у него 9 кВт, то он берёт стабилизатор на 10 кВт (с запасом).

Стабилизатор должен выдать человеку 10 кВА? Почему же у него не работает всего 3 обогревателя по 2 кВт каждый? Ведь он купил стабилизатор на 10 кВт!

А давайте прикинем с точки зрения сохранения энергии. Максимум, на что человек может рассчитывать — это взять из электросети всего 40, А (ограничительный автомат). А напряжение там всего 150 В. А на выходе стабилизатор выдаёт 220 В. Давайте подставим эти данные в закон сохранения энергии:

40 А × 150 В = Iвых × 220 В

Отсюда, Iвых = 40×150 / 220 = 27, А при напряжении на выходе в 220 В. Если теперь посчитать мощность выхода на стабилизаторе, получим 220×27 = 5940 ВА. Грубо говоря, стабилизатор мощностью 10 кВА, выдаст всего 5,9 кВА!!!

А уж если подключать к нему насосы с коэффициентом мощности 0,7, то подключить к нему можно всего 4 насоса по 1 кВт!

Стабилизатор тут, конечно же, ни причём. Вся «соль» в том, что при разрешённой мощности в 9 кВт, реально забрать с линии можно лишь 150 В × 40, А = 6000 ВА (6 кВА). А стабилизатор лишь поднимает напряжение за счёт тока (уменьшая максимальную силу тока выхода).

Теперь вы должны понимать, что выходная мощность стабилизатора напряжения определяется типом нагрузки, подключенной к стабилизатору, входным напряжением и ограничением входного тока (автоматы).