Формула КПД в источниках электрического тока

Что такое источник тока

Это устройство или элемент, в общем смысле, представляет собой двухполюсник, где проходящий через него ток не зависит от величины напряжения на полюсах. Основные характеристики источника тока (ИТ):

• область применения;
• внутренняя проводимость (импеданс).

Внутреннее сопротивление такой двухполюсника очень мало. У идеального источника (ИИТ) он приближается к нулю.

Графическое обозначение и ВАХ ИТ

Генераторы движения электронов могут быть как независимыми, так и зависимыми.

Первые представляют собой идеальную двухполюсную сеть, с двумя зажимами. В них ток, который движется от одного вывода к другому, не зависит от формы и величины разности потенциалов на выводах. Изменения происходят по своим законам.

Второй тип ИТ — идеальный двухполюсный, с двумя выводами, где движение зарядов от одного вывода к другому зависит от формы и величины напряжения на этих выводах.

Администрируется в зависимости от ИТ. Это идеальная двухтерминальная сеть с 2 терминалами на входе и 2 терминалами на выходе. Его особенность в том, что выходное значение тока на выходе зависит от значения на входе. В таком ИТ происходит усиление мощности. Изменяя значение нулевой мощности на входе, можно контролировать значение мощности на выходных клеммах.

Информация. Производитель энергии может управляться напряжением (ITUN) или током (ITUT). Одни используются для полевых триодов и электронных ламп, другие — для биполярных транзисторов.

В действительности генераторы электроэнергии имеют определенные ограничения по напряжению. Они далеки от идеальных ИТ и создают движение электроэнергии в таком диапазоне напряжений, где их верхний предел зависит от ИТ УИТ. Следовательно, реальный источник питания имеет значительные пределы нагрузки.

КПД электрической цепи

Формула электрического тока

Осуществляя движение зарядов по замкнутому контуру, двухполюсник выполняет некоторую работу. Когда генератор перемещает заряды по внешней окружности цепи, это полезная работа. Когда ИТ продвигает электронные носители по всей цепочке, говорят о полной работе.

Обратите внимание на следующее! В этой цепи движения зарядов особое значение имеет КПД (КПД) источника. Оно равно отношению сопротивления внешней цепи к общему сопротивлению цепи.

Принимая во внимание КПД электрической цепи, следует отметить, что он напрямую зависит от физических величин, определяющих скорость передачи или преобразования электрической энергии. Одной из таких величин является мощность P (Вт).

Формулы силы:

Р=U*I=U2/R=I2*R,

куда:

• U — напряжение на нагрузке, В;
• I – ток, А;
• R — сопротивление нагрузки, Ом.

Для разных цепей значения напряжения и тока разные, поэтому и работа, которую они совершают, будет разной. Когда необходимо оценить скорость передачи и преобразования электрического тока, обращают внимание на R. Он соответствует работе, совершаемой в единицу времени:

Р = А/∆t,

куда:

• P – мощность, Вт;
• А – работа, Дж;
• ∆t – интервал времени, с.

Исходя из этой формулы, чтобы найти работу А, нужно умножить Р на время:

А=P∙∆t

Чтобы найти КПД (η) электрической цепи, нужно найти отношение используемой полезной энергии к количеству всей энергии, подведенной к цепи. Формула для расчета:

η = A/Q *100%,

куда:

• A – работа, выполненная потребителем, Дж;
• Q — количество энергии, отбираемой от источника, Дж.

Важно! Эффективность не может быть выше единицы. По сути, он либо равен этому, либо меньше этого. Причиной этого является закон сохранения энергии. По его словам, совершаемая полезная работа никогда не будет превышать энергии, необходимой для ее выполнения.

Наглядно это можно пояснить на примере электрической цепи, в которую включен проводник с определенным сопротивлением. Когда электричество проходит по цепи, часть энергии теряется на проводнике, превращаясь в тепло и нагревая его. Потери мощности будут зависеть от величины этого сопротивления.

КПД в электрической цепи

Параметры источника питания

Телефонная линия МКЭШ

На практике часто приходится задумываться, какой должна быть мощность источника питания, сколько ватт (Вт) или киловатт (кВт) необходимо для обеспечения бесперебойной работы устройства. Чтобы понять суть, нужно иметь представление о таких понятиях, используемых в физике, как:

• полная энергия цепи;
• ЭДС и напряжение;
• внутреннее сопротивление источника питания;
• потеря внутри ИП;
• полезная мощность.

Вне зависимости от того, какую энергию производит источник (механическую, электрическую, тепловую), мощность следует выбирать с небольшим запасом (5-10%).

Полная энергия цепи

При подключении нагрузки к цепи, которая будет потреблять энергию от источника тока (ИТ), будет действовать ток. Энергия, выделяемая всеми потребителями и элементами цепи, входящими в цепь (провода, электронные компоненты и т д.), называется суммарной. Источником энергии может быть любой: генератор, аккумулятор, тепловой котел. Число значения полной энергии будет суммой энергии, израсходованной источником на потери, и количества, израсходованного на выполнение определенной работы.

ЭДС и напряжение

В чем разница между этими двумя понятиями?

ЭДС — электродвижущая сила, это напряжение, которое внешние силы (химическая реакция, электромагнитная индукция) создают внутри источника тока (ИТ). ЭДС – это сила движения электрических зарядов в ИТ.

Определение ЭДС

Примечание. Измерить значение Е (ЭДС) представляется возможным только в режиме холостого хода (хх). Подключение нагрузки вызывает падение напряжения внутри блока питания.

Напряжение (U) — физическая величина, представляющая собой разность потенциалов ϕ1 и ϕ2 на выходе источника напряжения (ИВ).

Разность потенциалов

Полезная мощность

Определение термина «полная мощность» используется не только в отношении электрических цепей. Он также применим к электродвигателям, трансформаторам и другим устройствам, которые могут потреблять как активную, так и реактивную энергию.

Потери внутри источника питания

Такие потери возникают из-за внутреннего сопротивления двухполюсника. Для аккумулятора это сопротивление электролита, для генератора сопротивление обмотки, провода которой выходят из корпуса.

Внутреннее сопротивление источника питания

Взять и просто измерить R0 тестером не получится, его необходимо знать, чтобы рассчитать потери P0. Поэтому используются косвенные методы.

Косвенный метод определения R0 заключается в следующем:

• в холодном режиме измерить Е (В);
• при включенной нагрузке Rн (Ом) измеряют Uвых (В) и ток I (А);
• падение напряжения внутри источника рассчитывается по формуле:

U0=E-Uут.

На последнем шаге находится R0=U0/I.

Схема измерения R0

В чем измеряется КПД

Коэффициент полезного действия (КПД), характеристика эффективности системы (устройства, машины) по отношению к преобразованию или передаче энергии; определяется отношением используемой полезной энергии к общему количеству энергии, полученной системой; обычно обозначается через h = Wpol/Wcym.

В электродвигателях КПД — это отношение (полезной) механической работы, выполненной к электрической энергии, полученной от источника; в тепловых машинах — отношение полезной механической работы к количеству использованной теплоты; в электрических трансформаторах отношение электромагнитной энергии, полученной во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Узнайте больше о том, как генерируется статическое электричество.

Для расчета КПД различные виды энергии и механической работы выражаются в одних и тех же единицах на основе механического эквивалента тепла и других подобных условий. Благодаря своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единых позиций такие разнородные системы, как ядерные реакторы, электрические генераторы и двигатели, тепловые электростанции, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т д

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, нагрев окружающих тел и т п. КПД всегда меньше единицы. Следовательно, КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, т е в собственной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД тепловых электростанций достигает 35-40%, двигателей внутреннего сгорания — 40-50%, мощных динамо-машин и генераторов — 95%, трансформаторов — 98%.

Читайте также: Подключить стиральную машину к электричеству

Как измерить эффективность.

КПД процесса фотосинтеза обычно составляет 6-8%, у хлореллы достигает 20-25%. Для тепловых машин в силу второго закона термодинамики КПД имеет верхний предел, определяемый свойствами термодинамического цикла (кругового процесса), совершаемого рабочим телом. Цикл Карно имеет самый высокий КПД. Различают КПД отдельного элемента (ступени) в машине или агрегате и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. КПД первого типа по характеру преобразования энергии может быть механическим, тепловым и др. ко второму типу относятся общий, экономический, технический и другие виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных КПД или КПД ступеней.

В литературе эффективность иногда определяют так, что она может быть больше единицы. Аналогичная ситуация возникает, если определить КПД отношением Wпол/Wзар, где Wпол – использованная энергия, полученная на «выходе» системы, Wзар – не вся энергия, поступающая в систему, а только та ее часть , что делается реальными затратами.

Например, при работе термоэлектрических полупроводников (тепловых насосов) потребление электроэнергии меньше количества тепла, выделяемого термопарой. Избыток энергии получают из окружающей среды. В этом случае, хотя истинный КПД объекта меньше единицы, рассматриваемый КПД h = Wpol/Wzap может быть больше единицы.

Примеры расчета эффективности.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
2. Что такое ток короткого замыкания?
3. Что такое полная мощность?
4. Как рассчитывается КПД источника тока?
5. Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется, когда внешнее и внутреннее сопротивления цепи равны.
6. Верно ли, что мощность, рассеиваемая внутри цепи, постоянна для данного источника?
7. К клеммам аккумулятора фонарика был подключен вольтметр, который показывал 3,5 В.
8. Затем вольтметр отключили и на его место подключили лампу, на цоколе которой было написано: P = 30 Вт, U = 3,5 В. Лампа не горела.
9. Объясните явление.
10. При поочередном подключении батареи к резисторам R1 и R2 в них одновременно выделялось одинаковое количество тепла. Определить внутреннее сопротивление батареи.

Что такое КПД ИТ

Мощность электрического тока

Что касается эффективности источника тока, они также учитывают полезную и полную работу, выполняемую двухполюсной сетью. Двигая электроны во внешнем контуре, он совершает полезную работу, двигая их по всему контуру, включая свой внутренний, он совершает полную работу.

В виде формулы это выглядит так:

• И полезно. = q*U = I*U*t = I2*R*t;
• Пьяный. = q*ε = I* ε*t = I2*(R+r)*t.

куда:

• q – количество энергии, Дж;
• U – напряжение, В;
• ε – ЭДС, В;
• I – ток, А;
• R – сопротивление нагрузки, Ом;
• r – полное сопротивление источника, Ом;
• t — время выполнения работы, с.

Имея это в виду, мы можем выразить мощность двухтерминальной сети:

• Р полезно. = А полезное / т = I * U = I2 * R;
• P полный = A total/t = I*ε = I2*(R+r).

Формула эффективности источников тока:

Н = Р полезное / Р полное = U / ε = R / R + r.

Что такое КПД источника тока

Рассмотренный КПД всей электрической цепи позволяет лучше понять физическую сущность КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи источник тока совершает определенную работу, которая бывает полезной и полной. При совершении полезной работы источник тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе заряды под действием источника тока уже движутся по цепи.

В виде формул они выглядят следующим образом:

• Полезная работа — Аполез = qU = IUt = I2Rt.
• Полная работа – Afull = qε = Iεt = I2(R +r)t.

Исходя из этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:

• Полезная мощность — Рполез = Аполез / t = IU = I2R.
• Полная мощность — Рпол = Апол/t = Iε = I2(R + r).

В результате формула КПД источника тока принимает следующий вид:

• η = Ause/ Atot = Ruse/ Ptot = U/ε = R/(R + r).

Максимальная полезная мощность получается при определенном значении сопротивления внешней цепи, зависящем от характеристик источника тока и нагрузки. Однако следует помнить о несовместимости между максимальной полезной мощностью и максимальной эффективностью.

по теме: Изучение мощности и КПД источника тока

Отчет

Лабораторная работа

Выполнил: Волков К.В. YY11-07

Проверено: Байкалова С.И

Красноярск 2012

Задача:

Изучить зависимость полной мощности источника, полезной мощности, КПД источника от величины тока в цепи и сопротивления нагрузки, а также определить ЭДС источника и его внутреннее сопротивление .

Читайте также: Сигнал: виды сигналов, функции, приложения и отзывы. Виды модуляции сигнала

Оборудование:

Источник тока, реостат, амперметр, вольтметр.

Теоретическое введение:

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц: положительное от большего потенциала к меньшему по направлению поля (от плюса к минусу), отрицательное — против поля (от минуса к плюсу). За положительное направление тока условно принимается направление движения положительных зарядов. Необходимыми условиями существования электричества являются:

1. Наличие свободных затрат;

2. Наличие внешнего электрического поля;

3. Наличие источника тока, который за счет работы внешних сил поддерживает поле в проводнике.

Ток – это скалярная величина, равная отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника, ко времени переноса:

(один)

Внешние силы называются силами неэлектростатической природы. Они перемещают положительный заряд в таких частях замкнутой цепи, где он движется в направлении возрастания потенциала, против сил электростатического поля. Примерами источников внешних сил являются химические реакции в гальванических элементах, механическое движение гидротурбины и т д. Любое устройство, в котором возникают внешние силы, называется источником питания.

ЭДС источника тока, действующая в цепи или на ее участке, представляет собой физическую величину, равную работе внешних сил, отнесенную к единице положительного заряда:

(2)

Закон Ома используется для расчета силы тока.

Закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника внешних сил) выражается формулой:

, (3)

Читайте также: Ваттметр для измерения мощности: назначение, виды, подключение, применение

где – натяжение на концах сечения, ; — сопротивление сечения.

Закон Ома для неоднородного участка цепи (содержащего источник внешних сил) характеризуется формулой:

, (четыре)

где — внутреннее сопротивление источника .

Закон Ома для замкнутой цепи (когда разность потенциалов равна нулю) имеет вид:

(5)

На рис. 1 представлена ​​схема электрической цепи, используемой в данной работе, со следующими обозначениями: — источник питания; — выключатель; — амперметр с очень низким сопротивлением; — вольтметр с очень большим внутренним сопротивлением. Грубо говоря, предполагается, что мощность выделяется только на сопротивлении нагрузки и внутри источника сопротивления .

В случае, когда проводники, образующие цепь, неподвижны, а ток постоянен, работа внешних сил полностью расходуется на нагрев проводников.

Полезная мощность, выделяющаяся во внешней цепи, находится по формуле:

(6)

Суммарная мощность источника тока равна сумме сил, выделяющихся во всей цепи:

(7)

КПД равен отношению полезной мощности к полной мощности источника питания :

(восемь)

В зависимости от величины сопротивления внешней цепи рассматриваются три основных режима:

1. Неактивный режим при разомкнутой цепи, , при этом , , , ;

2. Режим короткого замыкания, когда внешнее сопротивление равно . При этом наблюдаем максимальное значение силы тока:

<p>; ; ; ; ;

3 режим отпускания максимального тока во внешней цепи, когда сопротивление внешней цепи равно сопротивлению источника тока (режим согласованной нагрузки):

Так как полезная мощность равна , то, исследуя эту функцию на экстремум, находим, что максимальная полезная мощность будет при равенстве величины внешнего сопротивления внутреннему сопротивлению. При этом ток в цепи, падение напряжения на внешней нагрузке, полная полезная мощность и КПД источника тока будут равны

<p>; ; ; ; .

Зависимости , , от и при и показаны на рис. 2 и 3.

Прогресс:

1. Определить стоимость одного деления амперметра и вольтметра.

В=0,5 В; А=0,02А

2. Измерьте с открытым ключом источника ЭДС .

=30,5 В

3. Замкнуть ключ и, изменяя сопротивление реостата, отсчитывать ток и напряжение равномерно во всем диапазоне изменения тока от нуля до максимального значения (не менее 10 — 15 отсчетов).

4. Рассчитайте , , для всех измеренных значений тока и напряжения. Рассчитайте внутреннее сопротивление источника тока .

5. Запишите результаты измерений и расчетов в таблицу 1.

Номер измерения	,НО	,НА	, Ом	, Вт	, Вт
0,7	21,5	30,71	15.1	21.35	0,705
0,86	18,6	13,76	26.23	0,525
30,5	0,426
1,4	6,43	12,6	42,7	0,295
0,131

Ом, В.

Вывод:

Мы определили зависимость полной мощности источника, полезной мощности, КПД источника от величины тока в цепи и сопротивления нагрузки, а также научились определять ЭДС источника и его внутреннее сопротивление.

Что такое КПД ИТ

Что касается эффективности источника тока, они также учитывают полезную и полную работу, выполняемую двухполюсной сетью. Двигая электроны во внешнем контуре, он совершает полезную работу, двигая их по всему контуру, включая свой внутренний, он совершает полную работу.

В виде формулы это выглядит так:

• И полезно. = q*U = I*U*t = I2*R*t;
• Пьяный. = q*ε = I* ε*t = I2*(R+r)*t.

куда:

• q – количество энергии, Дж;
• U – напряжение, В;
• ε – ЭДС, В;
• I – ток, А;
• R – сопротивление нагрузки, Ом;
• r – полное сопротивление источника, Ом;
• t — время выполнения работы, с.

Имея это в виду, мы можем выразить мощность двухтерминальной сети:

• Р полезно. = А полезное / т = I * U = I2 * R;
• P полный = A total/t = I*ε = I2*(R+r).

Формула эффективности источников тока:

Н = Р полезное / Р полное = U / ε = R / R + r.

График зависимости кпд от мощности. Исследование изменения полезной мощности и кпд

ЗАВИСИМ ОТ ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА

ОТ НАГРУЗКИ

Цель работы: исследовать зависимость полезной мощности и КПД источника тока от нагрузки.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, амперметр, вольтметр, реостат, 2 ключа.

Теоретическое введение

Электрическая цепь обычно состоит из источника питания, линий питания и потребителя энергии или нагрузки. Каждый из этих элементов цепи имеет сопротивление. Сопротивление выводов проводки обычно очень мало, поэтому им можно пренебречь. По закону Ома для замкнутой цепи сила тока I в цепи равна

где R — сопротивление нагрузки;

r — сопротивление источника тока;

Суммарная мощность N, развиваемая источником тока и выделяемая во всей цепи, равна:

Смотрите также: температура кипения свинца в градусах Цельсия

На нагрузку выделяется только часть этой мощности, которую мы называем полезной мощностью:

или же

, (3)

где U — напряжение на нагрузке,

R — сопротивление нагрузки.

КПД источника питания есть отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой ЭДС в цепи:

(четыре)

Формулы (2) и (4) рассчитаны для полезной мощности и КПД источника тока.

Подставив выражения U=IR и E=I(R+r) в формулу (4), получим формулу, выражающую зависимость КПД от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока:

(5)

Из этой формулы следует, что чем больше КПД, тем больше сопротивление нагрузки R по сравнению с сопротивлением r источника тока. Поэтому сопротивление источника тока стремится быть как можно меньше.

Найдем соотношение между R и r, при котором полезная мощность, отбираемая от данного источника тока, будет наибольшей. Для этого продифференцируем формулу (3) для полезной мощности по R и приравняем производную к нулю:

Отсюда получаем, что она имеет максимум при R = r (другое решение соответствует минимуму полезности). Поэтому для выбора из заданной ЭДС наибольшей полезной мощности необходимо принять сопротивление нагрузки R, равное сопротивлению r источника тока. Согласно формуле (5), КПД в этом случае составляет 50%.

Порядок работы

2. При открытом ключе закрыть ключ и измерить ЭДС. E текущее значение ЭДС источника в таблицу.

3. Замкнуть ключ и с помощью реостата установить минимальный ток I во внешней цепи. Запишите показания амперметра и вольтметра.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

КПД источника тока равен

. (9)

Из формулы (8) следует, что

, (10)

в. P1 изменяется с изменением тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при

. Первое значение соответствует обрыву цепи (R>> r), второе — короткому замыканию (R

Закон Ома для полной цепи:

, (один)

I- ток в цепи; Е — электродвижущая сила источника тока, включенного в цепь; R — сопротивление внешней цепи; r — внутреннее сопротивление источника тока.

Исследование мощности и КПД генератора тока

Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе

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 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.

Взаимосвязь полезной мощности и КПД

Электросчетчик ТСЭ6807П

Коэффициент полезного действия (КПД) – безразмерная величина, выражаемая численно в процентах. КПД обозначается буквой η.

Формула выглядит следующим образом:

η = А/Q,

куда:

• А — полезная работа (энергия);
• Q — используемая энергия.

По мере увеличения КПД в разных двигателях допускается строить следующую линейку:

• электродвигатель — до 98%;
• ДВС — до 40%;
• паровая турбина — до 30%.

С точки зрения мощности КПД равен отношению полезной мощности к полной мощности, производимой источником. В любом случае η ≤ 1.

Важно! КПД и Ppol не одно и то же. В разных рабочих процессах они достигают максимума либо того, либо другого.

Получение максимальной энергии на выходе ИП

Примечание. Для повышения КПД кранов, ТНВД или авиационных двигателей необходимо уменьшить силы трения механизмов или сопротивления воздуха. Это достигается применением разнообразных смазок, установкой высококлассных подшипников (замена скольжения на качение), изменением геометрии крыла и т д

Максимальную энергию или мощность на выходе ИП можно получить при согласовании сопротивления нагрузки Rn и внутреннего сопротивления R0 ИП. Это означает, что Rн = R0. В этом случае КПД составляет 50%. Это вполне приемлемо для слаботочных цепей и радиоустройств.

Однако этот вариант не подходит для электроустановок. Чтобы большие мощности не тратились впустую, режим работы генераторов, выпрямителей, трансформаторов и электродвигателей таков, что КПД приближается к 95% и более.

График зависимости Rпол и η от тока в цепи

Достижение максимального КПД

Формула эффективности источника тока:

η = Pн/Pобщ = R/Rн+r,

куда:

• Pл — сила нагрузки;
• Pобщ — общая мощность;
• R — полное сопротивление цепи;
• Rн — сопротивление нагрузки;
• r — внутреннее сопротивление ИТ.

Как видно из графика, изображенного на рис выше, мощность Pn стремится к нулю при уменьшении тока в цепи. КПД же достигнет своего максимального значения при разомкнутой цепи, а ток равен нулю, при коротком замыкании в цепи он становится равным нулю.

Если обратиться к элементарной тепловой машине, состоящей из поршня и цилиндра, то степень сжатия равна степени расширения. Повышение КПД такого двигателя возможно при:

• изначально высокие параметры: давление и температура рабочей жидкости перед началом расширения;
• приближение их значений к параметрам среды в конце расширения.

достижение ηmax возможно только при наиболее эффективном изменении давления рабочего органа при вращательном движении вала.

Примечание. Тепловой КПД увеличивается с увеличением доли теплоты, подведенной к рабочему телу, которая преобразуется в работу. Подведенное тепло делится на два вида энергии: внутреннюю в виде температуры и энергию давления.

Механическая работа фактически совершается только вторым видом энергии. Это порождает ряд недостатков, тормозящих процесс повышения эффективности:

• часть давления уходит во внешнюю среду;
• достижение максимального КПД невозможно без увеличения процента энергии давления, используемой для преобразования ее в работу;
• невозможно повысить КПД тепловых двигателей, не изменяя S на поверхности приложения давления и не удаляя эту поверхность из точки вращения;
• использование только газообразного рабочего тела не способствует увеличению η тепловых двигателей.

Для достижения высокого КПД тепловой машины необходимо определиться с рядом решений. Этому способствуют следующие модели устройств:

• введение в расширительный цикл другой рабочей жидкости с разными физическими свойствами;
• максимально использовать оба вида энергии для рабочего тела перед расширением;
• производить генерацию дополнительного рабочего тела непосредственно при расширении газообразного.

Информация. Все усовершенствования двигателей внутреннего сгорания в виде: турбокомпрессора, организации многократного или распределенного впрыска, а также увеличения влажности воздуха, доводящего топливо до состояния пара при впрыске, не дали ощутимых результатов резкого повышение эффективности.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Для чего нужен расчет КПД

КПД электрической цепи – это отношение полезного тепла к общему. Для ясности возьмем пример. Когда вы найдете КПД двигателя, вы сможете определить, оправдывает ли основная функция стоимость потребляемой электроэнергии. То есть расчет даст четкое представление о том, насколько хорошо прибор преобразует полученную энергию. Примечание! КПД обычно не имеет значения, а представляет собой процент или числовой эквивалент от 0 до 1. КПД находится по общей расчетной формуле, для всех агрегатов в целом. Но чтобы получить результат в электрической цепи, нужно сначала найти силу электричества.

Из физики известно, что каждый генератор тока имеет свое сопротивление, которое также называют внутренней силой. Помимо этого значения, источник электроэнергии также имеет свою мощность. Присвоим значения каждому элементу цепи: сопротивление — r; сила тока — Е; сопротивления (внешней нагрузки) — R. Полная цепь Итак, чтобы найти силу тока, обозначение которой будет — I, и напряжение на сопротивлении — U, потребуется время — t, при прохождении заряда q = lt . Работу источника тока можно рассчитать по следующей формуле: A = Eq = EIt. В связи с тем, что сила электричества постоянна, работа генератора полностью преобразуется в теплоту, выделяемую R и r. Такое количество можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца: Q = I2 + I2 rt = I2 (R+r)т.

Формулы расчета эффективности.

Затем приравниваются правильные части формулы: EIt = I2(R+r)t.После выполнения приведения получается расчет: E=I(R+r). После перестановки формулы получается: I = ER + r Это конечное значение и будет электрической мощностью в этой единице. Произведя таким образом предварительный расчет, теперь можно определить КПД.

Расчет КПД электрической цепи Ток, полученный от источника питания, называют потребляемым, его определение записывают — Р1. Если эта физическая величина поступает от генератора на всю схему, она считается полезной и записывается — Р2. Для определения КПД цепи необходимо помнить о законе сохранения энергии.

В соответствии с ним мощность приемника Р2 всегда будет меньше потребляемой мощности Р1. Это связано с тем, что в процессе работы в приемнике всегда происходит неизбежная трата преобразованной энергии, которая расходуется на нагрев проводов, их оболочек, вихревые токи и т д.

Итак, когда мы знаем все значения индикаторов, составляющих электрическую цепь, мы находим ее полезной и полной работы: A полезной. = qU = IUt = I2Rt; И всего = qE = IEt = I2(R+r)t. В соответствии с этими значениями находим мощность источника тока: P2 = A полезная / t = IU = I2 R; P1 = A в комплекте / t = IE = I2 (R + r). После выполнения всех действий получаем формулу эффективности: n = Один полезный / Один полный = P2 / P1 = U / E = R / (R + r). Эта формула приводит к тому, что R больше бесконечности, а n больше 1, но при этом ток в цепи остается малым и полезная мощность ее невелика.

Каждый хочет найти эффективность повышенной стоимости. Для этого необходимо найти условия, при которых Р2 будет максимальным. Оптимальными значениями будут: dP2/dR=0. При этом КПД можно определить по формулам: P2=I2R=(E/R+r)2R; dP2/dR = (E2 (R + r)2 — 2 (r + R) E2R) / (R + r)4 = 0; E2((R+r)-2R)=0. В этом выражении E и (R+r) не равны 0, поэтому оно равно выражению в скобках, то есть (r=R). Тогда получается, что эффект имеет максимальное значение, а КПД = 50%. Как видите, найти КПД электрической цепи можно самостоятельно, не прибегая к услугам специалиста. Самое главное – соблюдать порядок расчетов и не выходить за рамки приведенных формул.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Рис. 2.

Соберите на экране схему, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши по кнопке emf в нижней части экрана. Подведите курсор мыши к рабочей части экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет располагаться источник ЭДС.

Далее последовательно с источником поставить резистор, представляющий его внутреннее сопротивление (заранее нажать кнопку внизу экрана) и амперметр (кнопка там же). Затем расположите нагрузочные резисторы и вольтметр таким же образом, чтобы измерить напряжение на нагрузке.

Подсоедините соединительные кабели. Для этого нажмите кнопку проводки внизу экрана, затем подведите курсор мыши к рабочей области схемы. Щелкните левой кнопкой мыши по тем местам в рабочей области экрана, где должны находиться соединительные провода.

4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши по кнопке со стрелкой. Затем нажмите на этот пункт. Подведите курсор мыши к отображаемому курсору контроллера, нажмите и удерживайте левую кнопку мыши, измените значение параметра и установите числовое значение, указанное в таблице 1, для вашего варианта.

Таблица 1. Исходные параметры электрической схемы

Число вариант	один	2	3	четыре	5	6	7	восемь
Э, Б	10,0	9,5	9,0	8,5	8,0	8,5	9,0	9,5
р, Ом	4,8	5.7	6,6	7,5	6.4	7.3	8.2	9.1

5. Установить сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажать кнопку «Счет» и записать показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки Таблицы 2.

6. Увеличивайте сопротивление внешней цепи последовательно на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом с помощью ползунка регулятора и, нажимая кнопку «Счет», запишите показания электроизмерительных приборов в Таблицу 2.

7. Рассчитать по формулам (2), (7), (8), (9) Р1, Р2, Робщ и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и полученные значения записать в таблицу 2.

8. Построить на одном листе миллиметровой бумаги графики зависимостей P1 = f(R), P2 = f(R), Ptot=f(R), h = f(R) и U = f(R).

9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам экспериментов.

Таблица 2. Результаты измерений и расчетов

R, Ом	2.0	2,5	3.0		20
У, В
Я тоже
П1, Вт
П2, Вт
Пфулл, Вт
час

МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ

. (2)

Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании (R®0) и при R®

эта сила равна нулю. При всех остальных конечных значениях R степень Р1 > 0. Следовательно, функция Р1 имеет максимум. Значение R0, соответствующее максимальной мощности, можно получить, продифференцировав P1 по R и приравняв первую производную нулю:

. (3)

Из формулы (3) с учетом того, что R и r всегда положительны, а E ? 0, после простых алгебраических преобразований получаем:

Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока.

В этом случае ток в цепи

(5)

равной половине тока короткого замыкания. При этом мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного

. (6)

Когда источник замыкается на внешнее сопротивление, внутри источника протекает ток, и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Ток, используемый для выделения этого тепла, равен

.

(7)

Следовательно, общая мощность, выделяющаяся во всей цепи, будет определяться по формуле

= I 2 (R+r) = IE (8)