Effektforhold i den enkleste elektriske kretsen

I denne artikkelen vil vi forstå hva forholdet mellom kilde- og mottakerparametrene skal være for å oppnå den optimale driftsmodusen til den elektriske kretsen. Effektforhold er også viktige for lavstrømsteknologier. I prinsippet kan disse spørsmålene løses ved hjelp av eksempelet den enkleste elektriske kretsen.

Kretsen består av en likestrømskilde med EMF E og intern motstand Rwatt, som genererer elektrisk energi, og en mottakerenergimottaker med lastmotstand Rn.

Ris. 1. Skjematisk for å forklare effektforholdet i den enkleste kretsen

Siden kilden har indre motstand, blir noe av den elektriske energien den utvikler omdannet til selve varmeenergien.

Strømmen i kretsen vist i fig. 1

Basert på denne ligningen bestemmer vi kraften til mottakeren (kraften til å konvertere elektrisk energi til andre typer):

På samme måte er strømtapene i kilden:

Kildens elektriske effekt må være lik summen av effektene konvertert til andre typer i kilden og mottakeren, dvs. det må være en strømbalanse (som for alle kretser):

Klemmespenningen U kan også legges inn i uttrykket for effekten Pn.

Mottakerkraft:

Ytelseskoeffisient (COP), definert som forholdet mellom mottakereffekt (nyttig) og utviklet effekt:

Ligningen viser at effektiviteten avhenger av forholdet mellom belastningsmotstand og indre motstand. Verdiene til disse motstandene er den avgjørende faktoren i fordelingen av kraften utviklet av kilden:

Effekten Pn bør anses som nyttig, krafttapene i kilden Pvt bestemmer bare oppvarmingen av kilden, og derfor brukes den tilsvarende energien uproduktivt.

Effektiviteten øker med økende Rn / Rvt-forhold.

For å få en stor effektivitetsverdi må forholdet Pn> Pwt være oppfylt, det vil si at kretsen må operere i en modus nær til kildens hvilemodus.

I praksis kan det stilles to forskjellige krav til effektforhold: høy effektivitet og effekttilpasning. Kravet til høy effektivitet stilles for eksempel når det er nødvendig å overføre en stor mengde energi over ledninger eller å omdanne denne energien til elektriske maskiner. Selv en liten økning i effektiviteten gir store besparelser i slike tilfeller.

Siden bruken av høye energier hovedsakelig er karakteristisk for teknikken med høye strømmer, er det derfor i dette feltet nødvendig å arbeide i moduser nær tomgangsmodus.I tillegg, når du opererer i slike moduser, skiller terminalspenningen seg bare litt fra kildens emf.

I svakstrømsteknologi (spesielt innen kommunikasjonsteknologi og måleteknologi) brukes svært lave strømkilder, som i tillegg har store indre motstand… I slike tilfeller er effektiviteten som kjennetegner kraftoverføringsprosessen ofte av underordnet betydning, og kravet til størst mulig verdi av kraften som mottas av mottakeren understrekes.

Mens i høystrømsteknologi ubrukelige eller til og med skadelige energiomdannelser - energitapene reduseres med økende effektivitet, økes effektiviteten ved bruk av anlegg og enheter i lavstrømsteknologi med riktig koordinering av krefter i elektriske kretser.

Betingelsen for å oppnå maksimalt mulig mottakereffekt Pvmax fra en kilde med EMF og interne motstandsdata:

Det følger av dette at vilkåret for maksimal effekt til mottakeren er oppfylt under forutsetning av likheten Rn = RВt

Når motstandene til mottakeren og den indre motstanden til kilden er like, er effekten mottatt av mottakeren maksimal.

Hvis Rn = Rw, da

For strømmen mottatt av mottakeren har vi:

Et eksempel. Med hjelp termoelektrisk omformer (termoelementer) med en intern motstand Rw = 5 ohm kan du få en spenning på 0,05 mV / ° C. Den største temperaturforskjellen er 200 ° C. Hvilke elektriske data bør en indikerende elektrisk enhet ha (motstand, effekt, strøm) hvis ønsker å få maksimal effekt fra omformeren.

Gi en løsning for to tilfeller:

a) enheten er koblet direkte til omformeren;

b) enheten kobles til med to kobbertråder med lengde l= 1000 m hver med et tverrsnittsareal C = 1 mm2.

Svar. Maksimal spenning ved terminalene til den termoelektriske omformeren er lik dens EMF E = 200 * 0,05 = 10 mV.

I dette tilfellet bør indikasjonen for enheten koblet til kretsen være maksimal (ved den øvre målegrensen).

a) For at kraften til enheten skal være maksimal, er det nødvendig å matche motstandene til enheten og omformeren. For dette formålet velger vi motstanden til enheten Requal til motstanden til termoelementet, dvs. Rn = Rt = 5 ohm.

Vi finner den maksimale kraften til enheten:

Bestem strømmen:

b) Hvis motstanden til ledningene ikke kan neglisjeres, må den tas i betraktning når man bestemmer den totale interne motstanden til en aktiv to-terminal enhet bestående av et termoelement og to ledninger, siden det ellers er misforhold mellom mottakeren og kilde med hensyn til kraft.

La oss finne motstanden til ledningene, gitt at den spesifikke motstanden er 0,0178 μOhm-m:

Dermed er det nødvendige motstandsnivået til enheten:

Ved denne verdien av intern motstand vil kraften til enheten være maksimal

Kretsstrøm:

De oppnådde resultatene viser at det er tilrådelig å velge kilder med lav verdi av intern motstand, og tverrsnittsarealet til tilkoblingsledningene skal være stort nok.

Svært ofte, når du utfører slike målinger, kommer beregningen av sammenfallet av mottakeren og kilden ned til det faktum at fra de tilgjengelige instrumentene velges den som, for en gitt eller kjent maksimumsverdi av den målte verdien, oppnår den største avbøyning av pilen og gir derfor den største avlesningsnøyaktigheten.