Энергия и мощность в электрической цепи. Баланс мощности

7 Энергия и мощность в электрической цепи. Баланс мощности

В источнике электрической энергии, так же, как и в нагрузке (в резисторах) происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепло. Это учитывается внутренним сопротивлением R0 источника ЭДС, показываемого на схеме замещения отдельным резистором, включённым последовательно с ЭДС E.

Работа, совершаемая источником электрической энергии за время t, т.е. работа по разделению зарядов сторонними силами в источнике равна W=E*Q=E*I*t.

В приёмнике электрической энергии при напряжении U и токе I расходуется энергия

Wпр=U*Q=U*I*t=I2 *R*t=U2 *t/R.

Мощность P характеризует интенсивность преобразования энергии из одного вида в другую за единицу времени.

Для цепей постоянного тока мощность источника

, (1.1.5)

а мощность приёмника

 (1.1.6)

В системе СИ энергия и мощность измеряются в Джоулях (Дж) и Ваттах (Вт) соответственно.

Для всех величин, введённых выше, применяются кратные и дольные единицы измерения (см. приложение 2).

Энергия часто выражается в киловатт-часах. 1кВт*ч=3,6*106 Дж.

На основании закона сохранения энергии мощность, развиваемая всеми источниками электрической энергии, входящими в электрическую цепь, должна быть равна мощности преобразования электрической энергии в другие виды энергии всеми приёмниками, входящими в эту цепь:

, где (1.1.7)

ΣEiIi – алгебраическая сумма мощностей, развиваемых источниками (Если положительное направление тока через источник ЭДС, то источник ЭДС работает в режиме генератора и произведение E*I>0. Если же направление I и E противоположны, то источник ЭДС потребляет энергию, т.е. работает в режиме приёмника и произведение E*I<0).

ΣRjIj2 – сумма мощностей всех приёмников.

Уравнение (1.1.7) называется уравнением баланса мощности для цепей постоянного тока.

 

8 Мощность потерь и КПД электрической цепи

В реальной электрической цепи источник электрической энергии имеет внутреннее сопротивление R0, а приёмник соединяется с источником ЭДС линией передачи и изготавливается из проводов, имеющих сопротивление RЛ.

Схема замещения такой цепи имеет вид (рис. 1.3)

a c

E R_A

R_Н

R₀ b d

Рис. 1.3

По закону Ома для полной цепи, ток I в цепи равен:

, или R0I+RЛI+RНI=E

Умножив все члены этого уравнения на I, получим уравнение баланса мощности:

R0I2+RЛI2+RНI2=EI, где

EI – мощность, развиваемая источником ЭДС;

R0I2, RЛI2 – мощность потерь в источнике и в линии передачи;

RНI2=UcdI – мощность в приёмнике, т.е. полезная мощность.

Технико-экономические расчёта показывают, что для передачи электрической энергии на большие расстояния выгодно использовать ЛЭП большого напряжения, что увеличивает один из важнейших параметров электрической цепи – коэффициент полезного действия этой цепи (КПД).

КПД электрической цепи это отношение мощности приёмника (полезной мощности) к суммарной мощности всех потребителей (или к мощности, развиваемой источником):

 (1.1.8)

КПД линии передачи большой протяжённости достигает 95%.

9 Режимы работы электрической цепи

Электрическая цепь в зависимости от значения RН может работать в различных характерных режимах: номинальном, согласованном, холостого хода и короткого замыкания.

Номинальный режим – это расчётный режим, при котором элементы цепи (источники, приёмники, линии передачи) работают в условиях, соответствующих проектным данным и параметрам.

Номинальные напряжения стандартизированы по ГОСТ 21128-83 и для сетей до 1000В равны 27, 110, 220, 440В – при постоянном токе и 40, 220, 380, 660В – при однофазном переменном токе.

Превышение этих напряжений приводит к пробою изоляции, увеличению токов в цепи и другим аварийным последствиям.

Под номинальным током понимается ток, рассчитанный по тепловому режиму работы цепи.

ГОСТ 6827-76 устанавливает, что предпочтительно выбирать номинальные токи, равные 1,00; 1,60; 2,50; 4,00; 6,30 А, а также десятично-дольные и кратные значения этих токов. Таким образом получается шкала 0,1мА до 25кА.

Номинальное значение мощности для источника электрической энергии – это наибольшая мощность, которую источник может отдать во внешнюю цепь без пробоя изоляции и без превышения допустимой температуры нагрева.

Номинальные значения напряжений, токов и мощностей указаны в поспортах изделий.

Согласованный режим – соответствует случаю, когда RН=R0 . При таком режиме мощность приёмника максимальна. Ток в цепи и мощность представляются выражениями:

 (1.1.9)

Приравняв нулю производную dP/dRН=0, получим, что действительно RН=R0.

Однако КПД при согласованном режиме низкий:

(1.1.10)

По этой причине работа мощных цепей в согласованном режиме невыгодна. В электрических цепях большой мощности R0<<RН и КПД достаточно высокий.

Режим холостого хода (х. х) и короткого замыкания (к. з) – являются предельными режимами работы электрической цепи.

В режиме холостого хода ток I=0 (внешняя цепь разомкнута, т.е ). Так-как падение напряжения на внутреннем сопротивлении R0 источника равно нулю (), то напряжения на выводах источника электрической энергии Uхх=E. Этот режим применяется для измерения ЭДС источника высокоомным вольтметром.

В режиме короткого замыкания выводы источника соединены между собой накоротко (). Напряжение на приёмнике при этом равно нулю. Сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника (R0), а ток в цепи достигает максимального значения:

Iк.з.=E/R0 (1.1.11)

Этот ток может вызвать перегрев источника, или даже его повреждение (т.е. режим короткого замыкания электрической цепи является аварийным). Для защиты источников и питательных цепей от токов короткого замыкания применяются плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие защитные аппараты.

На рис 1.4 приведены зависимости мощности генератора (источника) P2, напряжение на нагрузке UH, …………….. в нагрузке pH и КПД цепи η от величины тока в нагрузке эти зависимости соответствуют выражениям:

 

Рис 1.4

Закон Ома и законы Кирхгофа для электрических цепей постоянного тока

Закон Ома устанавливает связь между электрическим током I, протекающим в цепи, электрическим напряжением U.

При анализе работы электрических цепей применяются три формулировки этого закона.

Закон Ома для участка цепи :

Для пассивного участка цепи по закону Ома

 ,  (1.1.13)

Закон Ома для полной цепи:

Если пренебречь сопротивлением проводов в схеме замещения простой неразветвлённой цепи рис.1.3 (Ra=0), то ток в цепи:

(1.1.14)

Закон Ома в обобщённой форме:

Закон Ома может быть записан и для участка цепи (например её любой ветви)содержащей источник ЭДС, с учётом известной разности потенциалов на концах этого участка рис.1.5.

Рис. 1.5

Для этого величина тока определяется выражением:

, (1.1.15 )

В общем случае произвольного числа источников ЭДС и резисторов это выражение имеет вид:

, (1.1.16)

Где ∑E – алгебраическая сумма ЭДС источников;

∑R – суммарное электрическое сопротивление цепи;

Первый Закон Кирхгофа

Первый и второй законы сформулированы Кирхгофом в 1845 году и являются основными законами определяющими решения электрической цепи. Первый закон Кирхгофа применяется к узлам электрической цепи. Он гласит: алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равно нулю:

 (1.1.17)

Для узла и электрической цепи рис. 1.6 этот закон даёт выражение:

,

Рис.1.6

Первый закон описывает тот факт, что заряды одного знака не могут накапливаться в узле.

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи. Он формулируется следующим образом: алгебраическая сумма падения напряжения на всех сопротивлениях замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, входящих (включённых) в этот контур.

, (1.1.18)

Где n-число резисторов в контуре,

m- число источников ЭДС в контуре.

При записи этого выражения (1.18) задаются произвольно направления обхода и все слагаемые Vk, Ek cовпадающие с направлением обхода берутся со знаком плюс, а не совпадающие – со знаком минус.

Для контура рис 1.7 это выражение будет иметь вид:

Рис. 1.7

Второй закон Кирхгофа описывает тот факт, что при обходе контура и возвращении в конечную точку, потенциал этой точки не мажет измениться, так - как иначе не соблюдался бы закон сохранения энергии.