Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Про электричество | Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Обучение электриков | Контакты



Изучайте основы электротехники на нашем сайте и освоите методы расчетов, различные типы систем и применение электротехнических устройств. Раздел "Основы электротехники" поможет вам укрепить ваши знания и развить навыки в этой захватывающей области.

 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Справочник электрика / Основы электротехники / Соотношение мощностей в простейшей электрической цепи


 Школа для электрика в Telegram

Соотношение мощностей в простейшей электрической цепи



В этой статье выясним, каковы должны быть соотношения параметров источника и приемника для того, чтобы добиться оптимального режима работы электрической цепи. Энергетические соотношения важны также и для техники слабых токов. В принципе эти вопросы можно рассмотреть на примере простейшей электрической цепи.

Соотношение мощностей в простейшей электрической цепи

Цепь состоит из источника постоянного тока с ЭДС Е и внутренним сопротивлением Rвт, который вырабатывает электрическую энергию, и получающего энергию приемника с сопротивлением нагрузки Rн.

Схема для пояснения соотношения мощностей в простейшей цепи

Рис. 1. Схема для пояснения соотношения мощностей в простейшей цепи

Так как источник имеет внутреннее сопротивление, то часть развиваемой им электрической энергии преобразуется в тепловую в нем самом.

Ток в цепи, изображенной на рис. 1

Ток в цепи

На основании этого уравнения определим мощность приемника (мощность преобразования электрической энергии в другие виды):

Мощность

 Аналогично мощность потерь в источнике:

Мощность потерь в источнике

Электрическая мощность источника должна быть равна сумме мощностей, преобразуемых в другие виды в источнике и приемнике, т. е. должен существовать баланс мощностей (как и для любых цепей):

Электрическая мощность источника

В выражение для мощности Рн может быть также введено и напряжение на выводах U.

Мощность приемника:

Мощность приемника

Коэффициент полезного действия (КПД), определяемый как отношение мощности приемника (полезной) к развиваемой мощности:

Коэффициент полезного действия

Уравнение показывает, что КПД зависит от соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления. Значения этих сопротивлений являются определяющим фактором в распределении мощности, развиваемой источником:

Распределение мощности, развиваемой источником

Мощность Рн следует рассматривать как полезную, мощность потерь в источнике Рвт определяет только нагрев источника, и, следовательно, соответствующая энергия расходуется непродуктивно.

КПД растет с увеличением отношения Рн/Рвт.

Для того чтобы получить большое значение КПД следует выполнять соотношение Рн > Рвт, т. е. электрическая цепь должна работать в режиме, близком к режиму холостого хода источника.

На практике для соотношения мощностей могут быть поставлены два различных требования: большое значение КПД и наличие согласования по мощности. Требование большого КПД выдвигается, например, тогда, когда нужно передать по проводам большое количество энергии или же преобразовать эту энергию в электрических машинах. Даже небольшое повышение значения КПД дает в таких случаях большую экономию.

Так как использование больших энергий характерно прежде всего для техники сильных токов, то, следовательно, в этой области следует работать в режимах, близких к режиму холостого хода. Кроме того, при работе в таких режимах напряжение на выводах лишь незначительно отличается от ЭДС источника.

В технике слабых токов (особенно в технике связи и измерительной технике) применяются очень маломощные источники, имеющие к тому же большие внутренние сопротивления. В таких случаях КПД, характеризующий процесс передачи энергии, часто имеет второстепенное значение, а на первый план выдвигается требование максимально возможного значения получаемой приемником мощности.

В то время, как в технике сильных токов бесполезные или даже вредные преобразования энергии — потери энергии снижаются при повышении КПД, в технике слабых токов эффективность использования установок и приборов повышается при правильном согласовании мощностей в электрических цепях.

Условие получения максимально возможной мощности приемника Рвmах от источника с данными ЭДС и внутренним сопротивлением:

Условие получения максимально возможной мощности приемника

Откуда следует, что условие максимальной мощности приемника выполняется при соблюдении равенства Rн = Rвт.

Таким образом, при равенстве сопротивлений приемника и внутреннего сопротивления источника получаемая приемником мощность является максимальной.

Если Rн = Rвт, то

Напряжение и ток

Для мощности, получаемой приемником, имеем:

Мощность

Пример. При помощи термоэлектрического преобразователя (термопары) с внутренним сопротивлением Rвт = 5 Ом можно получить напряжение 0,05 мВ/°С. Наибольшая разница температур 200 °С. Какие электрические данные должен иметь показывающий электрический прибор (сопротивление, мощность, ток), если он должен получить от преобразователя максимальную мощность.

Дать решение для двух случаев:

а) прибор подключен непосредственно к преобразователю;

б) прибор подключается при помощи двух медных проводов длиной = 1000 м каждый с площадью поперечного сечения S = 1 мм2.

Решение. Максимальное напряжение на выводах термоэлектрического преобразователя равно его ЭДС Е = 200*0,05 = 10 мВ.

При этом показание включенного в цепь прибора должно быть максимальным (на верхнем пределе измерения).

а) Для того чтобы мощность прибора была максимальной, необходимо добиться согласования сопротивлений прибора и преобразователя. С этой целью выбираем сопротивление прибора Rн равным сопротивлению термоэлемента, т. е. Rн = Rт = 5 Ом.

Находим максимальную мощность прибора:

Максимальная мощность прибора

Определяем ток:

б) Если сопротивлением проводов нельзя пренебречь, то его следует учитывать при определении суммарного внутреннего сопротивления активного двухполюсника, состоящего из термоэлемента и двух проводов, так как в противном случае возникает рассогласование приемника и источника по мощности.

Найдем сопротивление проводов, имея в виду, что удельное сопротивление равно 0,0178 мкОм-м:

Сопротивление проводов

Таким образом, нужный уровень сопротивления прибора равен:

Нужный уровень сопротивления прибора

При таком значении внутреннего сопротивления мощность прибора будет максимальной

Максимальная мощность

Ток в цепи:

Ток в цепи

Полученные результаты показывают, что целесообразно выбирать источники с малым значением внутреннего сопротивления, а площадь поперечного сечения соединительных проводов должна быть достаточно большой.

Очень часто при проведении таких измерений расчет согласования приемника и источника сводится к тому, что из имеющихся приборов выбирается тот, у которого при заданном или известном максимальном значении измеряемой величины получается наибольшее отклонение стрелки и, следовательно, обеспечивается наибольшая точность отсчета по шкале.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика