Пределы мощности и рейтинги оборудования

Введение

Наибольшая допустимая входная мощность, проходящая через электрическое или механическое оборудование. Система оценки, используемая в спорте.

В электротехнике и машиностроении номинальная мощность оборудования – это максимальная входная мощность, которую допускается пропускать через данное оборудование. В зависимости от конкретной области применения термин "мощность" может относиться к электрической или механической мощности. Номинальная мощность может включать в себя среднюю и максимальную мощность, которые могут изменяться в зависимости от типа оборудования и его назначения. Ограничения по номинальной мощности обычно устанавливаются производителями в качестве рекомендаций для защиты оборудования и упрощения проектирования более крупных систем, обеспечивая режим работы, при котором оборудование не будет повреждено, с учетом определенного запаса прочности.

Диссипационное оборудование

В оборудовании, которое в основном рассеивает электрическую энергию или преобразует ее в механическую, таком как резисторы и динамики, указанная номинальная мощность обычно является максимальной мощностью, которую оборудование может безопасно рассеять. Основной причиной этого ограничения является тепловыделение, хотя в некоторых электромеханических устройствах, особенно в динамиках, это необходимо для предотвращения механических повреждений. Если тепловыделение является ограничивающим фактором, расчет номинальной мощности выполняется легко. Сначала необходимо рассчитать количество тепла, которое устройство может безопасно рассеять, . Это зависит от максимальной допустимой рабочей температуры, температуры окружающей среды или диапазона температур, в котором устройство будет эксплуатироваться, и способа охлаждения. Если – максимальная допустимая рабочая температура устройства, – температура окружающей среды, а – общее тепловое сопротивление между устройством и окружающей средой, то максимальное тепловыделение определяется как:

Если вся мощность, потребляемая устройством, рассеивается в виде тепла, то это значение и является его номинальной мощностью.

Механическое оборудование

Оборудование обычно оценивается по мощности, которую оно способно выдавать, например, на валу электрического или гидравлического двигателя. Потребляемая мощность оборудования будет выше из-за того, что КПД устройства не достигает 100%. КПД устройства часто определяется как отношение выходной мощности к сумме выходной мощности и потерь. В некоторых типах оборудования возможно непосредственное измерение или расчет потерь. Это позволяет рассчитывать КПД с большей точностью, чем при делении выходной мощности на потребляемую, поскольку даже небольшая погрешность измерения существенно повлияет на полученное значение КПД.

Оборудование для преобразования энергии

В устройствах, которые в основном преобразуют электрическую энергию из одной формы в другую, например, трансформаторы, или транспортируют её от одного места к другому, например, линии электропередач, номинальная мощность почти всегда относится к максимальному потоку мощности через устройство, а не к потерям внутри него. Обычно ограничение обусловлено тепловыделением, и максимальное тепловыделение рассчитывается, как указано выше. Номинальная мощность обычно указывается в ваттах для активной мощности и вольт-амперах для полной мощности, хотя для устройств, предназначенных для использования в крупных энергосистемах, оба значения могут быть приведены в относительных единицах. Кабели обычно характеризуются максимальным напряжением и допустимым током. Поскольку номинальная мощность зависит от метода охлаждения, для воздушного, водяного и других видов охлаждения могут быть указаны разные номинальные мощности. Для таких устройств пиковая номинальная мощность обычно определяет энергетику низких частот или импульсов, а средняя номинальная мощность ограничивает работу на высоких частотах. В судоходстве суда обычно работают на номинальной непрерывной мощности (NCR), которая составляет 85% от 90% максимальной непрерывной мощности (MCR). 90% MCR обычно является договорной выходной мощностью, для которой спроектирован пропеллер. Таким образом, обычная выходная мощность, при которой эксплуатируются суда, составляет примерно 75–77% от MCR.

Другие определения

В некоторых областях техники используется даже более сложный набор характеристик мощности. Например, авиационные двигатели вертолетов имеют номинальную мощность для непрерывной работы (без временных ограничений), номинальную мощность для взлета и висения (определяемую как от получаса до одного часа работы), максимальную аварийную мощность (которая может поддерживаться в течение двух-трех минут) и аварийную мощность (на полминуты). Для электродвигателей аналогичную информацию передает сервисный фактор – множитель, который при умножении на номинальную выходную мощность определяет уровень мощности, который двигатель может выдерживать в течение коротких периодов времени. Сервисный фактор обычно находится в диапазоне 1,15–1,4, при этом для двигателей большей мощности он ниже. За каждый час работы на мощности, скорректированной с учетом сервисного фактора, двигатель теряет от двух до трех часов срока службы при номинальной мощности, то есть его ресурс сокращается более чем вдвое при продолжительной работе на этом уровне. Сервисный фактор определяется в стандарте ANSI/NEMA MG 1 и обычно используется в Соединенных Штатах. Стандарта МЭК для сервисного фактора не существует. Превышение номинальной мощности устройства более чем на допустимый производителем запас обычно приводит к его повреждению из-за превышения безопасного уровня рабочей температуры. В полупроводниках необратимые повреждения могут произойти очень быстро. Кратковременное превышение номинальной мощности большинства устройств обычно не наносит вреда, хотя регулярное превышение может со временем привести к кумулятивному повреждению. Характеристики мощности электрического оборудования и линий электропередачи зависят от продолжительности предполагаемой нагрузки и температуры окружающей среды; например, линия электропередачи или трансформатор могут выдерживать значительно большую нагрузку в холодную погоду, чем в жаркую. Кратковременные перегрузки, вызывающие повышение температуры и ухудшение изоляции, в аварийных ситуациях могут считаться допустимым компромиссом. Характеристики мощности коммутационных устройств зависят как от напряжения цепи, так и от тока. В некоторых аэрокосмических или военных применениях устройство может иметь значительно более высокие характеристики, чем допустимо для устройств, предназначенных для длительной эксплуатации.

In some fields of engineering, even a more complex set of power ratings is used. For example, helicopter engines are rated for continuous power (which does not have a time constraint), takeoff and hover power rating (defined as half to one hour operation), maximum contingency power (which can be sustained for two three minutes), and emergency (half a minute) power rating. For electrical motors, a similar kind of information is conveyed by the service factor, which is a multiplier that, when applied to the rated output power, gives the power level a motor can sustain for shorter periods of time. The service factor is typically in the 1.15 1.4 range, with the figure being lower for higher power motors. For every hour of operation at the service factor adjusted power rating, a motor loses two to three hours of life at nominal power, i. e. its service life is reduced to less than half for continued operation at this level. The service factor is defined in the ANSI/NEMA MG 1 standard, and is generally used in the United States. There is no IEC standard for the service factor. Exceeding the power rating of a device by more than the margin of safety set by the manufacturer usually does damage to the device by causing its operating temperature to exceed safe levels. In semiconductors, irreparable damage can occur very quickly. Exceeding the power rating of most devices for a very short period of time is not harmful, although doing so regularly can sometimes cause cumulative damage. Power ratings for electrical apparatus and transmission lines are a function of the duration of the proposed load and the ambient temperature; a transmission line or transformer, for example, can carry significantly more load in cold weather than in hot weather. Momentary overloads, causing high temperatures and deterioration of insulation, may be considered an acceptable trade off in emergency situations. The power rating of switching devices varies depending on the circuit voltage as well as the current. In certain aerospace or military applications, a device may carry a much higher rating than would be accepted in devices intended to operate for long service life.

Усилители звука

Обычно номинальная мощность аудиоусилителя определяется путем подачи сигнала на испытуемое устройство до появления клиппирования, до заранее установленного уровня искажений, который варьируется в зависимости от производителя или модельного ряда. Доведение усилителя до 1% искажений даст более высокую оценку мощности, чем доведение до 0,01% искажений. Аналогично, тестирование усилителя на одной частоте в среднем диапазоне или тестирование только одного канала двухканального усилителя приведет к более высокой оценке, чем тестирование по всему заявленному частотному диапазону с использованием обоих каналов. Производители могут использовать эти методы для продвижения усилителей, заявленная максимальная мощность которых включает определенную степень клиппирования, чтобы показать более высокие цифры. Например, Федеральная торговая комиссия (FTC) разработала систему оценки усилителей, в которой устройство тестируется с использованием обоих каналов во всем заявленном частотном диапазоне, при уровне искажений, не превышающем указанного в спецификациях. Однако система оценки Ассоциации электронной промышленности (EIA) определяет мощность усилителя путем измерения одного канала на частоте 1000 Гц при 1% искажений – что эквивалентно 1% клиппирования. Использование метода EIA дает оценку мощности на 10–20% выше, чем при использовании метода FTC.

Фотоэлектрические модули

Номинальная мощность фотоэлектрического модуля определяется измерением тока и напряжения при изменении сопротивления при заданном освещении. Условия определены в стандартах, таких как IEC 61215, IEC 61646 и UL 1703; в частности, интенсивность света составляет 1000 Вт/м², спектр соответствует солнечному излучению, достигающему поверхности Земли на 35° северной широты летом (воздушная масса 1,5), а температура элементов – 25 °C. Мощность измеряется при изменении сопротивления нагрузки на модуле от разомкнутой до замкнутой цепи. Максимальная измеренная мощность является номинальной мощностью модуля в ваттах. В обиходе это также обозначается как "Wp"; данное обозначение не является стандартным, так как предполагает добавление суффиксов к стандартным единицам измерения. Номинальная мощность, деленная на мощность светового потока, падающего на модуль (площадь, умноженная на 1000 Вт/м²), определяет эффективность.