КПД источника тока: что это такое, от чего зависит, как найти, формула

Вопросы и ответы

 

Идеальная тепловая машина: цикл Карно

Пофантазируем еще немного: что это такое — идеальная тепловая машина. Кажется, это тот самый, где КПД 100%.

На самом деле понятие «идеальной тепловой машины» уже существует. Это тепловая машина, где в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом

А эффективность цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.

Эффективность цикла Карно

η = Театр — Tкулер / Театр *100%

η — КПД %

Театр — температура нагревателя Дж

Деревянный холодильник — температура холодильника Дж

Как устроена солнечная батарея

Все современные солнечные элементы работают благодаря открытию, сделанному физиком Александром Беккерелем в 1839 году, — самому принципу работы полупроводников.

Советуем прочитать подробную статью, если солнечная батарея — это что-то для вас до сих пор непонятное.

Если кремниевые фотоэлементы на верхней пластине нагреваются, атомы в кремниевом полупроводнике высвобождаются. Они пытаются поймать атомы на нижней пластине. В полном соответствии с законами физики электроны на нижней пластине должны вернуться в исходное состояние.

Эти электроны открываются в одну сторону — по проводам. Накопленная энергия передается батареям и возвращается обратно на верхнюю кремниевую пластину.

Контроль саморазряда

Каждая батарея неизбежно теряет свой заряд. Для проверки потребления ампер-часов на аккумуляторе необходимы расчеты. Во-первых, нужно рассчитать энергию, запасенную в станции на момент полного заряда. Вы должны сделать это сразу же после отключения аккумулятора от сети.

Потом нужно оставить где-то на месяц и потом повторить действия. Если сроки не терпят, можно просто подождать неделю и умножить результат на четыре. Нормальный расход для средней установки составляет одну десятую от полной мощности в неделю или четыре таких части в месяц.

Если энергия теряется слишком быстро, следует устранить причины неисправности. Это может быть связано с высокими значениями сопротивления. Для уменьшения сопротивления в сети необходимо заменить стальную пружину — держатель батареи.

Если вы зашунтируете элемент медным проводом, это должно изменить ситуацию. В противном случае придется задуматься о полной замене устройства на новое.

Срок годности

Никакая батарея не может работать вечно.

Кроме того, энергетический заряд аккумулятора теряется даже тогда, когда он неактивен, хранится в шкафу или ящике стола.

Поэтому срок службы батареи важен при покупке новой батареи.

Выбрав правильный ток батареи и НЕ глядя на срок годности, вы можете поплатиться за свою невнимательность.

возвращать просроченный аккумулятор, который стоит копейки, бессмысленно и глупо, а вот одеться и пойти в магазин за новым аккумулятором – обязательно.

Отсюда вывод:

Виды мощности постоянного тока

Микроконтроллер: определение, задачи, варианты, применение

Любая величина силы определяется работой, совершаемой в определенную единицу времени. Чаще всего это будет секунда. Означает величину, характеризующую, насколько быстро выполняется работа. В пересчете на электрическую мощность это потребление электроэнергии за одну секунду.

Токовая характеристика соответствует отношению его работы ко времени

Силовая работа – это процесс преобразования электричества в другую энергию (механическую, тепловую или световую). Именно по мощности, которая обозначается буквой «П» или «Вт», оценивают показатели электрического тока.

К вашему сведению! В общем случае ток постоянной величины не имеет активного и реактивного Р. Для этого типа сети характерна только мгновенная характеристика.

Мгновенная мощность

Если говорить о сетях переменного тока, то соответствующая величина в них, например, электрический ток или напряжение, регулярно меняет свои значения. Это напрямую влияет на другие параметры. При постоянном потоке зарядов все остается неизменным. Именно поэтому появляется понятие «мгновенная сила».

Силы в регулярной сети тока остаются неизменными и равны своим мгновенным значениям, взятым в произвольный момент времени. Такую характеристику можно рассчитать по мгновенным значениям. Для этого подойдет формула мощности постоянного тока в цепи: P=I*U.

Рассматриваемое значение можно найти из произведения электрического тока на напряжение

Если сеть пассивна и в ней соблюдается закон Ома, то справедливо равенство. При подключении источника ЭДС требуется другая формула: P = I * E, где E — электродвижущая сила.

Активная мощность

Активная мощность – это среднее значение мгновенного P за период. При активном P выходная мощность преобразуется в энергию любого вида (механическую, световую или тепловую). Такая передача электрического тока не может осуществляться в обратном направлении. Активный тип также измеряется в ваттах. 1 ватт равен 1 вольт умножить на 1 ампер.

Работа неразрывно связана с определением силовых характеристик

К вашему сведению! В бытовых и тем более промышленных масштабах единица ватт никогда не используется. Для этих целей используются показатели на порядок выше: мегаватты в киловатты.

Реактивная мощность

Характеристика реактивной мощности определяет нагрузку, создаваемую электрическими устройствами при определенных колебаниях энергии электромагнитного поля в сетях синусоидального тока с переменной частотой. Он равен произведению среднеквадратичных значений напряжения и тока, умноженных на синус угла, на который сдвигается фаза между ними. Реактивный параметр неразрывно связан с общим Р и активным параметром.

Все фундаментальные величины можно найти с помощью закона Ома

Если говорить о физическом смысле реактивности, то это вид энергии, которая перекачивается от источника к реактивным элементам приемника (конденсатору, обмотке генератора, индуктору и так далее), а затем возвращается к источнику в течение период свинга.

Полная мощность

Суммарный Р электрического тока есть величина, соответствующая произведению силы электрического тока на напряжение в цепи. Он неразрывно связан с активными и реактивными величинами и определяется следующим уравнением: , где Sos = полная мощность, а P и Q — его активные и реактивные свойства соответственно.

Суммарная мощность, которую можно представить в виде кружки пива

Проще говоря, активный P везде, где есть активная загрузка плана. Например, в нагревателях катушек, сопротивлении проводов и т д. Реактивный параметр характеризует реактивную нагрузку, присутствующую в индукторе или емкостных элементах.

Электрический ток

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро имеет положительный заряд, а электроны имеют отрицательный заряд. Ядро состоит из протонов, которые являются положительно заряженными частицами, и нейтронов, которые не имеют электрического заряда.

Электроны могут находиться на одной или нескольких орбитах, в зависимости от того, о каком веществе идет речь. Случайным образом некоторые из них могут покинуть дорожки и двигаться случайным образом. При наличии электрического поля их движение упорядочено, они перемещаются от отрицательного вывода к положительному. Это называется электрическим током.

Ток существует не только во внешней электрической цепи, но и внутри источника тока. Можно предположить, что электроны движутся по замкнутому кругу. Электрическое поле необходимо для перемещения частиц, но только часть работы называется полезной. Здесь имеется в виду тот, который способствует движению электронов во внешней цепи.

Работа электрического тока

Текущий источник питания вырабатывает электрическую энергию, которая в дальнейшем может быть преобразована в другие формы в зависимости от назначения электроприборов. Например, в обогревателе электрическая энергия преобразуется в тепловую, в электродвигателе — в механическую, а в электрической лампочке — в световую.

Работа измеряется в джоулях (Дж). Еще одним используемым значением является ватт-секунда (Вт*с). Обе эти величины равны. Очень распространенной единицей измерения является киловатт-час (кВтч), который эквивалентен 3 600 000 джоулей.

Если напряжение создается разностью потенциалов U и движется заряд q, то формула для проделанной работы выглядит следующим образом

Для проведения расчетов необходимо определить величины, входящие в формулу. Обычно разность потенциалов известна. Чтобы определить величину переданного заряда, нужна сила тока. Его необходимо умножить на продолжительность соответствующего периода времени:

Используя закон Ома, вы можете придать этому выражению другую форму. Как известно, U = I * R. Подставив это выражение в приведенную ранее формулу, получим:

Вы также можете использовать следующую формулу для определения работы:

Следует помнить, что движение электронов можно рассматривать как в отдельной цепи, так и во всей цепи, включая батарею. Это можно пояснить на следующем примере.

Пусть используется батарея с напряжением, например, 12 В. Она используется для питания лампочки в течение 1 часа. В приведенном примере сила тока равна 2,3 А. Чтобы узнать, какая работа была совершена при этом, достаточно воспользоваться формулой, приведенной на рисунке выше. Если подставить все известные значения и умножить их, то можно увидеть, что искомое значение равно 27,6 Вт*ч.

Этот результат можно выразить в джоулях по формуле единичного отношения: 27,6 Вт * час = 27,6 Вт * сек * 3600 = 99360 Вт * сек = 99360 Дж

Еще одной важной характеристикой является мощность. Она определяется как работа, совершаемая для перемещения электрических зарядов в единицу времени. Следует помнить, что считается не только полная, но и полезная мощность.

КПД, которым обладает источник тока

Иногда возникает необходимость рассмотреть, насколько эффективно может работать источник питания. Для этого нужно знать КПД источника тока. Он равен отношению полезности ко всей выполненной работе. Обычно выражается в процентах.

Полезной является работа, связанная с движением электрического заряда в цепи. Для его расчета необходимо знать напряжение между клеммами аккумулятора, силу тока и время, когда происходил процесс.

Вся совершаемая работа, обеспечивающая движение зарядов, включает в себя как совершенную в цепи, так и внутри источника. Определение полной работы источника проводят по формуле, аналогичной той, что используется для нахождения полезной работы электрического тока. Разница заключается в следующем:

  • Вместо разности потенциалов рассматривается ЭДС.
  • Новая формула считает сумму, которая состоит из сопротивления внешней цепи, а также внутреннего сопротивления источника.

В приведенной выше формуле используются обозначения:

  • Слева эффективность.
  • После первого знака равенства пишется отношение между полезной и полной работой по перемещению электрических зарядов.
  • После второго знака равенства это отношение между разностью потенциалов на клеммах источника и электродвижущей силой.
  • В правой части формулы находится частное сопротивления внешней цепи и полного сопротивления, представленного в формуле.

Эта формула позволяет легко определить величину, которая называется КПД источника постоянного тока. При расчете КПД также можно учитывать не отношение работы по перемещению зарядов, а отношение мощностей.

В этом изображении используются следующие обозначения:

  • Обозначения конкретного параметра указаны во внутреннем круге.
  • В секторах показаны формулы, с помощью которых это можно сделать.

Учитываются следующие величины:

  • V — напряжение.
  • П — мощность.
  • Я действующая сила.
  • R — сопротивление.

От чего зависит эффективность

Как было выяснено ранее, чем выше КПД, тем меньше внутреннее сопротивление источника. При этом также необходимо учитывать следующее:

  • Если сопротивление источника велико, в цепи будет протекать небольшой ток. В результате его полезная работа будет меньше.
  • При относительно большом сопротивлении основная часть энергии будет расходоваться на работу источника, что может вызвать его перегрев.

Принято считать, что оптимальным будет приблизительное равенство внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи.

Важно понимать, что в работе электроприборов эффективность можно рассматривать с разных точек зрения. Каждый электроприбор предназначен для выполнения определенных функций, и от того, как он их выполняет, зависит его эффективность.

Рассмотрим, например, лампочку накаливания. В нем электрическая энергия используется не только на обычное освещение, но и на такое, которое возникает в областях, не воспринимаемых человеческим глазом. Последнее является пустой тратой энергии в рабочем режиме. Таким образом, эффективность можно рассчитать в зависимости от того, что подлежит оценке.

Хотя речь идет об относительно высоком КПД, если рассматривать КПД источника тока, на полезные функции лампочки тратится не более 5% затрат энергии. Однако следует отметить, что анализ КПД источника в таких случаях является важной частью расчетов по определению КПД того или иного электротехнического устройства.

Следует также учитывать, что при высоком КПД, согласно приведенным здесь формулам, внутреннее сопротивление источника тока должно иметь минимальное значение. Но в результате будет получен большой ток, который спровоцирует преобразование части электрической энергии в тепловую. А это, в свою очередь, уменьшит количество работы по перемещению электрических зарядов.

Таким образом, можно отметить особенность КПД источника тока в движущихся электрических зарядах. Это важно для понимания того, что такое эффективность. Наибольшее значение не дает максимальной полезной мощности.

Получается, что если мы добьемся максимальной мощности во внешней цепи, то получим КПД всего 50%, то есть половина потребляемого источником тока используется бесполезно — превращается в тепло, нагревая источник тока. Источник тока может работать на максимальной мощности только в том случае, если его внутреннее сопротивление примерно равно сопротивлению нагрузки.

Читайте также: КПД солнечных панелей — самые эффективные фотоэлементы, расчет и схемы

Исследование мощности и КПД генератора тока

Напряженность электрического поля

Максимальный полезный Pmax и максимальный КПД max — несовместимые понятия. Невозможно добиться максимального КПД источника при максимальной мощности. Это связано с тем, что P, заданное двухполюсником, достигнет своего максимального значения только при согласовании сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления ИТ:

Р = р.

В этом случае КПД источника составит:

η = R/ R+r = r/ r+r = 1/2, что составляет всего 50%.

Для согласования двухполюсника и нагрузки используются электронные схемы или согласующие блоки для получения максимальной выходной мощности от источника.

Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей

Электродвигатели имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД), но все же это далеко не идеальные показатели, к которым продолжают стремиться конструкторы. Дело в том, что при работе силового агрегата происходит преобразование одного вида энергии в другой с выделением тепла и неизбежными потерями.

Рассеивание тепловой энергии может быть зафиксировано в разных частях двигателя любого типа. Потеря мощности в электродвигателях происходит в результате местных потерь в обмотке, в стальных деталях и при механической работе. Вносят, пусть и незначительно, дополнительные потери.

Магнитные потери мощности

При перемагничивании в магнитном поле сердечника якоря двигателя возникают магнитные потери. Их величина, состоящая из суммарных потерь вихревых токов и возникающих при перемагничивании, зависит от частоты перемагничивания, значений магнитной индукции тыла и якоря. Немалую роль играет толщина используемых листов электротехнической стали, качество изоляции.

Механические и электрические потери

Механические потери при работе электродвигателя, как и магнитные, относятся к числу постоянных. Они состоят из потерь на трение в подшипниках, трение щеток и вентиляцию двигателя. Минимизировать механические потери можно за счет использования современных материалов, эксплуатационные свойства которых улучшаются из года в год.

Напротив, электрические потери не являются постоянными и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. Чаще всего они возникают из-за нагревания кистей, щеточного контакта.

Коэффициент полезного действия (КПД) уменьшается от потерь в обмотке якоря и цепи возбуждения. Механические и электрические потери вносят основной вклад в изменение КПД двигателя.

Добавочные потери

Дополнительные потери мощности в электродвигателях складываются из потерь, возникающих в уравнительных соединениях, из-за потерь на неравномерность индукции в стали якоря при большой нагрузке. Вносят вклад в общую сумму дополнительных потерь вихревые токи, а также потери в полюсных наконечниках.

Точно определить все эти величины достаточно сложно, поэтому их сумма обычно равна в пределах 0,5-1%. Эти числа используются при расчете полных потерь для определения КПД электродвигателя.

КПД и его зависимость от нагрузки

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя – это отношение полезной мощности силового агрегата к потребляемой мощности. Этот показатель для двигателей мощностью до 100 кВт находится в пределах от 0,75 до 0,9, для более мощных силовых агрегатов КПД существенно выше: 0,9-0,97.

Определив суммарные потери мощности в электродвигателях, можно точно рассчитать КПД любого силового агрегата. Такой метод определения КПД называется косвенным и может применяться для машин разной мощности.

Для силовых агрегатов малой мощности часто применяют метод прямой нагрузки, заключающийся в измерении мощности, потребляемой двигателем. КПД электродвигателя не является постоянной величиной; он достигает своего максимума при нагрузках примерно 80% мощности.

Он достигает пикового значения быстро и безопасно, но после максимума начинает медленно снижаться. Это связано с увеличением электрических потерь при нагрузках более 80 % от номинальной мощности. Падение КПД невелико, что позволяет говорить о высоком КПД электродвигателей в широком диапазоне мощностей.

Мощность ИТ и внутреннее сопротивление

Можно собрать последовательную цепь, которая будет включать гальваническую двухполюсник и нагрузочный резистор. Двухполюсная цепь, имеющая внутреннее сопротивление r и ЭДС — E, подает ток I на внешнюю нагрузку R. Задача схемы подавать ток на активную нагрузку, совершающую полезную работу. В качестве нагрузки можно использовать лампочку или обогреватель.

Простая схема исследования зависимости Puseful от R

Рассматривая эту схему, можно определить зависимость полезной мощности от величины сопротивления. Сначала найдите R-эквивалент всей цепочки.

Это выглядит так:

Треб. = Р + р.

Движение электричества в цепи определяется формулой:

I = E/(R + r).

В этом случае R ЭДС на выходе будет Rвых. = E * I = E² / (R + r).

Тогда можно найти P, который исчезает при нагреве генератора из-за внутреннего сопротивления:

Pr = I² * r = E² * r/(R + r)².

На следующем шаге определяется ток, потребляемый нагрузкой:

PR = I² * R = E² * R/(R + r)².

Суммарное P на выходе двухполюсника будет равно сумме:

Маршрут. = ПР + ПР.

Это означает, что сначала происходит потеря энергии, когда она рассеивается на импедансе (внутреннем сопротивлении) двухполюсника.

Кроме того, чтобы увидеть, при каком значении нагрузки достигается максимальное значение полезной мощности Ruse, строится график.

При его рассмотрении видно, что наибольшее значение мощности находится в точке, где R и r равны. Это точка согласования генератора и нагрузочных резисторов.

Обратите внимание на следующее! Когда R > r, ток, генерируемый в цепи, мал, чтобы передавать энергию в нагрузку с достаточной скоростью. При R < r значительная часть энергии преобразуется в тепло в самой двухполюсной сети.

Самый наглядный пример согласования можно увидеть в радиотехнике при согласовании выходного сопротивления УНЧ (усилителя низкой частоты) и звуковых колонок. На выходе усилителя импеданс находится в пределах от 4 до 8 Ом, а у Rin динамика 8 Ом.

Устройство позволяет подключить к выходному каскаду, как динамик 8 Ом, так и два динамика 4 Ом параллельно. В обоих случаях УНЧ будет работать в заданном режиме, без потери мощности.

В процессе разработки некоторых реальных источников питания используют представление в виде эквивалентного блока. Он состоит из двух компонентов, над которыми работают: это идеальный источник и его импеданс.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector