В процессе перемещения зарядов внутри замкнутой цепи, источником тока совершается определенная работа. Она может быть полезной и полной. В первом случае источник тока перемещает заряды во внешней цепи, совершая при этом работу, а во втором случае – заряды перемещаются во всей цепи. В этом процессе большое значение имеет КПД источника тока, определяемого, как соотношение внешнего и полного сопротивления цепи. При равенстве внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления нагрузки, половина всей мощности будет потеряна в самом источнике, а другая половина выделится на нагрузке. В этом случае коэффициент полезного действия составит 0,5 или 50%.
КПД электрической цепи
Рассматриваемый коэффициент полезного действия в первую очередь связан с физическими величинами, характеризующими скорость преобразования или передачи электроэнергии. Среди них на первом месте находится мощность, измеряемая в ваттах. Для ее определения существует несколько формул: P = U x I = U2/R = I2 x R.
В электрических цепях может быть различное значение напряжения и величина заряда, соответственно и выполняемая работа тоже отличается в каждом случае. Очень часто возникает необходимость оценить, с какой скоростью передается или преобразуется электроэнергия. Эта скорость представляет собой электрическую мощность, соответствующую выполненной работе за определенную единицу времени. В виде формулы данный параметр будет выглядеть следующим образом: P=A/∆t. Следовательно, работа отображается как произведение мощности и времени: A=P∙∆t. В качестве единицы измерения работы используется джоуль (Дж).
Для того чтобы определить, насколько эффективно какое-либо устройство, машина электрическая цепь или другая аналогичная система, в отношении мощности и работы используется КПД – коэффициент полезного действия. Данная величина определяется как отношение полезно израсходованной энергии, к общему количеству энергии, поступившей в систему. Обозначается КПД символом η, а математически определяется в виде формулы: η = A/Q x 100% = [Дж]/[Дж] х 100% = [%], в которой А – работа выполненная потребителем, Q – энергия, отданная источником. В соответствии с законом сохранения энергии, значение КПД всегда равно или ниже единицы. Это означает, что полезная работа не может превышать количество энергии, затраченной на ее совершение.
Таким образом, определяются потери мощности в какой-либо системе или устройстве, а также степень их полезности. Например, в проводниках потери мощности образуются, когда электрический ток частично превращается в тепловую энергию. Количество этих потерь зависит от сопротивления проводника, они не являются составной частью полезной работы.
Существует разница, выраженная формулой ∆Q=A-Q, наглядно отображающей потери мощности. Здесь очень хорошо просматривается зависимость между ростом потерь мощности и сопротивлением проводника. Наиболее ярким примером служит лампа накаливания, КПД у которой не превышает 15%. Остальные 85% мощности превращаются в тепловое, то есть в инфракрасное излучение.
Что такое КПД источника тока
Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.
В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.
В виде формул они отображаются следующим образом:
- Полезная работа — Аполез = qU = IUt = I2Rt.
- Полная работа – Аполн = qε = Iεt = I2(R +r)t.
На основании этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:
- Полезная мощность – Рполез = Аполез /t = IU = I2R.
- Полная мощность – Рполн = Аполн/t = Iε = I2(R + r).
В результате, формула КПД источника тока приобретает следующий вид:
- η = Аполез/ Аполн = Рполез/ Рполн = U/ε = R/(R + r).
Максимальная полезная мощность достигается при определенном значении сопротивления внешней цепи, в зависимости от характеристик источника тока и нагрузки. Однако, следует обратить внимание на несовместимость максимальной полезной мощности и максимального коэффициента полезного действия.
Исследование мощности и КПД источника тока
Коэффициент полезного действия источника тока зависит от многих факторов, которые следует рассматривать в определенной последовательности.
Для определения величины тока в электрической цепи, в соответствии с законом Ома, существует следующее уравнение: i = E/(R + r), в котором Е является электродвижущей силой источника тока, а r – его внутренним сопротивлением. Это постоянные величины, которые не зависят от переменного сопротивления R. С их помощью можно определить полезную мощность, потребляемую электрической цепью:
- W1 = i x U = i2 x R. Здесь R является сопротивлением потребителя электроэнергии, i – ток в цепи, определяемый предыдущим уравнением.
Таким образом, значение мощности с использованием конечных переменных будет отображаться в следующем виде: W1 = (E2 x R)/(R + r).
Поскольку сила тока представляет собой промежуточную переменную, то в этом случае функция W1(R) может быть проанализирована на экстремум. С этой целью нужно определить значение R, при котором величина первой производной полезной мощности, связанная с переменным сопротивлением (R) будет равной нулю: dW1/dR = E2 x [(R + r)2 – 2 x R x (R + r)] = E2 x (Ri + r) x (R + r – 2 x R) = E2(r – R) = 0 (R + r)4 (R + r)4 (R + r)3
Из данной формулы можно сделать вывод, что значение производной может быть нулевым лишь при одном условии: сопротивление приемника электроэнергии (R) от источника тока должно достичь величины внутреннего сопротивления самого источника (R => r). В этих условиях значение коэффициента полезного действия η будет определяться как соотношение полезной и полной мощности источника тока – W1/W2. Поскольку в максимальной точке полезной мощности сопротивление потребителя энергии источника тока будет таким же, как и внутреннее сопротивление самого источника тока, в этом случае КПД составит 0,5 или 50%.
Задачи на мощность тока и КПД
Что такое источник тока
Это устройство или элемент, в общем понимании – двухполюсник, у которого проходящий через него ток не зависит от величины напряжения на полюсах. Основные характеристики источника тока (ИТ):
- величина;
- внутренняя проводимость (импеданс).
Внутреннее сопротивление такого двухполюсника очень мало. У идеального источника (ИИТ) оно приближается к нулю.
Графическое обозначение и вольт-амперная характеристика (ВАХ) ИТ
Генераторы движения электронов могут быть как независимыми, так и зависимыми.
Первые представляют собой идеальный двухполюсник, с двумя зажимами. У них ток, движущийся от одного зажима к другому, не зависит от формы и величины разности потенциалов на зажимах. Его изменения происходят по своим законам.
Второй тип ИТ – идеальный двухполюсник, с двумя зажимами, у которого движение зарядов от одного зажима к другому зависит от формы и величины напряжения на этих зажимах.
Существует управляемый зависимый ИТ. Он представляет собой идеальный двухполюсник, имеющий 2 зажима на входе и 2 зажима на выходе. Его особенность в том, что выходное значение тока на выходе зависит от его величины на входе. В таком ИТ происходит усиление мощности. Изменяя нулевое значение мощности на его входе, управляют величину мощности на выходных зажимах.
Информация. Управление производителем энергии может осуществляться напряжением (ИТУН) или током (ИТУТ). Одни находят применение для полевых триодов и электровакуумных ламп, вторые – для транзисторов биполярного типа.
В реальности генераторы тока имеют определённые ограничения по напряжению. Они далеки от идеальных ИТ и создают движение электричества в таком интервале напряжений, где их верхняя граница зависит от Uпит ИТ. Следовательно, у реального источника тока есть существенные пределы по нагрузке.
Работа электрического тока
Источник питания тока вырабатывает электрическую энергию, которая в дальнейшем может быть преобразована в другие формы, в какие именно, зависит от назначения электрических приборов. Например, в нагревателе электрическая энергия переходит в тепловую, электродвигателе в механическую, а в лампочке в световую.
Работа измеряется в джоулях (Дж). Ещё одна используемая величина — это ватт-сек (Вт*с). Обе этих величины равны. Очень распространена единица измерения киловатт-час (кВт*час), которая равна 3 600 000 джоулей.
Если напряжение создаётся разностью потенциалов U и при этом перемещается заряд q, то формула выполненной работы выглядит следующим образом:
Чтобы произвести вычисления, необходимо определить входящие в формулу величины. Обычно разность потенциалов известна. Для определения величины перемещаемого заряда понадобится сила тока. Ее следует умножить на длительность соответствующего промежутка времени:
Воспользовавшись законом Ома можно этому выражению придать другой вид. Как известно, U = I * R. Подставив это выражение в ранее приведённую формулу, получаем:
Для определения работы можно воспользоваться еще и такой формулой:
Необходимо учитывать, что рассматривать движение электронов можно как в отдельной схеме, так и во всей цепи, включая батарею питания. Сказанное можно пояснить на следующем примере.
Пусть используется аккумулятор с напряжением, например, 12 В. Он применяется для питания электрической лампочки на протяжении 1 часа. В приводимом примере сила тока составляет 2.3 А. Чтобы узнать, какая работа была произведена в рассматриваемом случае, достаточно воспользоваться формулой, представленной на рисунке выше. Подставив в неё все известные значения и перемножив их, можно увидеть, что искомая величина равна 27.6 Вт*час.
Этот результат можно выразить в джоулях, воспользовавшись формулой для соотношения единиц измерения: 27.6 Вт * час = 27.6 Вт * сек * 3600 = 99360 Вт * сек = 99360 Дж.
Ещё одной важной характеристикой является мощность. Она определяется как работа по перемещению электрических зарядов, которая была выполнена на протяжении единицы времени. Нужно учитывать, что рассматривается не только полная, но и полезная мощность.
КПД электрической цепи
Формула мощности электрического тока
Выполняя продвижения зарядов через замкнутую цепь, двухполюсник проделывает некоторую работу. Когда генератор двигает заряды по внешнему контуру цепи, то это полезная работа. Когда ИТ продвигает электрические носители по всей цепи, говорят о полной работе.
Внимание! В этой цепочке перемещения зарядов особое значение имеет КПД (коэффициент полезного действия) источника. Он равен соотношению сопротивлений внешней цепи и полному сопротивлению цепи.
Обращая внимание на КПД электроцепи, нужно отметить, что он напрямую зависит от физических величин, определяющих скорость передачи или трансформации электрической энергии. Одной из таких величин является мощность Р (Вт).
Формулы мощности:
P = U * I = U2/R = I2 * R,
где:
- U – напряжение на нагрузке, В;
- I – ток, А;
- R – сопротивление нагрузки, Ом.
Для разных цепей значения напряжения и сила тока различаются, следовательно, производимая ими работа будет разной. Когда предстоит оценить скорость передачи и преобразования электрического тока, то обращают внимание на Р. Она соответствует работе, проделанной за единицу времени:
P = A/∆t,
Читайте также: Производство и использование электрической энергии
где:
- P – мощность, Вт;
- A – работа, Дж;
- ∆t – временной интервал, с.
Исходя из этой формулы, чтобы найти работу А, нужно умножить Р на время:
A=P∙∆t
Чтобы найти КПД (η) электроцепи, нужно найти отношение полезно потраченной энергии к количеству всей энергии, поданной в цепь. Формула для расчёта:
η = A/Q *100%,
где:
- А – проделанная потребителем работа, Дж;
- Q – количество энергии, взятой от источника, Дж.
Важно! КПД не может быть выше единицы. В основном он или равен ей, или меньше её. Этому причина – Закон сохранения энергии. Согласно ему, полезная совершённая работа никогда не превысит затраты энергии, необходимые для её выполнения.
Наглядно это можно объяснить на примере электрической цепи, в которую включен проводник, имеющий определённое сопротивление. При прохождении электричества через цепь часть энергии будет рассеиваться на проводнике, превращаясь в тепло и нагревая его. Потери мощности будут зависеть от величины этого сопротивления.
КПД электрической цепи
Для чего нужен расчет КПД
Коэффициент полезного действия электрической цепи – это отношение полезного тепла к полному. Для ясности приведем пример. При нахождении КПД двигателя можно определить, оправдывает ли его основная функция работы затраты потребляемого электричества. То есть его расчет даст ясную картину, насколько хорошо устройство преобразовывает получаемую энергию. Обратите внимание! Как правило, коэффициент полезного действия не имеет величины, а представляет собой процентное соотношение либо числовой эквивалент от 0 до 1. КПД находят по общей формуле вычисления, для всех устройств в целом. Но чтобы получить его результат в электрической цепи, вначале потребуется найти силу электричества.
По физике известно, что любой генератор тока имеет свое сопротивление, которое еще принято называть внутренняя мощность. Помимо этого значения, источник электричества также имеет свою силу. Дадим значения каждому элементу цепи: сопротивление – r; сила тока – Е; резистор (внешняя нагрузка) – R. Полная цепь Итак, чтобы найти силу тока, обозначение которого будет – I, и напряжение на резисторе – U, потребуется время – t, с прохождением заряда q = lt. Рассчитать работу источника тока можно по следующей формуле: A = Eq = EIt. В связи с тем, что сила электричества постоянна, работа генератора целиком преобразуется в тепло, выделяемое на R и r. Такое количество можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца: Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.
Формулы расчета КПД.
Затем приравниваются правые части формулы: EIt = I2 (R + r) t. Осуществив сокращение, получается расчет: E = I(R + r). Произведя у формулы перестановку, в итоге получается: I = E R + r. Данное итоговое значение будет являться электрической силой в данном устройстве. Произведя таким образом предварительный расчет, теперь можно определить КПД.
Расчет КПД электрической цепи Мощность, получаемая от источника тока, называется потребляемой, определение ее записывается – P1. Если эта физическая величина переходит от генератора в полную цепь, она считается полезной и записывается – Р2. Чтобы определить КПД цепи, необходимо вспомнить закон сохранения энергии.
В соответствии с ним, мощность приемника Р2 будет всегда меньше потребляемой мощности Р1. Это объясняется тем, что в процессе работы в приемнике всегда происходит неизбежная пустая трата преобразуемой энергии, которая расходуется на нагревание проводов, их оболочки, вихревых токов и т.д. Чтобы найти оценку свойств превращения энергии, необходим КПД, который будет равен отношению мощностей Р2 и Р1.
Итак, зная все значения показателей, составляющих электроцепи, находим ее полезную и полную работу: А полезная. = qU = IUt =I2Rt; А полная = qE = IEt = I2(R+r)t. В соответствии этих значений, найдем мощности источника тока: Р2 = А полезная /t = IU = I2 R; P1 = А полная /t = IE = I2 (R + r). Произведя все действия, получаем формулу КПД: n = А полезная / А полная = Р2 / P1 =U / E = R / (R +r). У этой формулы получается, что R выше бесконечности, а n выше 1, но при всем этом ток в цепи остается в низком положении, и его полезная мощность мала.
Каждый желает найти КПД повышенного значения. Для этого необходимо найти условия, при которых P2 будет максимален. Оптимальные значения будут: dP2 / dR = 0. Далее определить КПД можно формулами: P2 = I2 R = (E / R + r)2 R; dP2 / dR = (E2 (R + r)2 — 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0; E2 ((R + r) -2R) = 0. В данном выражении Е и (R + r) не равны 0, следовательно, ему равно выражение в скобках, то есть (r = R). Тогда получается, что мощность имеет максимальное значение, а коэффициент полезного действия = 50 %. Как видно, найти коэффициент полезного действия электрической цепи можно самостоятельно, не прибегая к услугам специалиста. Главное –соблюдать последовательность в расчетах и не выходить за рамки приведенных формул.
Примеры расчета КПД
Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.
Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу.
Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.
Расчет коэффициента полезного действия.
Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.
Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж
Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.
Часто задаваемые вопросы
Почему коэффициент полезного действия всегда меньше 100%?
КПД 100% означает, что вся энергия, затраченная на получение мощности двигателя, используется им в работе. В природе такого, в принципе, никогда не бывает, и поэтому КПД всех двигателей всегда меньше 100 процентов.
Как повысить коэффициент полезного действия механизма?
КПД механизмов можно увеличить, снижая трение в подвижных узлах и вес всех составных элементов конструкции. Для этого нужны новые смазочные вещества и лёгкие, но прочные конструкционные материалы.
Чему равен коэффициент полезного действия неподвижного блока?
Например, поднимая груз с помощью подвижного блока, приходится вместе с грузом поднимать и блок, а при этом необходимо совершать «дополнительную» работу. Отношение полезной работы Апол к совершенной Асов, выраженное в процентах, обозначают η и называют коэффициентом полезного действия (КПД): η = Апол/Асов · 100%.
Что такое КПД ИТ
Мощность электрического тока
Когда речь идёт о кпд источника тока, также рассматривают полезную и полную работу, совершаемую двухполюсником. Перемещая электроны во внешней цепи, он выполняет полезную работу, двигая их по всей цепи, включая и свою внутреннюю, он производит полную работу.
В виде формул это выглядит так:
- А полезн. = q*U = I*U*t = I2*R*t;
- А полн. = q*ε = I* ε*t = I2*(R+r)*t.
где:
- q – количество энергии, Дж;
- U – напряжение, В;
- ε – ЭДС, В;
- I – ток, А;
- R – сопротивление нагрузки, Ом;
- r – импеданс источника, Ом;
- t – время, за которое совершается работа, с.
С учётом этого можно выразить мощности двухполюсника:
- Р полезн. = А полезн./t = I*U = I2*R;
- P полн. = А полн./t = I*ε = I2*(R+r).
Формула кпд источников тока имеет вид:
η = Р полезн./P полн.= U/ε = R/ R+r.
КПД, которым обладает источник тока
При совершении работы электрическим током происходят преобразования энергии. Полная работа, совершаемая источником, идет на энергопреобразования во всем электрическом контуре, а полезная – только в присоединенной к ИП цепи.
Количественная оценка КПД источника тока производится по самому значимому показателю, определяющему скорость совершения работы,–мощности:
P = A/t.
Далеко не вся выходная мощность ИП используется энергопотребителем. Соотношение потребленной энергии и выданной источником представляет собой формулу коэффициента полезного действия:
η = полезная мощность/выходная мощность = Pпол./Рвых.
Важно! Так как Pпол. практически в любом случае меньше, чем Рвых, η не может быть больше 1.
Расчет КПД источника тока
Эту формулу можно преобразовать, подставляя выражения для мощностей:
- Выходная мощность источника:
Рвых. = I x E = I² x (R + r) x t;
- Потребленная энергия:
Рпол. = I x U = I² x R x t;
- Коэффициент:
η = Рпол./Рвых. = (I² x R x t)/( I² x (R + r) x t) = R/(R + r).
То есть у источника тока КПД определяется соотношением сопротивлений: внутреннего и нагрузочного.
Часто показателем КПД оперируют в процентах. Тогда формула примет вид:
η = R/(R + r) x 100%.
Из полученного выражения видно, что при соблюдении условия согласования (R = r) коэффициент η = (R/2 x R) х 100% = 50%. Когда передаваемая энергия наиболее эффективна, КПД самого ИП оказывается равным всего 50%.
Пользуясь этим коэффициентом, оценивают эффективность различных ИП и потребителей электроэнергии.
Примеры значений КПД:
- газовая турбина – 40%;
- солнечная батарея – 15-20%;
- литий-ионный аккумулятор – 89-90%;
- электронагреватель – приближается к 100%;
- лампа накаливания – 5-10%;
- светодиодная лампа – 5-50%;
- холодильные установки – 20-50%.
Показатели полезной мощности рассчитываются для разных потребителей в зависимости от вида совершаемой работы.
Иногда возникает необходимость оценить, насколько эффективно может работать источник тока. Для этого нужно знать коэффициент полезного действия источника тока. Он равен соотношению полезной и всей сделанной работы. Обычно его выражают в процентах.
Полезной считается работа, связанная с перемещением электрического заряда в цепи. Чтобы вычислить ее, необходимо знать напряжение между клеммами батареи, силу тока и время, в течение которого происходил процесс.
Вся сделанная работа, обеспечивающая перемещение зарядов, включает в себя и ту, которая выполняется в цепи, и внутри источника. Определение полной работы источника осуществляется по формуле, аналогичной той, что используется для нахождения полезной работы электротока. Разница заключается в следующем:
- Вместо разности потенциалов рассматривается ЭДС.
- В новой формуле рассматривается сумма, которая состоит из сопротивления внешней цепи, а также внутреннего сопротивления источника.
Приведённые выше формулы будут выглядеть так.
Чтобы найти КПД источника тока, надо эти выражения подставить в формулу для определения коэффициента:
В приведённой формуле применены обозначения:
- С левой стороны стоит КПД.
- После первого знака равенства записано отношение полезной и полной работы по перемещению электрических зарядов.
- После второго знака равенства присутствует отношение разности потенциалов на клеммах источника и электродвижущей силы.
- С правой стороны в формуле представлено частное от деления сопротивления внешней цепи и полного сопротивления.
Такая формула позволяет легко определить величину, которую называют коэффициентом полезного действия источника постоянного тока. При расчёте КПД также можно рассматривать не соотношение работ по перемещению зарядов, а соотношение мощностей.
На этом изображении используются следующие обозначения:
- Во внутреннем круге указаны обозначения определяемого параметра.
- В секторах перечислены формулы, с помощью которых это можно сделать.
Рассматриваются следующие величины:
- V — напряжение.
- P — мощность.
- I — сила тока.
- R — сопротивление.
Исследование мощности и КПД генератора тока
Источник тока
Максимальная полезная Pmax и максимальный КПДmax – несовместимые понятия. Нельзя добиться максимального КПД источника при максимальной мощности. Это обусловлено тем, что Р, отдаваемая двухполюсником, достигнет своего максимального значения только при условии согласования сопротивления нагрузки и внутреннего импеданса ИТ:
R = r.
В этом случае КПД источника будет:
η = R/ R+r = r/ r+r = 1/2, что составляет всего 50%.
Для согласования двухполюсника и нагрузки применяют электронные схемы или согласующие блоки, для того чтобы добиться максимального отбора мощности от источника.
Прямой и косвенный методы определения коэффициента полезного действия
Прямой метод определения к. п. д. по экспериментальным значениям P1 и P2 согласно формуле (1) может дать существенную неточность, поскольку, во-первых, P1 и P2 являются близкими по значению и, во-вторых, их экспериментальное определение связано с погрешностями. Наибольшие трудности и погрешности вызывает измерение механической мощности.
Если, например, истинные значения мощности P1 = 1000 кВт и P2 = 950 кВт могут быть определены с точностью 2%, то вместо истинного значения к. п. д.
η = 950/1000 = 0,95
можно получить
или
Поэтому ГОСТ 25941-83, «Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия», предписывает для машин с η% ≥ 85% косвенный метод определения к. п. д., при котором по экспериментальным данным определяется сумма потерь pΣ.
Подставив в формулу (1) P2 = P1 — pΣ, получим
Применив здесь подстановку P1 = P2 + pΣ, получим другой вид формулы:
Так как более удобно и точно можно измерять электрические мощности (для двигателей P1 и для генераторов P2), то для двигателей более подходящей является формула (3) и для генераторов формула (4). Методы экспериментального определения отдельных потерь и суммы потерь pΣ описываются в стандартах на электрические машины и в руководствах по испытанию и исследованию электрических машин. Если даже pΣ определяется со значительно меньшей точностью, чем P1 или P2, при использовании вместо выражения (1) формул (3) и (4) получаются все же значительно более точные результаты.
Взаимосвязь полезной мощности и КПД
Коэффициент полезного действия (КПД) – величина безразмерная, численно выражается в процентах. КПД обозначают буквой η.
Формула имеет вид:
η = А/Q,
где:
- А – полезная работа (энергия);
- Q – затраченная энергия.
По мере увеличения КПД в различных двигателях допустимо выстроить следующую линейку:
- электродвигатель – до 98%;
- ДВС – до 40%;
- паровая турбина – до 30%.
Что касается мощности, КПД равен отношению полезной мощности к полной мощности, которую выдает источник. В любом случае η ≤ 1.
Важно! КПД и Pпол не одно и то же. В разных рабочих процессах добиваются максимума или одного, или другого
Получение максимальной энергии на выходе ИП
К сведению. Чтобы увеличить КПД подъёмных кранов, нагнетательных насосов или двигателей самолётов, нужно уменьшить силы трения механизмов или сопротивления воздуха. Этого достигают применением разнообразных смазок, установкой подшипников повышенного класса (заменив скольжение качением), изменением геометрии крыла и т.д.
Максимальная энергия или мощность на выходе ИП может быть достигнута при согласовании сопротивления нагрузки Rн и внутреннего сопротивления R0 ИП. Это значит, что Rн = R0. В этом случае КПД равен 50%. Это вполне приемлемо для малоточных цепей и радиотехнических устройств.
Однако этот вариант не подходит для электрических установок. Чтобы впустую не тратились большие мощности, режим эксплуатации генераторов, выпрямителей, трансформировав и электродвигателей таков, что к.п.д. приближается к 95% и выше.
График зависимости Рпол и η от тока в цепи
Достижение максимального КПД
Формула КПД источника тока имеет вид:
η = Pн/Pобщ = R/Rн+r,
где:
Читайте также: Эволюция систем управления пылесосов LG (часть 1)
- Pн – мощность нагрузки;
- Pобщ – общая мощность;
- R – полное сопротивление цепи;
- Rн – сопротивление нагрузки;
- r – внутреннее сопротивление ИТ.
Как видно из графика, изображённого на рис. выше, мощность Pн с уменьшением тока в цепи стремится к нулю. КПД, в свою очередь, достигнет максимального значения, когда цепь будет разомкнута, и ток равен нулю, при коротком замыкании в цепи станет равным нулю.
Если обратиться к элементарному тепловому двигателю, состоящему из поршня и цилиндра, то у него степень сжатия равна степени расширения. Повышение КПД такого мотора возможно в случае:
- изначально высоких параметров: давления и температуры рабочего тела перед началом расширения;
- приближения их значений к параметрам окружающей среды по окончании расширения.
Достижение ηmax доступно лишь при наиболее эффективном изменении давления рабочего компонента во вращательное движение вала.
К сведению. Термический коэффициент полезного действия повышается с повышением доли теплоты, подаваемой к рабочему телу, которая преобразуется в работу. Подаваемая теплота делится на два вида энергии: внутренняя в виде температуры и энергия давления.
Механическую работу, по сути, совершает только второй вид энергии. Это порождает целый ряд минусов тормозящих процесс повышения КПД:
- некоторая часть давления уходит на внешнюю среду;
- достижение максимального коэффициента полезного действия невозможно без увеличения процента использования энергии давления для преобразования в работу;
- нельзя поднять КПД тепловых двигателей, не изменяя S поверхности приложения давления, и без удаления этой поверхности от точки вращения;
- использование только газообразного рабочего тела не способствует повышению η тепловых двигателей.
Для достижения высокого коэффициента полезного действия теплового двигателя нужно определяться с рядом решений. Этому способствуют следующие модели устройства:
- ввести в цикл расширения ещё одно рабочее тело с другими физическими свойствами;
- наиболее полно перед расширением использовать оба вида энергии рабочего тела;
- осуществлять генерацию добавочного рабочего тела прямо при расширении газообразного.
Информация. Все доработки двигателей внутреннего сгорания в виде: нагнетателя турбонадува, организации многократного или распределённого впрыска, а также повышения влажности воздуха, доведения топлива при впрыске до состояния пара, не дали ощутимых результатов резкого повышения КПД.
КПД двигателя внутреннего сгорания
От чего зависит эффективность
Как было выяснено ранее, коэффициент полезного действия будет тем выше, чем меньше внутреннее сопротивление источника. При этом также нужно учитывать следующее:
- Если сопротивление источника велико, то по цепи будет проходить небольшой ток. В результате её полезная работа станет меньше.
- При относительно большом сопротивлении основная часть энергии будет потрачена на работу источника, что может вызвать его перегрев.
Принято считать, что оптимальным будет примерное равенство внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи.
Важно понимать, что при работе электрических приборов эффективность можно рассматривать с различных точек зрения. Каждый электрический прибор предназначен для выполнения определённых функций, и вывод зависит от того, как он их выполняет.
Для примера можно рассмотреть лампочку накаливания. В ней электрическая энергия расходуется не только на обычное освещение, но и на такое, которое происходит в диапазонах, не воспринимаемых человеческим глазом. Последнее представляет собой непроизводительную трату энергии в рабочем режиме. Таким образом, КПД может быть вычислен в зависимости от того, что именно необходимо оценить.
Хотя при рассмотрении эффективности работы источника тока речь идёт об относительно высоком коэффициенте полезного действия, на выполнение полезных функций лампочки тратится не более 5% энергетических затрат. Однако следует заметить, что анализ КПД источника в таких случаях является существенной частью расчётов по определению эффективности работы конкретного электрического устройства.
Также нужно учитывать, что при высоком коэффициенте полезного действия, согласно приведённым здесь формулам, внутреннее сопротивление источника тока должно иметь минимальную величину. Но в результате будет получена большая сила тока, которая спровоцирует преобразование части электрической энергии в тепловую. А это, в свою очередь, уменьшит величину работы по перемещению электрических зарядов.
Таким образом, можно отметить одну особенность коэффициента полезного действия источника тока при перемещении электрических зарядов. Это важно для понимания того, что такое КПД. Его наибольшее значение не приводит к получению максимальной полезной мощности. Получается, что если добиваться максимальной мощности во внешней цепи, то получим КПД работы всего 50%, то есть половина затраченной мощности источника расходуется бесполезно — переходит в тепло, нагревая источник тока. Источник тока может работать с максимальной мощностью только при условии, что его внутреннее сопротивление имеет примерно такое же значение, что и сопротивление нагрузки.
Мощность ИТ и внутреннее сопротивление
Можно собрать последовательную схему, в которую войдут гальванический двухполюсник и сопротивление нагрузки. Двухполюсник, имеющий внутренний импеданс r и ЭДС – Е, отдаёт на внешнюю нагрузку R ток I. Задача цепи – питание электричеством активной нагрузки, выполняющей полезную работу. В качестве нагрузки может быть применена лампочка или обогреватель.
Простая схема для исследования зависимости Рполезн. от R
Рассматривая эту цепь, можно определиться с зависимостью полезной мощности от величины сопротивления. Для начала находят R-эквивалентное всей цепи.
Оно выглядит так:
Читайте также: Что такое изолированная нейтраль и где она используется
Rэкв. = R + r.
Движение электричества в цепи находится по формуле:
I = E/(R + r).
В таком случае Р ЭДС на выходе составит Рвых. = E*I = E²/(R + r).
Далее можно найти Р, рассеиваемую при нагреве генератора из-за внутреннего сопротивления:
Pr = I² * r = E² * r/(R + r)².
На следующем этапе определяются с мощностью, отбираемой нагрузкой:
PR = I² * R = E² * R/(R + r)².
Общая Р на выходе двухполюсника будет равна сумме:
Рвых. = Рr + PR.
Это значит, что потери энергии изначально происходят при рассеивании на импедансе (внутреннем сопротивлении) двухполюсника.
Далее, чтобы увидеть, при какой величине нагрузки достигается максимальная величина полезной мощности Рполезн., строят график.
При его рассмотрении видно, что самое большое значение мощности – в точке, где R и r сравнялись. Это точка согласования сопротивлений генератора и нагрузки.
Внимание! Когда R > r, то ток, возникающий в цепи, мал для передачи энергии нагрузке с достаточной скоростью. При R < r значительная доля энергии превращается в тепло в самом двухполюснике.
Наиболее наглядный пример согласования можно увидеть в радиотехнике при согласовании выходного сопротивления УНЧ (усилителя низкой частоты) и звуковых динамиков. На выходе усилителя сопротивление находится в пределах от 4 до 8 Ом, в то время как Rвх динамика составляет 8 Ом. Устройство позволяет подключить к своему выходному каскаду, как один динамик на 8 Ом, так и параллельно два по 4 Ома. И в том, и в другом случае УНЧ будет работать в заданном режиме, без потерь мощности.
В процессе разработок тех или иных реальных источников тока пользуются представлением его в виде эквивалентного блока. В его состав входят два компонента, с которыми ведётся работа: это идеальный источник и его импеданс.
Предыдущая
ТеорияПонятие фидера в электрике и его роль в электроэнергетике
Следующая
ТеорияКуда течет ток и как определить его направление?
Для школьников.
На рисунке изображена замкнутая электрическая цепь, состоящая из источника постоянного тока и переменной нагрузки во внешней части цепи.
Источником постоянного тока может быть электрическая машина, о которой говорится в статье “Искровой разряд“; батарея гальванических элементов, аккумулятор и др.
Роль источника тока заключается в создании (генерировании) электрической энергии: в разделении положительных и отрицательных зарядов; в создании и поддерживании разности потенциалов между конечными точками цепи, в которую включена нагрузка (электрическая лампочка, электроплитка. электродвигатель и т. д.).
При прохождении тока через нагрузку электрическая энергия превращается в другие виды энергии :тепловую (в электроплитке); в тепло и свет (в электрической лампе); в механическую энергию (в электродвигателе).
Превращение энергии из одного вида в другой всегда связано с работой.
При прохождении тока по проводнику совершается работа, её совершают электрические силы (или электрическое поле). Кратко эту работу называют работой тока.
Рассматривая участок цепи, по которому проходит ток, получим следующее выражение для работы тока:
Работа тока равна произведению напряжения между концами участка на протекающий ток и время его протекания.
В случае, если участок цепи однородный (не содержит источника тока), то
тогда получим ещё две формулы для работы тока:
Если ток проходит через неподвижный проводник, то единственным результатом работы тока является его нагревание. Тогда количество выделившейся теплоты
Это запись закона Джоуля – Ленца.
Если кроме нагревания ток совершает ещё механическую работу, например, приводя в действие электродвигатель (мотор), то работа
лишь частично переходит в тепло.
В этом случае работа тока больше количества выделившейся теплоты, но закон Джоуля – Ленца выполняется.
Работа, совершаемая током в единицу времени, называется мощностью тока:
Единицей мощности тока является 1 Вт:
1 Вт – мощность выделяемая током 1 А в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В.
Основная формула мощности для участка цепи:
Мощность постоянного тока на любом участке цепи выражается произведением силы тока на напряжение между концами участка цепи.
Так как для однородного участка цепи
то мощность можно найти ещё по формулам:
Обычно говорят не о работе, а о потребляемой из сети некоторым прибором (электроплитка, лампочки и др.) или двигателем (мотором) мощности электрического тока. Говоря о мощности (например, электродвигателя), отмечают, что работа двигателя совершается за счёт тока.
На приборах часто отмечается потребляемая ими мощность – мощность, необходимая для нормальной работы этого прибора.
Согласно закону сохранения энергии, для замкнутой электрической цепи можно записать:
Здесь
есть полная или затраченная работа, совершаемая сторонними силами, существующими внутри источника, по переносу заряда по цепи.
В гальваническом элементе такими силами являются силы химической реакции.
– это полезная работа, совершаемая электрическим полем при прохождении тока через нагрузку;
это работа, совершаемая внутри источника, по преодолению его внутреннего сопротивления.
Так как работа, совершённая за единицу времени, есть мощность, то из уравнения (1) получим выражение для мощности:
Здесь
есть полная или затраченная мощность, это мощность развиваемая источником тока.
это мощность выделяемая внутри источника тока
это полезная мощность, создаваемая во внешней части цепи (на нагрузке).
Здесь U – напряжение на зажимах источника при замкнутой цепи (при разомкнутой цепи оно равно ЭДС источника).
Так как для однородного участка цепи напряжение равно произведению тока на сопротивление, то полезную мощность можно найти ещё по следующей формуле:
Ток в замкнутой цепи
тогда формулу для полезной мощности можно записать так:
Проанализируем зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки.
При коротком замыкании вся развиваемая источником мощность выделяется на его внутреннем сопротивлении в виде теплоты.
Таким образом, полезная мощность, развиваемая во внешней цепи, достигает максимального значения тогда, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника.
На следующем рисунке показан график зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки.
Получена формула для нахождения максимальной полезной мощности
При этом ток в цепи в два раза меньше тока короткого замыкания:
Но чему при этом будет равно КПД источника?
Коэффициент полезного действия (КПД) источника показывает, какая часть затраченной (полной) работы источника пошла на пользу или КПД есть отношение полезной работы к затраченной:
Получается, что если добиваться максимальной мощности во внешней цепи, то получим КПД работы всего 50%, то есть половина затраченной мощности источника расходуется бесполезно – переходит в тепло, нагревая источник тока.
Выгоднее брать сопротивление нагрузки больше внутреннего сопротивления источника. Тогда ток в цепи уменьшится, а КПД источника увеличится.
Подумайте над решением следующих задач.
1. ЭДС аккумулятора 2 В, его внутреннее сопротивление 0,4 Ом, сопротивление внешней цепи 1 Ом. Найти разность потенциалов на зажимах аккумулятора и КПД его работы. Ответ: 1,43 В; 71 %.
2. Какую максимальную полезную мощность может выделить аккумулятор с ЭДС 10 В и внутренним сопротивлением 1 Ом? Каково при этом сопротивление внешней цепи? Ответ: 25 Вт; 1 Ом.
3. КПД источника тока, замкнутого на внешнее сопротивление R, равно 60%. Каков будет КПД источника, если внешнее сопротивление увеличить в 6 раз? Ответ: 90%.
Ответ: 7,7 Вт; 12 Вт; 40%; 25%.
Ответ: 2,7 10 4 кг.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись: Работа и мощность электрического тока. Лампы накаливания.
Следующая запись: Ещё раз о зарядке и разрядке конденсатора.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Что такое КПД источника тока и как его вычислить
Содержание
- 1 Электрический ток
- 2 Работа электрического тока
- 3 КПД, которым обладает источник тока
- 4 От чего зависит эффективность
- 5 Видео по теме
Чтобы оценить эффективность работы электрического прибора, нужно знать его коэффициент полезного действия. Он представляет собой соотношение той энергии, которая создала положительный эффект и потраченной. Обычно это соотношение указывается в процентах. Такой подход применим и при рассмотрении электрических цепей.
Электрический ток
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Ядро состоит из протонов — положительно заряженных частиц, и нейтронов, у которых нет электрического заряда.
Электроны могут находиться на одной или нескольких орбитах в зависимости от того, о каком веществе идёт речь. Случайным образом некоторые из них могут покидать свои орбиты и хаотически двигаться. При наличии электрического поля их движение становится упорядоченным, они перемещаются от отрицательной клеммы к положительной. Это называется электрическим током.
Ток существует не только во внешней электрической цепи, но и внутри источника питания. Можно считать, что электроны двигаются по замкнутому кругу. Электрическое поле необходимо для перемещения частиц, но только часть его работы называют полезной. Здесь имеется в виду та, которая способствует движению электронов во внешней цепи.
Работа электрического тока
Источник питания тока вырабатывает электрическую энергию, которая в дальнейшем может быть преобразована в другие формы, в какие именно, зависит от назначения электрических приборов. Например, в нагревателе электрическая энергия переходит в тепловую, электродвигателе в механическую, а в лампочке в световую.
Работа измеряется в джоулях (Дж). Ещё одна используемая величина — это ватт-сек (Вт*с). Обе этих величины равны. Очень распространена единица измерения киловатт-час (кВт*час), которая равна 3 600 000 джоулей.
Если напряжение создаётся разностью потенциалов U и при этом перемещается заряд q, то формула выполненной работы выглядит следующим образом:
Чтобы произвести вычисления, необходимо определить входящие в формулу величины. Обычно разность потенциалов известна. Для определения величины перемещаемого заряда понадобится сила тока. Ее следует умножить на длительность соответствующего промежутка времени:
Воспользовавшись законом Ома можно этому выражению придать другой вид. Как известно, U = I * R. Подставив это выражение в ранее приведённую формулу, получаем:
Для определения работы можно воспользоваться еще и такой формулой:
Необходимо учитывать, что рассматривать движение электронов можно как в отдельной схеме, так и во всей цепи, включая батарею питания. Сказанное можно пояснить на следующем примере.
Пусть используется аккумулятор с напряжением, например, 12 В. Он применяется для питания электрической лампочки на протяжении 1 часа. В приводимом примере сила тока составляет 2.3 А. Чтобы узнать, какая работа была произведена в рассматриваемом случае, достаточно воспользоваться формулой, представленной на рисунке выше. Подставив в неё все известные значения и перемножив их, можно увидеть, что искомая величина равна 27.6 Вт*час.
Этот результат можно выразить в джоулях, воспользовавшись формулой для соотношения единиц измерения: 27.6 Вт * час = 27.6 Вт * сек * 3600 = 99360 Вт * сек = 99360 Дж.
Ещё одной важной характеристикой является мощность. Она определяется как работа по перемещению электрических зарядов, которая была выполнена на протяжении единицы времени. Нужно учитывать, что рассматривается не только полная, но и полезная мощность.
КПД, которым обладает источник тока
Иногда возникает необходимость оценить, насколько эффективно может работать источник тока. Для этого нужно знать коэффициент полезного действия источника тока. Он равен соотношению полезной и всей сделанной работы. Обычно его выражают в процентах.
Полезной считается работа, связанная с перемещением электрического заряда в цепи. Чтобы вычислить ее, необходимо знать напряжение между клеммами батареи, силу тока и время, в течение которого происходил процесс.
Вся сделанная работа, обеспечивающая перемещение зарядов, включает в себя и ту, которая выполняется в цепи, и внутри источника. Определение полной работы источника осуществляется по формуле, аналогичной той, что используется для нахождения полезной работы электротока. Разница заключается в следующем:
- Вместо разности потенциалов рассматривается ЭДС.
- В новой формуле рассматривается сумма, которая состоит из сопротивления внешней цепи, а также внутреннего сопротивления источника.
Приведённые выше формулы будут выглядеть так.
Чтобы найти КПД источника тока, надо эти выражения подставить в формулу для определения коэффициента:
В приведённой формуле применены обозначения:
- С левой стороны стоит КПД.
- После первого знака равенства записано отношение полезной и полной работы по перемещению электрических зарядов.
- После второго знака равенства присутствует отношение разности потенциалов на клеммах источника и электродвижущей силы.
- С правой стороны в формуле представлено частное от деления сопротивления внешней цепи и полного сопротивления.
Такая формула позволяет легко определить величину, которую называют коэффициентом полезного действия источника постоянного тока. При расчёте КПД также можно рассматривать не соотношение работ по перемещению зарядов, а соотношение мощностей.
На этом изображении используются следующие обозначения:
- Во внутреннем круге указаны обозначения определяемого параметра.
- В секторах перечислены формулы, с помощью которых это можно сделать.
Рассматриваются следующие величины:
- V — напряжение.
- P — мощность.
- I — сила тока.
- R — сопротивление.
От чего зависит эффективность
Как было выяснено ранее, коэффициент полезного действия будет тем выше, чем меньше внутреннее сопротивление источника. При этом также нужно учитывать следующее:
- Если сопротивление источника велико, то по цепи будет проходить небольшой ток. В результате её полезная работа станет меньше.
- При относительно большом сопротивлении основная часть энергии будет потрачена на работу источника, что может вызвать его перегрев.
Принято считать, что оптимальным будет примерное равенство внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи.
Важно понимать, что при работе электрических приборов эффективность можно рассматривать с различных точек зрения. Каждый электрический прибор предназначен для выполнения определённых функций, и вывод зависит от того, как он их выполняет.
Для примера можно рассмотреть лампочку накаливания. В ней электрическая энергия расходуется не только на обычное освещение, но и на такое, которое происходит в диапазонах, не воспринимаемых человеческим глазом. Последнее представляет собой непроизводительную трату энергии в рабочем режиме. Таким образом, КПД может быть вычислен в зависимости от того, что именно необходимо оценить.
Хотя при рассмотрении эффективности работы источника тока речь идёт об относительно высоком коэффициенте полезного действия, на выполнение полезных функций лампочки тратится не более 5% энергетических затрат. Однако следует заметить, что анализ КПД источника в таких случаях является существенной частью расчётов по определению эффективности работы конкретного электрического устройства.
Также нужно учитывать, что при высоком коэффициенте полезного действия, согласно приведённым здесь формулам, внутреннее сопротивление источника тока должно иметь минимальную величину. Но в результате будет получена большая сила тока, которая спровоцирует преобразование части электрической энергии в тепловую. А это, в свою очередь, уменьшит величину работы по перемещению электрических зарядов.
Таким образом, можно отметить одну особенность коэффициента полезного действия источника тока при перемещении электрических зарядов. Это важно для понимания того, что такое КПД. Его наибольшее значение не приводит к получению максимальной полезной мощности. Получается, что если добиваться максимальной мощности во внешней цепи, то получим КПД работы всего 50%, то есть половина затраченной мощности источника расходуется бесполезно — переходит в тепло, нагревая источник тока. Источник тока может работать с максимальной мощностью только при условии, что его внутреннее сопротивление имеет примерно такое же значение, что и сопротивление нагрузки.
Видео по теме
Для работы электронных и электрических устройств необходимо подключать их к источникам питания. Источники питания могут быть как стационарные, так и автономные. В качестве питающих устройств используются гальванические элементы или преобразователи электроэнергии. И те, и другие являются источниками тока или напряжения.
Что такое источник тока
Это устройство или элемент, в общем понимании – двухполюсник, у которого проходящий через него ток не зависит от величины напряжения на полюсах. Основные характеристики источника тока (ИТ):
- величина;
- внутренняя проводимость (импеданс).
Внутреннее сопротивление такого двухполюсника очень мало. У идеального источника (ИИТ) оно приближается к нулю.
Генераторы движения электронов могут быть как независимыми, так и зависимыми.
Первые представляют собой идеальный двухполюсник, с двумя зажимами. У них ток, движущийся от одного зажима к другому, не зависит от формы и величины разности потенциалов на зажимах. Его изменения происходят по своим законам.
Второй тип ИТ – идеальный двухполюсник, с двумя зажимами, у которого движение зарядов от одного зажима к другому зависит от формы и величины напряжения на этих зажимах.
Существует управляемый зависимый ИТ. Он представляет собой идеальный двухполюсник, имеющий 2 зажима на входе и 2 зажима на выходе. Его особенность в том, что выходное значение тока на выходе зависит от его величины на входе. В таком ИТ происходит усиление мощности. Изменяя нулевое значение мощности на его входе, управляют величину мощности на выходных зажимах.
Информация. Управление производителем энергии может осуществляться напряжением (ИТУН) или током (ИТУТ). Одни находят применение для полевых триодов и электровакуумных ламп, вторые – для транзисторов биполярного типа.
В реальности генераторы тока имеют определённые ограничения по напряжению. Они далеки от идеальных ИТ и создают движение электричества в таком интервале напряжений, где их верхняя граница зависит от Uпит ИТ. Следовательно, у реального источника тока есть существенные пределы по нагрузке.
КПД электрической цепи
Формула мощности электрического тока
Выполняя продвижения зарядов через замкнутую цепь, двухполюсник проделывает некоторую работу. Когда генератор двигает заряды по внешнему контуру цепи, то это полезная работа. Когда ИТ продвигает электрические носители по всей цепи, говорят о полной работе.
Внимание! В этой цепочке перемещения зарядов особое значение имеет КПД (коэффициент полезного действия) источника. Он равен соотношению сопротивлений внешней цепи и полному сопротивлению цепи.
Обращая внимание на КПД электроцепи, нужно отметить, что он напрямую зависит от физических величин, определяющих скорость передачи или трансформации электрической энергии. Одной из таких величин является мощность Р (Вт).
Формулы мощности:
P = U * I = U2/R = I2 * R,
где:
- U – напряжение на нагрузке, В;
- I – ток, А;
- R – сопротивление нагрузки, Ом.
Для разных цепей значения напряжения и сила тока различаются, следовательно, производимая ими работа будет разной. Когда предстоит оценить скорость передачи и преобразования электрического тока, то обращают внимание на Р. Она соответствует работе, проделанной за единицу времени:
P = A/∆t,
где:
- P – мощность, Вт;
- A – работа, Дж;
- ∆t – временной интервал, с.
Исходя из этой формулы, чтобы найти работу А, нужно умножить Р на время:
A=P∙∆t
Чтобы найти КПД (η) электроцепи, нужно найти отношение полезно потраченной энергии к количеству всей энергии, поданной в цепь. Формула для расчёта:
η = A/Q *100%,
где:
- А – проделанная потребителем работа, Дж;
- Q – количество энергии, взятой от источника, Дж.
Важно! КПД не может быть выше единицы. В основном он или равен ей, или меньше её. Этому причина – Закон сохранения энергии. Согласно ему, полезная совершённая работа никогда не превысит затраты энергии, необходимые для её выполнения.
Наглядно это можно объяснить на примере электрической цепи, в которую включен проводник, имеющий определённое сопротивление. При прохождении электричества через цепь часть энергии будет рассеиваться на проводнике, превращаясь в тепло и нагревая его. Потери мощности будут зависеть от величины этого сопротивления.
Ватт в ватте?
Единица мощности – ватт. Обычно мы видим, сколько ватт может обеспечить блок питания, на его этикетке. Большинство ПК уже имеют встроенный блок питания, поэтому при покупке нового компьютера это не проблема. Однако, если вы обновили или добавили новые компоненты к своим компьютерам, например, новый жесткий диск или новую систему охлаждения, то пора проверить мощность, которую может обеспечить блок питания вашего компьютера. Если общая мощность, необходимая компьютеру, больше, чем может обеспечить блок питания, он просто не будет работать. Теперь возникает вопрос: «Сколько ватт нужно моему компьютеру?» Это будет зависеть от общего количества энергии, необходимой компьютеру, в зависимости от мощности, необходимой каждому компоненту. Простые компьютеры на самом деле не требуют такой большой мощности, но сложные системы, например, используемые для игр,
Читать 5 лучших портативных принтеров 2021 года — руководство по покупке и обзоры
Еще один непонятный вопрос для большинства потребителей: «Обеспечивает ли блок питания компьютер постоянную мощность?» Ответ – нет. Мощность, которую вы видите на корпусе блока питания или этикетках, указывает только на максимальную мощность, которую он теоретически может подать в систему. Например, теоретически блок питания мощностью 500 Вт может подавать на компьютер максимум 500 Вт. На самом деле, блок питания потребляет небольшую часть энергии для себя и распределяет мощность по каждому из компонентов ПК в соответствии со своими потребностями. Мощность, необходимая для компонентов, варьируется от 3,3 В до 12 В. Если общая мощность компонентов должна увеличиться до 250 Вт, он будет использовать только 250 Вт из 500 Вт, что даст вам накладные расходы на дополнительные компоненты или будущие обновления.
Кроме того, мощность, подаваемая блоком питания, варьируется в периоды пиковой нагрузки и простоя. Когда компоненты доведены до предела, например, когда видеоредактор максимизирует графический процессор для задач с большим количеством графики, ему потребуется больше энергии, чем когда компьютер используется для простых задач, таких как просмотр веб-страниц. Количество потребляемой мощности блока питания будет зависеть от двух вещей; количество энергии, необходимое для каждого компонента, и задачи, которые выполняет каждый компонент.
Что такое КПД ИТ
Мощность электрического тока
Когда речь идёт о кпд источника тока, также рассматривают полезную и полную работу, совершаемую двухполюсником. Перемещая электроны во внешней цепи, он выполняет полезную работу, двигая их по всей цепи, включая и свою внутреннюю, он производит полную работу.
В виде формул это выглядит так:
- А полезн. = q*U = I*U*t = I2*R*t;
- А полн. = q*ε = I* ε*t = I2*(R+r)*t.
где:
- q – количество энергии, Дж;
- U – напряжение, В;
- ε – ЭДС, В;
- I – ток, А;
- R – сопротивление нагрузки, Ом;
- r – импеданс источника, Ом;
- t – время, за которое совершается работа, с.
С учётом этого можно выразить мощности двухполюсника:
- Р полезн. = А полезн./t = I*U = I2*R;
- P полн. = А полн./t = I*ε = I2*(R+r).
Формула кпд источников тока имеет вид:
η = Р полезн./P полн.= U/ε = R/ R+r.
Исследование мощности и КПД генератора тока
Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе
Максимальная полезная Pmax и максимальный КПДmax – несовместимые понятия. Нельзя добиться максимального КПД источника при максимальной мощности. Это обусловлено тем, что Р, отдаваемая двухполюсником, достигнет своего максимального значения только при условии согласования сопротивления нагрузки и внутреннего импеданса ИТ:
R = r.
В этом случае КПД источника будет:
η = R/ R+r = r/ r+r = 1/2, что составляет всего 50%.
Для согласования двухполюсника и нагрузки применяют электронные схемы или согласующие блоки, для того чтобы добиться максимального отбора мощности от источника.
КПД источника питания
Еще один источник путаницы в отношении блоков питания – их рейтинг эффективности. Когда блок питания преобразует мощность переменного тока в постоянный, часть энергии тратится впустую и преобразуется в тепло. Чем больше тепла выделяет блок питания, тем он менее эффективен. Неэффективные блоки питания, скорее всего, повредят компоненты компьютера или сократят срок их службы в долгосрочной перспективе. Они также потребляют больше энергии из первичного источника, что приводит к более высоким счетам за электроэнергию для потребителей.
Возможно, вы видели наклейки 80 PLUS на блоках питания или других его вариантах, таких как 80 PLUS Bronze, Silver, Gold, Platinum и Titanium. 80 PLUS – рейтинг КПД блока питания; для сертификации источник питания должен достигать 80% эффективности. Это добровольный стандарт, что означает, что компаниям не нужно соблюдать стандарт, но сертификаты 80 PLUS стали популярными, потому что более эффективный источник питания может уменьшить углеродный след потребителей и помочь им сэкономить немного денег на счетах за электроэнергию. Ниже приведен рейтинг эффективности, которого должен достичь блок питания, чтобы получить желаемый рейтинг.
Читать Лучшие тенденции SEO для ранжирования вашего сайта в 2021 году. Часть 3
| Уровни сертификации | КПД при 10% нагрузке | КПД при 20% нагрузке | КПД при 50% нагрузке | КПД при 100% нагрузке |
| 80 PLUS | – | 80% | 80% | 80% |
| 80 PLUS Bronze | – | 82% | 85% | 82% |
| 80 PLUS Silver | – | 85% | 88% | 85% |
| 80 PLUS Gold | – | 87% | 90% | 87% |
| 80 PLUS Platinum | – | 90% | 92% | 89% |
| 80 PLUS Титан | 90% | 92% | 94% | 90% |
Важно отметить, что эффективность 80% не означает, что блок питания будет отдавать компьютеру только 80% своей мощности. Это означает, что он будет потреблять дополнительную мощность от первичного источника, чтобы только 20% мощности терялось или выделялось в виде тепла во время преобразования. Таким образом, блок питания мощностью 500 Вт потребляет 625 Вт энергии из сети, что обеспечивает его эффективность на 80%.
Мощность ИТ и внутреннее сопротивление
Можно собрать последовательную схему, в которую войдут гальванический двухполюсник и сопротивление нагрузки. Двухполюсник, имеющий внутренний импеданс r и ЭДС – Е, отдаёт на внешнюю нагрузку R ток I. Задача цепи – питание электричеством активной нагрузки, выполняющей полезную работу. В качестве нагрузки может быть применена лампочка или обогреватель.
Рассматривая эту цепь, можно определиться с зависимостью полезной мощности от величины сопротивления. Для начала находят R-эквивалентное всей цепи.
Оно выглядит так:
Rэкв. = R + r.
Движение электричества в цепи находится по формуле:
I = E/(R + r).
В таком случае Р ЭДС на выходе составит Рвых. = E*I = E²/(R + r).
Далее можно найти Р, рассеиваемую при нагреве генератора из-за внутреннего сопротивления:
Pr = I² * r = E² * r/(R + r)².
На следующем этапе определяются с мощностью, отбираемой нагрузкой:
PR = I² * R = E² * R/(R + r)².
Общая Р на выходе двухполюсника будет равна сумме:
Рвых. = Рr + PR.
Это значит, что потери энергии изначально происходят при рассеивании на импедансе (внутреннем сопротивлении) двухполюсника.
Далее, чтобы увидеть, при какой величине нагрузки достигается максимальная величина полезной мощности Рполезн., строят график.
При его рассмотрении видно, что самое большое значение мощности – в точке, где R и r сравнялись. Это точка согласования сопротивлений генератора и нагрузки.
Внимание! Когда R > r, то ток, возникающий в цепи, мал для передачи энергии нагрузке с достаточной скоростью. При R < r значительная доля энергии превращается в тепло в самом двухполюснике.
Наиболее наглядный пример согласования можно увидеть в радиотехнике при согласовании выходного сопротивления УНЧ (усилителя низкой частоты) и звуковых динамиков. На выходе усилителя сопротивление находится в пределах от 4 до 8 Ом, в то время как Rвх динамика составляет 8 Ом. Устройство позволяет подключить к своему выходному каскаду, как один динамик на 8 Ом, так и параллельно два по 4 Ома. И в том, и в другом случае УНЧ будет работать в заданном режиме, без потерь мощности.
В процессе разработок тех или иных реальных источников тока пользуются представлением его в виде эквивалентного блока. В его состав входят два компонента, с которыми ведётся работа: это идеальный источник и его импеданс.
Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей
Электрические двигатели имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД), но все же он далек от идеальных показателей, к которым продолжают стремиться конструкторы. Все дело в том, что при работе силового агрегата преобразование одного вида энергии в другой проходит с выделение теплоты и неминуемыми потерями. Рассеивание тепловой энергии можно зафиксировать в разных узлах двигателя любого типа. Потери мощности в электродвигателях являются следствием локальных потерь в обмотке, в стальных деталях и при механической работе. Вносят свой вклад, пусть и незначительный, дополнительные потери.
Магнитные потери мощности
При перемагничивании в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя происходят магнитные потери. Их величина, состоящая из суммарных потерь вихревых токов и тех, что возникают при перемагничивании, зависят от частоты перемагничивания, значений магнитной индукции спинки и зубцов якоря. Немалую роль играет толщина листов используемой электротехнической стали, качество ее изоляции.
Механические и электрические потери
Механические потери при работе электродвигателя, как и магнитные, относятся к числу постоянных. Они складываются из потерь на трение подшипников, на трение щеток, на вентиляцию двигателя. Минимизировать механические потери позволяет использование современных материалов, эксплуатационные характеристики которых совершенствуются из года в год. В отличие от них электрические потери не являются постоянными и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. Чаще всего они возникают вследствие нагрева щеток, щеточного контакта.
Падает коэффициент полезного действия (КПД) от потерь в обмотке якоря и цепи возбуждения. Механические и электрические потери вносят основной вклад в изменение эффективности работы двигателя.
Добавочные потери
Добавочные потери мощности в электродвигателях складываются из потерь, возникающих в уравнительных соединениях, из потерь из-за неравномерной индукции в стали якоря при высокой нагрузке. Вносят свой вклад в общую сумму добавочных потерь вихревые токи, а также потери в полюсных наконечниках. Точно определить все эти значения довольно сложно, поэтому их сумму принимают обычно равной в пределах 0,5-1%. Эти цифры используют при расчете общих потерь для определения КПД электродвигателя.
Будет интересно➡ Что такое элемент Пельтье и как его сделать своими руками?
КПД и его зависимость от нагрузки
Коэффициент полезного действия (КПД) электрического двигателя это отношение полезной мощности силового агрегата к мощности потребляемой. Этот показатель у 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 достаточно точно вычислить коэффициент полезного действия любого силового агрегата. Этот метод определения КПД называется косвенным и он может применяться для машин различной мощности.
Комментарий эксперта
Лагутин Виталий Сергеевич
Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.
Задать вопрос
Для маломощных силовых агрегатов часто используют метод непосредственной нагрузки, заключающийся в измерениях потребляемой двигателем мощности. КПД электрического двигателя не является величиной постоянной, своего максимума он достигает при нагрузках около 80% мощности.
Достигает он пикового значения быстро и уверенно, но после своего максимума начинает медленно уменьшаться. Это связывают с возрастанием электрических потерь при нагрузках, более 80% от номинальной мощности. Падение коэффициента полезного действия не велико, что позволяет говорить о высоких показателях эффективности электродвигателей в широком диапазоне мощностей.
