Podczas podłączania urządzeń elektrycznych do sieci elektrycznej zwykle liczy się tylko moc i wydajność samego urządzenia elektrycznego. Jednak w przypadku korzystania ze źródła prądu w obwodzie zamkniętym ważna jest wytwarzana przez nie użyteczna moc. Źródłem może być generator, akumulator, bateria lub elementy elektrowni słonecznej. Nie ma to zasadniczego znaczenia dla obliczeń.

Parametry zasilania

Podczas podłączania urządzeń elektrycznych do źródła zasilania i tworzenia obwodu zamkniętego, oprócz energii P zużywanej przez obciążenie, brane są pod uwagę następujące parametry:

• Obrabować. (całkowita moc źródła prądu) uwalniana we wszystkich sekcjach obwodu;
• Pole elektromagnetyczne to napięcie generowane przez akumulator;
• P (moc netto) pobierana przez wszystkie odcinki sieci, z wyjątkiem źródła bieżącego;
• Po (moc stratna) zużyta wewnątrz akumulatora lub generatora;
• rezystancja wewnętrzna akumulatora;
• Sprawność zasilacza.

Uwaga! Nie należy mylić wydajności źródła i obciążenia. Jeśli współczynnik baterii w urządzeniu elektrycznym jest wysoki, może być niski z powodu strat w przewodach lub samym urządzeniu i odwrotnie.

Więcej na ten temat.

Całkowita energia obwodu

Kiedy prąd elektryczny przepływa przez obwód, wytwarzane jest ciepło lub wykonywana jest inna praca. Bateria lub generator nie są wyjątkiem. Energię uwolnioną na wszystkich elementach, w tym na przewodach, nazywa się całkowitą. Oblicza się go ze wzoru Rob.=Ro.+Rpol., gdzie:

• Obrabować. - pełna moc;
• Ro. – straty wewnętrzne;
• Rpol. – moc użyteczna.

Uwaga! Pojęcie mocy pozornej stosuje się nie tylko w obliczeniach całego obwodu, ale także w obliczeniach silników elektrycznych i innych urządzeń, które wraz z energią czynną zużywają energię bierną.

Pole elektromagnetyczne, czyli siła elektromotoryczna, to napięcie generowane przez źródło. Można go mierzyć tylko w trybie X.X. (bezczynny ruch). Kiedy obciążenie jest podłączone i pojawia się prąd, Uo jest odejmowane od wartości pola elektromagnetycznego. – zanik napięcia wewnątrz urządzenia zasilającego.

Moc netto

Przydatna jest energia uwalniana w całym obwodzie, z wyjątkiem zasilania. Oblicza się go według wzoru:

1. „U” – napięcie na zaciskach,
2. „I” – prąd w obwodzie.

W sytuacji, gdy rezystancja obciążenia jest równa rezystancji źródła prądu, jest ona maksymalna i równa 50% wartości pełnej.

Wraz ze spadkiem rezystancji obciążenia prąd w obwodzie rośnie wraz ze stratami wewnętrznymi, a napięcie nadal spada, a gdy osiągnie zero, prąd będzie maksymalny i ograniczony tylko przez Ro. To jest tryb K.Z. - zwarcie. W tym przypadku energia strat jest równa sumie.

Wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia spada prąd i straty wewnętrzne, a napięcie rośnie. Po osiągnięciu nieskończenie dużej wartości (przerwa w sieci) i I=0 napięcie będzie równe SEM. To jest tryb X..X. - bezczynny ruch.

Straty wewnątrz zasilacza

Baterie, generatory i inne urządzenia mają opór wewnętrzny. Kiedy przepływa przez nie prąd, uwalniana jest energia strat. Oblicza się go za pomocą wzoru:

gdzie „U®” to spadek napięcia wewnątrz urządzenia lub różnica pomiędzy polem elektromagnetycznym a napięciem wyjściowym.

Wewnętrzna rezystancja zasilania

Aby obliczyć straty Ro. musisz znać rezystancję wewnętrzną urządzenia. Jest to rezystancja uzwojeń generatora, elektrolitu w akumulatorze lub z innych powodów. Nie zawsze da się to zmierzyć multimetrem. Musimy zastosować metody pośrednie:

• gdy urządzenie jest włączone w trybie bezczynności, mierzone jest E (EMF);
• po podłączeniu obciążenia określa się Uout. (napięcie wyjściowe) i prąd I;
• Obliczany jest spadek napięcia wewnątrz urządzenia:

• obliczany jest opór wewnętrzny:

Energia użyteczna P i wydajność

W zależności od konkretnych zadań wymagana jest maksymalna moc użyteczna P lub maksymalna wydajność. Warunki tego nie są zgodne:

• P jest maksymalne przy R=Ro, przy wydajności = 50%;
• Sprawność wynosi 100% w trybie H.H., przy P = 0.

Uzyskanie maksymalnej energii na wyjściu urządzenia zasilającego

Maksymalne P osiąga się pod warunkiem, że rezystancje R (obciążenie) i Ro (źródło prądu) są równe. W tym przypadku wydajność = 50%. Jest to tryb „dopasowanego obciążenia”.

Poza tym możliwe są dwie opcje:

• Rezystancja R spada, prąd w obwodzie wzrasta, a straty napięcia Uo i Po wewnątrz urządzenia rosną. W trybie zwarcia (zwarcie) rezystancja obciążenia wynosi „0”, I i Po są maksymalne, a sprawność również wynosi 0%. Ten tryb jest niebezpieczny dla akumulatorów i generatorów, dlatego nie jest używany. Wyjątkiem są praktycznie nieużywane generatory spawalnicze i akumulatory samochodowe, które podczas uruchamiania silnika i włączania rozrusznika działają w trybie bliskim „zwarcia”;
• Rezystancja obciążenia jest większa niż rezystancja wewnętrzna. W tym przypadku prąd obciążenia i moc P spadają, a przy nieskończenie dużej rezystancji są równe „0”. To jest tryb X.H. (bezczynny ruch). Straty wewnętrzne w trybie bliskiego CO są bardzo małe, a sprawność jest bliska 100%.

W rezultacie „P” jest maksymalne, gdy rezystancja wewnętrzna i zewnętrzna są równe, a w innych przypadkach jest minimalne ze względu na duże straty wewnętrzne podczas zwarcia i niski prąd w trybie zimnym.

Tryb maksymalnej mocy netto przy sprawności 50% jest stosowany w elektronice przy niskich prądach. Na przykład w aparacie telefonicznym Pout. mikrofon - 2 miliwatów i ważne jest, aby przenieść go do sieci w jak największym stopniu, poświęcając jednocześnie wydajność.

Osiągnięcie maksymalnej wydajności

Maksymalną wydajność osiąga się w trybie H.H. ze względu na brak strat mocy wewnątrz źródła napięcia Po. Wraz ze wzrostem prądu obciążenia wydajność maleje liniowo w trybie zwarciowym. jest równa „0”. Tryb maksymalnej sprawności stosowany jest w generatorach elektrowniowych, gdzie nie można zastosować dopasowanego obciążenia, maksymalnego użytecznego Po i sprawności 50% ze względu na duże straty, stanowiące połowę całkowitej energii.

Wydajność obciążenia

Sprawność urządzeń elektrycznych nie zależy od baterii i nigdy nie osiąga 100%. Wyjątkiem są klimatyzatory i lodówki, które działają na zasadzie pompy ciepła: chłodzenie jednego grzejnika następuje poprzez ogrzewanie drugiego. Jeśli nie weźmiesz tego punktu pod uwagę, wydajność przekroczy 100%.

Energia jest wydawana nie tylko na wykonywanie użytecznej pracy, ale także na przewody grzewcze, tarcie i inne rodzaje strat. W lampach oprócz wydajności samej lampy należy zwrócić uwagę na konstrukcję odbłyśnika, w nagrzewnicach powietrza - na efektywność ogrzewania pomieszczenia, a w silnikach elektrycznych - na cos φ.

Do wykonania obliczeń konieczna jest znajomość mocy użytecznej elementu zasilającego. Bez tego niemożliwe jest osiągnięcie maksymalnej wydajności całego systemu.

Wideo

Rozważmy zamknięty, nierozgałęziony obwód składający się ze źródła prądu i rezystora.

Zastosujmy prawo zachowania energii do całego obwodu:

.

Ponieważ , a dla obwodu zamkniętego punkty 1 i 2 pokrywają się, moc sił elektrycznych w obwodzie zamkniętym wynosi zero. Jest to równoznaczne ze stwierdzeniem o potencjalności pola elektrycznego prądu stałego, o którym już wspomniano.

Więc w W obwodzie zamkniętym całe ciepło jest uwalniane w wyniku działania sił zewnętrznych:, lub , i ponownie dochodzimy do prawa Ohma, teraz dla obwodu zamkniętego: .

Pełna moc obwód nazywany jest mocą sił zewnętrznych, jest również równy całkowitej mocy cieplnej:

Użyteczne nazywamy moc cieplną uwalnianą w obwodzie zewnętrznym (niezależnie od tego, czy w tym konkretnym przypadku jest ona przydatna, czy szkodliwa):

(3).

Rola sił elektrycznych w obwodzie. W obwodzie zewnętrznym, na obciążeniu R, siły elektryczne wykonują pracę dodatnią, a przemieszczając ładunek wewnątrz źródła prądu, wykonują pracę ujemną o tej samej wartości. W obwodzie zewnętrznym ciepło jest uwalniane w wyniku działania pola elektrycznego. Praca wykonana w obwodzie zewnętrznym jest „oddawana” przez pole elektryczne wewnątrz źródła prądu. W rezultacie całe ciepło w obwodzie jest „opłacane” pracą sił zewnętrznych: źródło prądu stopniowo traci zgromadzoną w nim energię chemiczną (lub inną) energię. Pole elektryczne pełni rolę „kuriera”, dostarczając energię do obwodu zewnętrznego.

Zależność mocy całkowitej, użytecznej i sprawności od rezystancji obciążenia R .

Zależności te wynikają ze wzorów (1 – 2) i prawa Ohma dla całego łańcucha:

. (4)

. (5)

Wykresy tych zależności można zobaczyć na rysunku.

Całkowita moc maleje monotonicznie wraz ze wzrostem , ponieważ prąd w obwodzie maleje. Maksymalna moc pozorna jest wydawany o godz., tj. Na zwarcie. Źródło prądowe wykonuje maksymalną pracę w jednostce czasu, ale cała praca jest przeznaczona na ogrzewanie samego źródła. Maksymalna moc pozorna wynosi

.

Moc użyteczna ma maksimum w (co można sprawdzić, biorąc pochodną funkcji (5) i przyrównując ją do zera). Podstawiając do wyrażenia (5), znajdujemy maksymalną użyteczną moc:

.

Podczas podłączania urządzeń elektrycznych do sieci elektrycznej zwykle liczy się tylko moc i wydajność samego urządzenia elektrycznego. Jednak w przypadku korzystania ze źródła prądu w obwodzie zamkniętym ważna jest wytwarzana przez nie użyteczna moc. Źródłem może być generator, akumulator, bateria lub elementy elektrowni słonecznej. Nie ma to zasadniczego znaczenia dla obliczeń.

Parametry zasilania

Podczas podłączania urządzeń elektrycznych do źródła zasilania i tworzenia obwodu zamkniętego, oprócz energii P zużywanej przez obciążenie, brane są pod uwagę następujące parametry:

• Obrabować. (całkowita moc źródła prądu) uwalniana we wszystkich sekcjach obwodu;
• Pole elektromagnetyczne to napięcie generowane przez akumulator;
• P (moc netto) pobierana przez wszystkie odcinki sieci, z wyjątkiem źródła bieżącego;
• Po (moc stratna) zużyta wewnątrz akumulatora lub generatora;
• rezystancja wewnętrzna akumulatora;
• Sprawność zasilacza.

Uwaga! Nie należy mylić wydajności źródła i obciążenia. Jeśli współczynnik baterii w urządzeniu elektrycznym jest wysoki, może być niski z powodu strat w przewodach lub samym urządzeniu i odwrotnie.

Więcej na ten temat.

Całkowita energia obwodu

Kiedy prąd elektryczny przepływa przez obwód, wytwarzane jest ciepło lub wykonywana jest inna praca. Bateria lub generator nie są wyjątkiem. Energię uwolnioną na wszystkich elementach, w tym na przewodach, nazywa się całkowitą. Oblicza się go ze wzoru Rob.=Ro.+Rpol., gdzie:

• Obrabować. - pełna moc;
• Ro. – straty wewnętrzne;
• Rpol. – moc użyteczna.

Uwaga! Pojęcie mocy pozornej stosuje się nie tylko w obliczeniach całego obwodu, ale także w obliczeniach silników elektrycznych i innych urządzeń, które wraz z energią czynną zużywają energię bierną.

Pole elektromagnetyczne, czyli siła elektromotoryczna, to napięcie generowane przez źródło. Można go mierzyć tylko w trybie X.X. (bezczynny ruch). Kiedy obciążenie jest podłączone i pojawia się prąd, Uo jest odejmowane od wartości pola elektromagnetycznego. – zanik napięcia wewnątrz urządzenia zasilającego.

Moc netto

Przydatna jest energia uwalniana w całym obwodzie, z wyjątkiem zasilania. Oblicza się go według wzoru:

1. „U” – napięcie na zaciskach,
2. „I” – prąd w obwodzie.

W sytuacji, gdy rezystancja obciążenia jest równa rezystancji źródła prądu, jest ona maksymalna i równa 50% wartości pełnej.

Wraz ze spadkiem rezystancji obciążenia prąd w obwodzie rośnie wraz ze stratami wewnętrznymi, a napięcie nadal spada, a gdy osiągnie zero, prąd będzie maksymalny i ograniczony tylko przez Ro. To jest tryb K.Z. - zwarcie. W tym przypadku energia strat jest równa sumie.

Wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia spada prąd i straty wewnętrzne, a napięcie rośnie. Po osiągnięciu nieskończenie dużej wartości (przerwa w sieci) i I=0 napięcie będzie równe SEM. To jest tryb X..X. - bezczynny ruch.

Straty wewnątrz zasilacza

Baterie, generatory i inne urządzenia mają opór wewnętrzny. Kiedy przepływa przez nie prąd, uwalniana jest energia strat. Oblicza się go za pomocą wzoru:

gdzie „U®” to spadek napięcia wewnątrz urządzenia lub różnica pomiędzy polem elektromagnetycznym a napięciem wyjściowym.

Wewnętrzna rezystancja zasilania

Aby obliczyć straty Ro. musisz znać rezystancję wewnętrzną urządzenia. Jest to rezystancja uzwojeń generatora, elektrolitu w akumulatorze lub z innych powodów. Nie zawsze da się to zmierzyć multimetrem. Musimy zastosować metody pośrednie:

• gdy urządzenie jest włączone w trybie bezczynności, mierzone jest E (EMF);
• po podłączeniu obciążenia określa się Uout. (napięcie wyjściowe) i prąd I;
• Obliczany jest spadek napięcia wewnątrz urządzenia:

• obliczany jest opór wewnętrzny:

Energia użyteczna P i wydajność

W zależności od konkretnych zadań wymagana jest maksymalna moc użyteczna P lub maksymalna wydajność. Warunki tego nie są zgodne:

• P jest maksymalne przy R=Ro, przy wydajności = 50%;
• Sprawność wynosi 100% w trybie H.H., przy P = 0.

Uzyskanie maksymalnej energii na wyjściu urządzenia zasilającego

Maksymalne P osiąga się pod warunkiem, że rezystancje R (obciążenie) i Ro (źródło prądu) są równe. W tym przypadku wydajność = 50%. Jest to tryb „dopasowanego obciążenia”.

Poza tym możliwe są dwie opcje:

• Rezystancja R spada, prąd w obwodzie wzrasta, a straty napięcia Uo i Po wewnątrz urządzenia rosną. W trybie zwarcia (zwarcie) rezystancja obciążenia wynosi „0”, I i Po są maksymalne, a sprawność również wynosi 0%. Ten tryb jest niebezpieczny dla akumulatorów i generatorów, dlatego nie jest używany. Wyjątkiem są praktycznie nieużywane generatory spawalnicze i akumulatory samochodowe, które podczas uruchamiania silnika i włączania rozrusznika działają w trybie bliskim „zwarcia”;
• Rezystancja obciążenia jest większa niż rezystancja wewnętrzna. W tym przypadku prąd obciążenia i moc P spadają, a przy nieskończenie dużej rezystancji są równe „0”. To jest tryb X.H. (bezczynny ruch). Straty wewnętrzne w trybie bliskiego CO są bardzo małe, a sprawność jest bliska 100%.

W rezultacie „P” jest maksymalne, gdy rezystancja wewnętrzna i zewnętrzna są równe, a w innych przypadkach jest minimalne ze względu na duże straty wewnętrzne podczas zwarcia i niski prąd w trybie zimnym.

Tryb maksymalnej mocy netto przy sprawności 50% jest stosowany w elektronice przy niskich prądach. Na przykład w aparacie telefonicznym Pout. mikrofon - 2 miliwatów i ważne jest, aby przenieść go do sieci w jak największym stopniu, poświęcając jednocześnie wydajność.

Osiągnięcie maksymalnej wydajności

Maksymalną wydajność osiąga się w trybie H.H. ze względu na brak strat mocy wewnątrz źródła napięcia Po. Wraz ze wzrostem prądu obciążenia wydajność maleje liniowo w trybie zwarciowym. jest równa „0”. Tryb maksymalnej sprawności stosowany jest w generatorach elektrowniowych, gdzie nie można zastosować dopasowanego obciążenia, maksymalnego użytecznego Po i sprawności 50% ze względu na duże straty, stanowiące połowę całkowitej energii.

Wydajność obciążenia

Sprawność urządzeń elektrycznych nie zależy od baterii i nigdy nie osiąga 100%. Wyjątkiem są klimatyzatory i lodówki, które działają na zasadzie pompy ciepła: chłodzenie jednego grzejnika następuje poprzez ogrzewanie drugiego. Jeśli nie weźmiesz tego punktu pod uwagę, wydajność przekroczy 100%.

Energia jest wydawana nie tylko na wykonywanie użytecznej pracy, ale także na przewody grzewcze, tarcie i inne rodzaje strat. W lampach oprócz wydajności samej lampy należy zwrócić uwagę na konstrukcję odbłyśnika, w nagrzewnicach powietrza - na efektywność ogrzewania pomieszczenia, a w silnikach elektrycznych - na cos φ.

Do wykonania obliczeń konieczna jest znajomość mocy użytecznej elementu zasilającego. Bez tego niemożliwe jest osiągnięcie maksymalnej wydajności całego systemu.

Wideo

Nazywa się moc wytwarzaną przez źródło prądu w całym obwodzie pełna moc.

Jest to określone przez formułę

gdzie P obr to całkowita moc wytwarzana przez źródło prądu w całym obwodzie, W;

E-uh. ds. źródło, w;

I jest wielkością prądu w obwodzie, a.

Ogólnie rzecz biorąc, obwód elektryczny składa się z części zewnętrznej (obciążenia) z rezystancją R i część wewnętrzną z oporem R0(rezystancja źródła prądu).

Zastąpienie wartości e w wyrażeniu mocy całkowitej. ds. przez napięcia na odcinkach obwodu otrzymujemy

Ogrom Interfejs użytkownika odpowiada mocy wytwarzanej na zewnętrznej części obwodu (obciążeniu) i nazywa się użyteczna moc P piętro = interfejs użytkownika.

Ogrom Ty lub ja odpowiada mocy bezużytecznie wydanej wewnątrz źródła, nazywa się to utrata mocy PO =Ty lub ja.

Zatem moc całkowita jest równa sumie mocy użytecznej i mocy strat P ob =P piętro +P 0.

Stosunek mocy użytecznej do całkowitej mocy wytwarzanej przez źródło nazywany jest sprawnością, w skrócie sprawnością, i jest oznaczany przez η.

Z definicji wynika

W każdych warunkach wydajność η ≤ 1.

Jeśli wyrazimy moc w kategoriach prądu i rezystancji odcinków obwodu, otrzymamy

Zatem wydajność zależy od związku między oporem wewnętrznym źródła a oporem odbiornika.

Zazwyczaj sprawność elektryczną wyraża się w procentach.

W praktyce elektrotechniki szczególnie interesujące są dwa pytania:

1. Warunek uzyskania jak największej mocy użytecznej

2. Warunek uzyskania najwyższej sprawności.

Warunek uzyskania największej mocy użytecznej (moc w obciążeniu)

Prąd elektryczny rozwija największą moc użyteczną (moc przy obciążeniu), jeśli rezystancja obciążenia jest równa rezystancji źródła prądu.

Ta maksymalna moc jest równa połowie całkowitej mocy (50%) wytwarzanej przez źródło prądu w całym obwodzie.

Połowa mocy jest wytwarzana przy obciążeniu, a połowa przy rezystancji wewnętrznej źródła prądu.

Jeśli zmniejszymy rezystancję obciążenia, wówczas moc powstająca przy obciążeniu zmniejszy się, a moc wytworzona przy rezystancji wewnętrznej źródła prądu wzrośnie.

Jeśli rezystancja obciążenia wynosi zero, prąd w obwodzie będzie maksymalny tryb zwarciowy (zwarcie) . Prawie cała moc zostanie rozwinięta przy oporze wewnętrznym źródła prądu. Ten tryb jest niebezpieczny dla źródła prądu, a także dla całego obwodu.

Jeśli zwiększymy rezystancję obciążenia, prąd w obwodzie zmniejszy się, a moc obciążenia również zmniejszy się. Jeśli rezystancja obciążenia jest bardzo wysoka, w obwodzie nie będzie w ogóle prądu. Opór ten nazywany jest nieskończenie dużym. Jeśli obwód jest otwarty, jego rezystancja jest nieskończenie duża. Ten tryb nazywa się tryb czuwania.

Zatem w trybach bliskich zwarcia i bez obciążenia moc użyteczna jest niewielka w pierwszym przypadku ze względu na niskie napięcie, a w drugim z powodu niskiego prądu.

Warunek uzyskania najwyższej efektywności

Współczynnik sprawności (wydajność) wynosi 100% na biegu jałowym (w tym przypadku nie jest uwalniana żadna użyteczna moc, ale jednocześnie nie jest zużywana moc źródła).

Wraz ze wzrostem prądu obciążenia wydajność maleje zgodnie z prawem liniowym.

W trybie zwarciowym sprawność wynosi zero (nie ma mocy użytecznej, a moc wytworzona przez źródło jest w nim całkowicie zużywana).

Podsumowując powyższe, możemy wyciągnąć wnioski.

Warunek uzyskania maksymalnej mocy użytecznej (R = R 0) i warunek uzyskania maksymalnej sprawności (R = ∞) nie pokrywają się. Ponadto przy odbiorze maksymalnej mocy użytecznej ze źródła (tryb dopasowanego obciążenia) sprawność wynosi 50%, tj. połowa mocy wytwarzanej przez źródło jest w nim marnowana.

W instalacjach elektrycznych o dużej mocy tryb dopasowanego obciążenia jest niedopuszczalny, ponieważ powoduje to marnotrawstwo wydatkowania dużych mocy. Dlatego w przypadku stacji i podstacji elektrycznych tryby pracy generatorów, transformatorów i prostowników są obliczane tak, aby zapewnić wysoką sprawność (90% i więcej).

Inaczej jest w przypadku technologii słaboprądowej. Weźmy na przykład aparat telefoniczny. Podczas mówienia przed mikrofonem w obwodzie urządzenia powstaje sygnał elektryczny o mocy około 2 mW. Oczywiście, aby uzyskać jak największy zasięg komunikacji, konieczne jest przesłanie do linii jak największej mocy, a to wymaga skoordynowanego trybu przełączania obciążenia. Czy wydajność ma w tym przypadku znaczenie? Oczywiście, że nie, ponieważ straty energii oblicza się w ułamkach lub jednostkach miliwatów.

Tryb dopasowanego obciążenia jest stosowany w sprzęcie radiowym. W przypadku, gdy nie jest zapewniony tryb skoordynowany, gdy generator i obciążenie są bezpośrednio połączone, podejmowane są środki w celu dopasowania ich rezystancji.