Работа и мощность тока

Когда ток проходит по однородному участку цепи, электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протечет заряд Δq = I Δt.

Определение 1

 Электрическое поле на выделенном участке совершит работу 

∆A=(φ1-φ2)∆q=∆φ12I∆t=UI∆t,

где U = Δφ12 обозначает напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.

Интерпретация закона сохранения энергии. Закон Джоуля-Ленца

Закон Ома для однородного участка цепи при сопротивлении R отражает формула:

RI=U

Умножим обе части выражения на IΔt и получим соотношение: 

RI2∆t=UI∆t=∆A.

Полученный результат является выражением закона сохранения энергии для однородного участка цепи.

Определение 2

Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

∆Q=∆A=RI2∆t

Данный закон называется законом Джоуля-Ленца

.

Закон носит название сразу двух известных физиков, поскольку экспериментальным путем был установлен ими обоими в независимости друг от друга.

Определение 3

Мощность электрического тока есть отношение работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была произведена.

Можно сказать проще: мощность – это работа, выполненная в единицу времени. Запишем формулу, связывающую работу тока и его мощность: 

P=∆A∆t=UI=I2R=U2R

Работу электрического тока выражают в джоулях (Дж), мощность тока измеряется в ваттах (Вт), время – в секундах (с): 1 Вт=1 Дж1 с. Измерение мощности тока происходит при помощи ваттметра, а работа находится расчетно как результат перемножения силы тока, напряжения и времени протекания тока по цепи: A=IUt.

Следующей разберем полную цепь постоянного тока, включающую в себя источник с электродвижущей силой δ и внутренним сопротивлением rи внешний однородный участок с сопротивлением R. 

Определение 4

Закон Ома для полной цепи выглядит так:

(R+r)I=δ

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Перемножим обе части выражения с Δq=IΔt и получим соотношение, которое будет служить выражением закона сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:

RI2∆t+rI2∆t=δI∆t=∆Aст

Левая часть выражения содержит ΔQ=RI2Δt

(тепло, которое выделяется на внешнем участке цепи за время Δt) и ΔQист=rI2Δt (тепло, которое выделяется внутри источника за такое же время).

Выражение δIΔt является равным работе сторонних сил ΔAст, которые действуют внутри источника.

Определение 5

При протекании электрического тока по замкнутой цепи происходит преобразование работы сторонних сил ΔAст в тепло, которое выделяется во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист). 

∆Q+Qист=∆Aст=δI∆t

Необходимо отметить следующий факт: в указанное соотношение не включена работа электрического поля. Когда ток проходит по замкнутой цепи, электрическое поле работы не совершает; значит тепло производится лишь посредством сторонних сил, которые действуют внутри источника. Электрическое поле здесь выполняет перераспределение тепла между различными участками цепи.

Внешней цепью может служить не только проводник с сопротивлением R, но и какое-то устройство, которое потребляет мощность, к примеру, электродвигатель постоянного тока. Тогда R необходимо расценивать как эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, которая выделится во внешней цепи, имеет возможность частично или полностью преобразоваться как в тепло, так и в иные виды энергии, к примеру, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Таким образом, тема использования энергии источника тока имеет важное практическое значение.

Коэффициент полезного действия источника

Полная мощность источника (или работа, которая производится посредством сторонних сил за единицу времени) составляет:

Pист=δI=δ2R+r

Внешняя цепь выделяет мощность:

P=RI2=δI-rI2=δ2R(R+r)2

Определение 6

Отношение η=PPист равное η=PPист=1-rδI=RR+r, носит название коэффициента полезного действия источника.

На рис. 1.11.1 изображена зависимость мощности источника Pист, полезной мощности P, которая выделяется во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной δ, и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи имеет возможность меняться в пределах от I=0 (при R=∞) до I=Iкз=δr (при R = 0).

Рисунок 1.11.1. Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока.

Изображенные графики показывают, что максимальная мощность во внешней цепи Pmax, составляющая Pmax=δ24r, может быть достигнута при R=r. При этом ток в цепи есть Imax=12Iкз=δ2r; коэффициент полезного действия источника составляет 50%. Максимальное значение КПД будет достигнуто при I→0, т. е. при R→∞. При коротком замыкании полезная мощность P=0 и вся мощность выделятся внутри источника, что с большой вероятностью может обернуться его перегревом и разрушением. КПД источника в этом случае обратится в нуль.

Работа и мощность постоянного тока. Тепловое действие электрического тока. Коэффициент полезного действия (КПД). Закон Джоуля-Ленца. 8 класс Физика

План урока №10 3 четверть

Раздел долгосрочного плана:

8.3.В. Постоянный ток

Гимназия №34 города Алматы

Дата: 12.02.2019г. Класс: 8Б,Г,Ж

ФИО учителя: Кулова Сандугаш Дюсеновна

Дата: 13.02.19г. Класс: 8 В,Д,Е

Количество присутствующих: 30

отсутствующих: —

Тема урока

Работа и мощность постоянного тока. Тепловое действие электрического тока. Коэффициент полезного действия (КПД). Закон Джоуля-Ленца.

Цели обучения, которые достигаются на данном уроке (ссылка на учебную программу)

применять формулы работы и мощности постоянного тока, представляя их единицы измерения через основные единицы СИ.

Цели урока

— применять формулы работы и мощности тока при решении задач различной степени сложности;

— экспериментально определять работу и мощность элемента электрической цепи путем измерений;

— представлять единицы измерения работы и мощности через основные единицы;

— обосновать связь между работой и мощностью электрического тока и внесистемной единицей работы (кВт×ч).

Критерии оценивания

Учащийся достиг цели обучения, если:

— применяет формулу работы и мощности тока при решении задач;

— производит математические расчеты работы и мощности, переводит значения данных величин в СИ;

— объясняет и анализирует работу электробытовых приборов, используя понятие мощности;

— формулирует выводы при решении типовых и экспериментальных задач.

Языковые цели

Предметная лексика и терминология:

Постоянный ток, мощность, работа, сила тока, сопротивление, напряжение, сила тока, единицы измерения – Ватт, Джоуль, Ампер, Вольт, Ом.

Учащиеся могут:

 — анализировать формулы мощности постоянного тока;

— сравнивать работу электробытовых приборов через значения мощности;

— обсуждать результаты вычислений.

Привитие ценностей

Сотрудничество

— учитель создает благоприятную, доброжелательную атмосферу для взаимодействия;

— взаимодействие учащихся друг с другом и с учителем осуществляется на протяжении всех этапов урока;

— учитель и ученики совместно достигают цели урока и обсуждают результаты взаимодействия.

Обучение на протяжении всей жизни

— Учитель предоставляет возможность учащимся решать проблемы.

— Соблюдает преемственность в изучении тем, разделов, учебной программы.

Межпредметные связи

Математика — простые расчеты, нахождение неизвестной величины, преобразование формул при выводе неизвестной величины.

Навыки использования ИКТ

— интерактивная доска, ноутбуки

Предварительные знания

Формула силы тока, напряжения, работы постоянного тока, закона Ома, единицы измерения физических величин

Ход урока

Запланированные этапы урока

Запланированная деятельность на уроке

Ресурсы

5 мин

5 мин

10 мин

10 мин

В классе всего 30 учеников. Класс делится на 5 группы,

5 эксперта.

Вызов: Все мы пользуемся различными электрическими приборами. Например, для отопления помещений, используют обогреватели.

А чем они отличаются? Чем мы будем руководствоваться при покупке такого электрического прибора? (цвет, дизайн, цена, мощность прибора). Выслушиваются варианты ответов.

Ответ: Первый обогреватель стоит ровно столько же, сколько стоят два дешевых. Значит, наш выбор должен быть основан только на технических характеристиках обогревателей. Обогреватель нам нужен, чтобы нагреть воздух в комнате до определенной температуры. Как только мы чувствуем, что достигнутая температура для нас комфортна, мы выключаем обогреватель. На нагревание одного и того же вещества той же массы на одинаковое количество градусов, требуется одно и то же количество энергии. Следовательно, независимо от мощности, обогреватели потребят одно и то же количество энергии из сети. Значит, сэкономить на потреблении электроэнергии не удастся. От мощности, будет зависеть скорость нагревания.

Целеполагание: совместное обсуждение целей урока и критериев оценивания. Давайте вместе выведем формулы, по которой рассчитывают работу и мощность постоянного тока.

Изучение темы урока:

Вывод формулы расчета работы электрического тока.

— Что происходит при перемещении заряда в электрическом поле? (совершается работа)

— Как можно ее определить?

A = qU, где

q – количество электричества, протекающего через проводник в единицу времени

q= It, отсюда A= UIt

На основе полученной формулы дайте определение работы.

Используя закон Ома для участка цепи, получите эквивалентные формулы для определения работы.

Вывод формулы расчета мощности электрического тока.

Слайд №3 презентации

Слайд №4 презентации

Слайд №8 презентации

Слайд №10 презентации

7 мин

Закрепление материала: Задание выполняют все группы.

3. В каком из двух резисторов мощность тока больше при последовательном (рис. а) или параллельном (рис. б) соединении? Во сколько раз больше, если сопротивление резисторов R₁ = 10 Ом и R₂ = 100 Ом?

Упражнение 18

1) При напряжении 220В в электрической лампе за 5 мин израсходовано 12кДж энергии. Какова сила тока в лампе?

(Ответ: 30мА)

3) Электрическая плитка при силе тока 6А за 8 мин работы потребляет 2,2 МДж энергии. Каково сопротивление спирали плитки? (Ответ: 127 Ом).

5) В утюге, рассчитанном на напряжение 220 В, имеются две обмотки с одинаковым сопротивлением R=80.7 Ом. С помощью переключателя в сеть можно включать: а) одну обмотку; б) две обмотки, соединенные последовательно; в) две обмотки, но соединенные параллельно. Рассчитайте мощность утюга в каждом случае. (Ответ: 600Вт; 300Вт; 1200Вт).

Слайд №11 презентации

Слайд №12 презентации

Слайд №13

презентации

Слайд №14 презентации

3 мин

Домашнее задание: §27 упр.18(2,4,6) стр.134

Рефлексия:

Что Вы усвоили по данной теме?

Что особенно вам понравилось на уроке?

Какой конкретный опыт вы приобрели?

Какие вопросы возникли? Почему?

Слайд №15 презентации

Слайд №16

Презентация

Дополнительная информация

Дифференциация — как Вы планируете оказать дополнительную поддержку? Какие задания Вы планируете дать более способным учащимся?

Оценка — как Вы планируете проверить знания учащихся?

Междисциплинарные связи

Проверка соблюдения правил охраны здоровья и безопасности

ИКТ связи. Связи значений

Все учащиеся будут участвовать в решении задач с использованием изученных формул работы и мощности.

Учащиеся решают разно уровневые задания самостоятельно, выполненные задачи проверяются самими учащимися различными способами.

Некоторые учащиеся смогут решить дополнительные задачи, предложенные на уроке.

(1) Актуализация знаний;

(2) решение 1-ой задачи – проверка в паре, либо по шаблону;

(3) – решение 2 задачи можно по образцу у учителя;

(4) – работа в группе – проверка по условию задачи.

(5) –экспериментальная задача

Смена деятельности

Рефлексия по уроку

Были ли цели урока/цели обучения реалистичными?

Все ли учащиеся достигли ЦО?

Если нет, то почему?

Правильно ли проведена дифференциация на уроке?

Выдержаны ли были временные этапы урока?

Какие отступления были от плана урока и почему?

Общая оценка

Какие два аспекта урока прошли хорошо (подумайте как о преподавании, так и об обучении)?

1:

2:

Что могло бы способствовать улучшению урока (подумайте как о преподавании, так и об обучении)?

1:

2:

Что я выявил(а) за время урока о классе или достижениях/трудностях отдельных учеников, на что необходимо обратить внимание на последующих уроках?

Работа и мощность электрического тока

Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Например, в электрических генераторах 1, приводимых во вращение каким-либо механизмом, происходит превращение в электрическую энергию механической, в термогенераторах 2 — тепловой, в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10 — химической, в фотоэлементах 11 — лучистой.

Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 — в тепловую, в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде — в химическую, в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.

Рис. 30. Пути превращения энергии из одного вида в другой

Мерой количества энергии является работа. Работа W, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении U силе тока I, равна произведению напряжения на силу тока и на время его действия:

W = UIt (29)

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который называют также ватт-секундой (Вт*с), — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт*ч = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт*ч = 1000 Вт*ч = 3,6*10⁶ Дж), мегаватт-час (1 МВт*ч=1000 кВт*ч=3,6*10⁹ Дж).

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:

P = UI (30)

Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зависимости от сопротивления R и проводимости G, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в формуле (30) напряжение U=IR или силу тока I=U/R=UG, то получим

P = I²R (31)

или

P = U²/R = U²G (32)

Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: киловаттами (1 кВт =1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.

Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэффициентом полезного действия источника или приемника. Коэффициент полезного действия (к. п. д.)

η = P₂/P₁ = P₂/(P₂ + ΕP) (33)

где

Р₂ — отдаваемая (полезная) мощность;
Р₁ — получаемая мощность;
ΔР — потери мощности.

К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процентах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96 %, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94 %.

Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электрической цепи (рис. 31). Генератор 1, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Р_mx = 28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Р_эл = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. η_ген = Р_эл/Р_mx = 26/28,9 = 0,9.

Мощность Р_эл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности ?P_пр = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.

Рис. 31. Схема преобразования энергии в электрической цепи

В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. ηдв = 10/10,8 = 0,925. Из мощности 6 кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на Создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расходуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве.

При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необходимо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.

Что такое КПД двигателя? 3 фактора, влияющих на эффективность работы двигателя

Тепловой двигатель (машина) — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, обмениваясь теплотой с окружающими телами. Большинство современных автомобильных, самолетных, судовых и ракетных двигателей сконструированы на принципах работы теплового двигателя. Работа производится за счет изменения объема рабочего вещества, а для характеристики эффективности работы любого типа двигателя используется величина, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия машины или механизма – это важная величина, характеризующая энергоэффективность данного устройства. Понятие используется и в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что КПД его усилий низкий, это значит, что сил затрачено много, а результата почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей совершенной работе.

Согласно формуле, чтобы найти величину, нужно полезную работу разделить на всю совершенную работу. Или полезную энергию разделить на всю израсходованную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряется в Джоулях. Поделив Джоули на Джоули, получаем безразмерную величину. КПД иногда называют энергоэффективностью устройства.

Если попытаться объяснить простым языком, то представим, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа образуется определенное количество теплоты. Часть этой теплоты нагревает саму горелку, плиту и окружающее пространство. Остальная часть идет на нагревание чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность данной плитки, нужно будет разделить количество тепла, требуемое для нагрева воды до температуры кипения на количество тепла, выделившееся при горении газа.

Данная величина всегда ниже единицы. Например, для любой атомной электростанции она не превышает 35%. Причиной является то, что электростанция представляет собой паровую машину, где нагретый за счет ядерной реакции пар вращает турбину. Большая часть энергии идет на нагрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равен 100%, следует из второго начала термодинамики.

Асинхронные механизмы

Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:

• простое изготовление;
• низкая цена;
• надёжность;
• незначительные эксплуатационные затраты.

Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.

Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.

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.

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%.

От чего зависит величина КПД

Эта величина зависит от того, насколько общая совершенная работа может переходить в полезную. Прежде всего, это зависит от самого устройства механизма или машины. Инженеры всего мира бьются над тем, чтобы повышать КПД машин. Например, для электромобилей коэффициент очень высок – больше 90%.

А вот двигатель внутреннего сгорания, в силу своего устройства, не может иметь η, близкий к 100 процентам. Ведь энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается на каждом передаточном звене. Слишком много передаточных звеньев, и часть выхлопных газов все равно выходит в выхлопную трубу.

Значения показателя

В 1824 году инженер Карно дал определение КПД идеального двигателя, когда коэффициент равен 100%. Для трактовки понятия была создана специальная машина со следующей формулой: η=(T1 — Т2)/ T1. Для расчёта максимального показателя применяется уравнение КПД макс = (T1-T2)/T1x100%. В двух примерах T1 указывает на температуру нагревателя, а T2 — температуру холодильника.

На практике для достижения 100% коэффициента потребуется приравнять температуру охладителя к нулю. Подобное явление невозможно, так как T1 выше температуры воздуха. Процедура повышения КПД источника тока либо силового агрегата считается важной технической задачей. Теоретически проблема решается путём снижения трения элементов двигателя и уменьшения теплопотери. В дизельном моторе подобное достигается турбонаддувом. В таком случае КПД возрастает до 50%.

Мощность стандартного двигателя увеличивается следующими способами:

• подключение к системе многоцилиндрового агрегата;
• применение специального топлива;
• замена некоторых деталей;
• перенос места сжигания бензина.

КПД зависит от типа и конструкции мотора. Современные учёные утверждают, что будущее за электродвигателями. На практике работа, которую совершает любое устройство, превышает полезную, так как определённая её часть выполняется против трения. Если используется подвижный блок, совершается дополнительная работа: поднимается блок с верёвкой, преодолеваются силы трения в блоке.

Мощность и КПД

Мощность механизма или устройства равна работе, совершаемой в единицу времени. Работа(A) измеряется в Джоулях, а время в системе Си – в секундах. Но не стоит путать понятие мощности и номинальной мощности. Если на чайнике написана мощность 1 700 Ватт, это не значит, что он передаст 1 700 Джоулей за одну секунду воде, налитой в него. Это мощность номинальная. Чтобы узнать η электрочайника, нужно узнать количество теплоты(Q), которое должно получить определенное количество воды при нагреве на энное количество градусов. Эту цифру делят на работу электрического тока, выполненную за время нагревания воды.

Величина A будет равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q будет равно объему воды, умноженному на разницу температур на удельную теплоемкость. Потом делим Q на A тока и получаем КПД электрочайника, примерно равное 80 процентам. Прогресс не стоит на месте, и КПД различных устройств повышается, в том числе бытовой техники.

Напрашивается вопрос, почему через мощность нельзя узнать КПД устройства. На упаковке с оборудованием всегда указана номинальная мощность. Она показывает, сколько энергии потребляет устройство из сети. Но в каждом конкретном случае невозможно будет предсказать, сколько конкретно потребуется энергии для нагрева даже одного литра воды.

Например, в холодной комнате часть энергии потратится на обогрев пространства. Это связано с тем, что в результате теплообмена чайник будет охлаждаться. Если, наоборот, в комнате будет жарко, чайник закипит быстрее. То есть КПД в каждом из этих случаев будет разным.

Формула работы в физике

Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.

Решение примеров

Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.

Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:

• тяжесть — mg;
• реакция опоры — N;
• трение — Ftr;
• тяга — F.

Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.

При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.

Это интересно

Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

• гидроэлектростанций 93-95%;
• АЭС – не более 35%;
• тепловых электростанций – 25-40%;
• бензинового двигателя – около 20%;
• дизельного двигателя – около 40%;
• электрочайника – более 95%;
• электромобиля – 88-95%.

Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.

Лабораторная работа №5 Исследование электрической цепи источника постоянного тока реферат по физике

Министерство Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) им. Г.В. Плеханова Кафедра физики Лабораторная работа №5 на тему: Исследование электрической цепи источника постоянного тока. Выполнила Синёва Е. В. Проверил Фицак В.В. Санкт-Петербург 2002 г. Цель работы – определение электродвижущей силы источника тока (ЭДС), внутреннего сопротивления источника тока, исследование зависимостей полезной и полной мощности, развиваемых источником тока, и его коэффициента полезного действия (КПД) от нагрузочного сопротивления. Общие сведения Рассмотрим электрическую цепь, представленную на рис. 1. Допустим, что ключ К разомкнут. В этом случае электрический ток идёт только через вольтметр и источник тока. Допустим далее, что вольтметр имеет достаточно большое омическое сопротивление. Тогда током, протекающем в цепи, можно в первом приближении пренебречь. Поскольку мы пренебрегаем током в цепи, постольку отсутствует падение напряжения на внутреннем сопротивлении r источника и, как следствие, разность потенциалов на клеммах источника оказывается равной F 06 5. Таким образом, при разомкнутом ключе вольтметр регистрирует F 0 6 5 — величину электродвижущей силы (ЭДС) источника тока. Погрешность определения величины F 06 5 по данной методике возникает по двум причинам: 1. используемый для измерения вольтметр обладает ограниченной точностью; 2. через источник тока и вольтметр всё же течёт некоторый малый ток, который вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, и поэтому показания вольтметра будут несколько меньше величины F 06 5. Теперь допустим, что ключ К замкнут. В этом случае через внешнее сопротивление R пойдёт электрический ток, сила которого определяется законом Ома для замкнутой цепи: (1) Прохождение электрического тока в цепи вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока, равное Ir. Поэтому показание вольтметра U будут меньше ЭДС источника на величину падения на внутреннем сопротивлении: В последнем соотношении все величины, кроме внутреннего сопротивления, известны из измерений и поэтому величина r и падение напряжения на внутреннем сопротивлении, равное Ir, могут быть рассчитаны. Рассмотрим теперь конкретные режимы работы источника тока. Исходя из закона Ома (1), можно показать, что ток в замкнутой цепи достигает наибольшего значения, равного , при R=0. Этот режим работы источника режимом короткого замыкания. Если наоборот, сопротивление внешней цепи R F 0 A EF 0 A 5, то ток асимптотически стремится к нулю. Такой режим называется режимом холостого хода. В этом случае, как было показано ранее, разность потенциалов между клеммами источника равна ЭДС. Отметим также, что разность потенциалов U на клеммах источника одновременно является и падением напряжения на внешнем сопротивлении (см. рис. 1) и поэтому по закону Ома для участка цепи (2) Так как сила тока I и разность потенциалов U измеряются приборами, задействованными в электрической цепи, то по соотношению (2) может быть определена величина внешнего (нагрузочного) сопротивления R. Таким образом, по измерениям в режимах разомкнутого и замкнутого ключа K могут быть определены как параметры источника тока F 06 5 и r, так и величина внешнего сопротивления R. Рассмотрим также замкнутую электрическую цепь с точки зрения развиваемой источником мощности. Как известно, мощность, выделяемая в виде тепла при прохождении электрического тока через сопротивление, определяется законом Джоуля- Ленца:

Определение электродвижущей силы источника тока, внутреннего сопротивления источника тока, исследование зависимостей полезной и полной мощности, развиваемых источником тока

Министерство образования РФ

Санкт- Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра общей и технической физики.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 9

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2003 г.

Цель работы – определение электродвижущей силы источника тока (ЭДС), внутреннего сопротивления источника тока, исследование зависимостей полезной и полной мощности, развиваемых источником тока, и его коэффициента полезного действия (КПД) от нагрузочного сопротивления.

Общие сведения

Рассмотрим электрическую цепь, представленную на рис. 1. Допустим, что ключ К разомкнут. В  этом случае электрический ток идёт только через вольтметр и источник тока. Допустим далее, что вольтметр имеет достаточно большое омическое сопротивление. Тогда током, протекающем в цепи, можно в первом приближении пренебречь. Поскольку мы пренебрегаем током в цепи, постольку отсутствует падение напряжения на внутреннем сопротивлении r источника и, как следствие, разность потенциалов на клеммах источника оказывается равной e. Таким образом, при разомкнутом ключе вольтметр регистрирует e — величину электродвижущей силы (ЭДС) источника тока.

Погрешность определения величины e по данной методике возникает по двум причинам:

1.  используемый для измерения вольтметр обладает ограниченной точностью;

2.  через источник тока и вольтметр всё же течёт некоторый малый ток, который вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, и поэтому показания вольтметра будут несколько меньше величины e.

Теперь допустим, что ключ К замкнут. В этом случае через внешнее сопротивление R пойдёт электрический ток, сила которого определяется законом Ома для замкнутой цепи:

                                                                   (1)

Прохождение электрического тока в цепи вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока, равное Ir. Поэтому показание вольтметра U будут меньше ЭДС источника на величину падения на внутреннем сопротивлении:

В последнем соотношении все величины, кроме внутреннего сопротивления, известны из измерений и поэтому величина r и падение напряжения на внутреннем сопротивлении, равное Ir, могут быть рассчитаны.

Рассмотрим теперь конкретные режимы работы источника тока. Исходя из закона Ома (1), можно показать, что ток в замкнутой цепи достигает наибольшего значения, равного , при R=0. Этот режим работы источника в режиме короткого замыкания. Если наоборот, сопротивление внешней цепи R^®¥, то ток асимптотически стремится к нулю. Такой режим называется режимом холостого хода. В этом случае, как было показано ранее, разность потенциалов между клеммами источника равна ЭДС.

Отметим также, что разность потенциалов U на клеммах источника одновременно является и падением напряжения на внешнем сопротивлении (см. рис. 1) и поэтому по закону Ома для участка цепи

                                                                    (2)

Так как сила тока I и разность потенциалов U измеряются приборами, задействованными в электрической цепи, то по соотношению (2) может быть определена величина внешнего (нагрузочного) сопротивления R. Таким образом, по измерениям в режимах разомкнутого и замкнутого ключа K могут быть определены как параметры источника тока e и r, так и величина внешнего сопротивления R.

Рассмотрим также замкнутую электрическую цепь с точки зрения развиваемой источником мощности. Как известно, мощность, выделяемая в виде тепла при прохождении электрического тока через сопротивление, определяется законом Джоуля-Ленца:

                                                     (3)

Соотношение (3) определяет полезную мощность, развиваемую источником на внешнем сопротивлении R. Аналогичное соотношение, но с сопротивлением r определяет мощность, выделяющуюся в виде тепла на внутреннее сопротивление источника.

Полная мощность является суммой полезной мощности и мощности, выделяющейся на внутреннее сопротивление:

                                      (4)

И, наконец, заметим, что коэффициент полезного действия (КПД) источника постоянного тока:

                                                   (5)

Используя соотношения (3) – (5) можно показать, что

;  ;  .                          (6)

Легко заметить, что полная мощность, развиваемая источником тока, достигает максимума в режиме короткого замыкания, т.е. при R=0. В этом случае вся тепловая мощность выделяется внутри источника тока на его внутренне сопротивление. С ростом внешнего сопротивления полная мощность уменьшается, асимптотически приближаясь к нулевому значению.

Полезная мощность изменяется в зависимости от внешнего сопротивления более сложным образом. Действительно, P_полезн=0 при крайних значениях внешнего сопротивления: при R=0 и R^®¥. Таким образом, максимум полезной мощности должен приходиться на промежуточные значения внешнего сопротивления.

Величину внешнего сопротивления, соответствующую максимуму полезной мощности, можно найти, используя метод дифференциального исчисления. Можно показать, что максимум полезной мощности соответствует R=r, т.е. равенству внешнего и внутреннего сопротивлений. В электротехнике режим максимальной полезной мощности называется режимом согласования источника тока с его нагрузкой.

Легко видеть, что R=0 при h=0. При R^®¥ величина h асимптотически стремится к единице. Интересно отметить, что в режиме максимальной полезной мощности h=0,5, т.е. 50%.

Порядок выполнения эксперимента.

1.  На универсальных цифровых приборах (Щ 68003) вытавить следующиее значения:

§  предел измерений напряжения U=100 В, а тока mA=1000 mA;

§  переключатель рода работ на вольтметре в положение U, на амперметре в положение mA.

2.  Для десяти значений сопротивления R (от 0 до 9) произвести измерения значений силы I тока и напряжения U. Результат измерений и расчётов внести в таблицу 1:

Измерение полезной мощности и КПД источника постоянного тока в зависимости от нагрузки (Лабораторная работа № 2)

Лабораторная работа 2

Измерение полезной мощности

и КПД источника постоянного тока в зависимости от нагрузки

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

Задание 1. Найти экспериментальную функциональную зависимость мощности и КПД от силы тока , . Определить сопротивление источника тока .

Задание 2. Построить зависимости  и  на одном графике и по точке пересечения этих кривых найти оптимальное значение тока для данного источника тока, а также  и .

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, амперметр, вольтметр, реостат, два ключа, соединительные провода.

Теория метода

Закон Ома для полной цепи имеет вид

 ℰ/,                                           (1)

где  – ток в цепи; ℰ – ЭДС источника тока;  – внешнее сопротивление       цепи (нагрузка);  – внутреннее сопротивление источника тока.

Мощность в данной цепи расходуется в основном на выделение тепла

,                                                (2)

где  – время работы источника тока (ИТ).

Рис. 1. Электрическая схема цепи

Сопротивление реостата (нагрузки) находят по показаниям приборов.

.                                                    (3)

КПД источника тока будет равен

/ ℰ.                                                   (4)

Внутреннее сопротивление источника тока из выражения (1) равно

 (ℰ-)/.                                                (5)

Выполнение работы

Задание 1. Найти экспериментальную функциональную зависимость мощности и КПД от силы тока , . Определить сопротивление источника тока .

1. Замкните ключ K₁, измерьте  источника тока ℰ, данные занесите в табл. 1.

2. Замкните ключ K₂ и, изменяя ток (например, 0,2 А; 0,4 А; 0,6 А; 0,8 А; 1 А; 1,2 А), произведите измерения напряжения U и данные занесите в табл. 1.

3. Рассчитайте сопротивление нагрузки R по формуле (3), КПД источника тока по формуле (4), внутреннее сопротивление источника тока по формуле (5), мощность по формуле P = UI и все данные занесите в табл. 1.

Таблица 1

Номер опыта	Наименование показателей
	ℰ, В	, А	, В	, Ом	, Вт		, Ом	, Ом	, А	, Вт
1
2
3
4
5
6

Задание 2. Построить зависимости  и  на одном      графике

1. Графики ,  постройте в одних координатах, задавая разные масштабы для мощности  и  ( не в %), взяв точку для максимального КПД  = 1 несколько выше максимальной мощности в данной цепи по оси ординат (на рис. 2 P_max = 4 Вт).

 

Рис. 2. Примерные графики зависимости  и

По точке пересечения графиков определите оптимальный ток ,            когда  и  максимальны (одновременно).

Из графиков сделайте вывод о , , .

Контрольные вопросы

1. Дайте понятия: электрический ток, постоянный ток, переменный ток.

2. Почему R называют «омическим» или «активным» сопротивлением?

3. Дайте понятия: «ток проводимости», «конвекционный ток», «ток смещения»?

4. Что принимают за направление тока?

5. Почему заряды перемещаются в металлических проводниках? Какие заряды? Чему в этот период равна разность потенциалов на зажимах источника тока?

6. Законы Ома: для однородного участка, в дифференциальной форме, для полной цепи и для неоднородного участка.

7. Что такое плотность тока, проводимость и сопротивление?

8. На что расходуется энергия электрического тока?

9. Что служит нагрузкой для цепи постоянного электрического тока?

10. Роль источника тока. ЭДС источника тока.

11. Ток короткого замыкания. Почему его следует избегать?

12. Формулы для расчета мощности в цепи постоянного тока.

13. Закон Джоуля–Ленца. Применение «джоулева» тепла.

Библиографический список

1. Савельев И. В. Курс общей физики / И. В. Савельев. – М. : Наука, 1982. – Т. 2. – Гл. V. – С. 98–100, 102–104, 107–108. (Постоянный электрический ток. § 31. Электрический ток. § 33. Электрическая сила. § 35. Закон Ома для неоднородного участка цепи)

2. Грабовский Р. И. Курс физики / Р. И. Грабовский. – М.: Высш. шк., 2002. – Гл. XIII. – С. 269–276. (Постоянный электрический ток. Сила тока. Электродвижущая сила. Напряжение. § 85. Ток в металлических проводниках. Сопротивление. Законы Ома. Работа и мощность тока).

Эффективность — Передача энергии и эффективность — Редакция GCSE Physics (Single Science) — Другое

Эффективность устройства — это доля поставляемой энергии, которая передается полезными способами. Эффективность можно рассчитать в виде десятичной дроби или в процентах.

Электрические лампы

Обычные электрические лампы содержат тонкую металлическую нить накала, которая светится при прохождении через нее электричества. Однако большая часть электрической энергии передается в виде тепловой энергии, а не в виде энергии света.

Это диаграмма Санки для типичной лампы накаливания :

Современные энергосберегающие лампы и светодиоды работают по-другому. Они передают большую часть электрической энергии в виде световой энергии.

Это диаграмма Санки для типичной энергосберегающей лампы :

Из диаграммы вы можете видеть, что гораздо меньше электроэнергии передается или «теряется» в виде тепловой энергии от энергосберегающей лампы. Это более эффективно, чем лампа накаливания.

Расчет КПД

КПД устройства, например лампы, можно рассчитать:

КПД = полезная энергия на выходе ÷ общая энергия в (для десятичного КПД)

или

КПД = (полезная энергия на выходе ÷ полная энергия) × 100 (для процентного КПД)

КПД лампы накаливания составляет 10 ÷ 100 = 0,10 (или 10%). Это означает, что 10 процентов поставляемой электроэнергии передается в виде световой энергии (90 процентов передается в виде тепловой энергии).

КПД энергосберегающей лампы составляет 75 ÷ 100 = 0,75 (или 75%). Это означает, что 75 процентов поставляемой электроэнергии передается в виде световой энергии (25 процентов передается в виде тепловой энергии).

Обратите внимание, что КПД устройства всегда будет меньше 100 процентов. Иногда мощность отображается в Вт вместо энергии в Дж. Уравнения те же — просто замените мощность на энергию:

КПД = полезная выходная мощность ÷ общая входная мощность (для десятичной эффективности)

или

КПД = (полезная выходная мощность ÷ общая входная мощность) × 100 (для процентной эффективности)

Исследование электрического КПД топологий переменного и постоянного тока в офисном здании со встроенной фотоэлектрической системой в среде Matlab-Simulink: Journal of Renewable and Sustainable Energy: Vol 6, No 3

Электрическая эффективность и энергетический баланс офисного здания (Эспоо, Финляндия: 60.11 ° N, 24,49 ° E) с интегрированной фотоэлектрической системой были изучены с использованием модели Matlab-Simulink. Модель состояла из измеренных на объекте фотоэлектрических данных, измеренных данных светильников и данных о потреблении компьютеров и системы вентиляции, которые были получены из онлайн-источников. Подобная модель была изучена с четырьмя различными напряжениями: 12 В постоянного тока, 24 В постоянного тока, 48 В постоянного тока и 230 В переменного тока, и компоненты системы были выбраны соответственно. Все компоненты, выбранные для моделирования, были коммерчески доступны. При моделировании использовалось светодиодное (LED) и люминесцентное освещение, и они сравнивались друг с другом.На основе моделирования был рассчитан годовой энергетический баланс каждого смоделированного варианта и оценены годовые затраты на электроэнергию в сети. Результаты были рассчитаны для аналогичных систем с системой резервного питания от батареи и без нее. Энергетический баланс здания был изучен в разные месяцы, поскольку сезонные различия в доступной солнечной энергии значительно различаются в зависимости от местоположения моделируемого здания. Общее энергопотребление здания было самым низким, когда в качестве напряжения системы использовалось 230 В переменного тока.В основном это было связано с тем, что компьютерные блоки питания, рассчитанные на меньшее напряжение постоянного тока, были значительно менее энергоэффективными, чем блоки питания, рассчитанные на 230 В переменного тока. Когда учитывалась только энергоэффективность освещения, 48 В постоянного тока давали наилучшие результаты при светодиодном освещении и 24 В постоянного тока при освещении люминесцентными лампами. Светодиодное освещение было более энергоэффективным, чем освещение люминесцентными лампами при всех исследованных напряжениях. Для системы 12 В постоянного тока требовались более толстые провода, чем для других вариантов, и даже тогда потери в проводе были более заметными.Система резервного питания от батарей уменьшила количество покупаемой и проданной сетевой энергии во всех тестируемых ситуациях. Будет ли это экономически целесообразным, зависит от цены на продаваемую и покупаемую сетевую энергию. В этом исследовании исходное предположение заключалось в том, что цена была одинаковой независимо от направления потока энергии, и в этом случае резервная батарея не обеспечивала экономии с точки зрения прямых затрат на электроэнергию. Сезонные различия в потреблении энергии в сети были значительными. В июле здание было самодостаточным для производства электроэнергии на ежедневном уровне, в апреле около 80% электроэнергии было произведено на месте, а в декабре только 2–5% необходимой электроэнергии было произведено на месте.

БЛАГОДАРНОСТИ

Это исследование было выполнено в рамках исследовательской программы RYM Indoor Environment и программы «Энергоэффективность смешанных сетей переменного и постоянного тока для искусственной среды» (EEM). Исследовательская программа RYM Indoor Environment финансируется TEKES, Университетом Аалто и несколькими финскими компаниями. Более подробную информацию об этой программе можно найти на веб-сайте http://www.rym.fi/en/programs/indoorenvironmentprogram/.

Энергоэффективность смешанных сетей переменного / постоянного тока для искусственной среды (EEM) — это программа сотрудничества между подразделениями автоматизации и системных технологий, электроники, микро- и нанонауок, обработки сигналов и акустики и электротехники Университета Аалто, целью которой является улучшение энергопотребления. эффективность электрических сетей, содержащих устройства постоянного тока.

Что такое эффективность? — x-engineer.org

Эффективность имеет несколько определений, все они действительны. Мы можем определить эффективность как:

• способность избегать потери энергии при выполнении определенной работы
• соотношение между полезной работой, выполняемой устройством, и общей потребляемой энергией на входе

Предположим, у нас есть система, которая получает мощность в качестве входа и выдает другую мощность. Эффективность — это соотношение выходной и входной мощности.

Изображение: Эффективность системы

Для определения эффективности используется греческая буква эта (η):

\ [\ begin {уравнение} \ begin {split}
\ bbox [# FFFF9D] {\ eta = \ frac {P_ {out}} {P_ {in}}}
\ end {split} \ end {equal} \]

Если мы хотим выразить эффективность в процентах, математическое выражение будет иметь следующий вид:

\ [\ eta = \ frac {P_ {out}} {P_ {in}} \ cdot 100 [\%] \]

Например, если мы возьмем электродвигатель, который получает мощность 1000 Вт от батареи и выдает 900 Вт на роторе, что КПД мотора?

\ [\ eta_ {mot} = \ frac {900} {1000} \ cdot 100 = 90 \% \]

Куда пропали оставшиеся 100 Вт? Почему их нет на выходе двигателя (роторе)?

Ответ прост.Поскольку ротор установлен на некоторых подшипниках, в подшипниках присутствует некоторое трение. Трение поглощает часть подводимой мощности и превращает ее в тепло. Также есть потери в обмотке самого двигателя. Потери на трение вместе с потерями в обмотке снижают выходную мощность двигателя.

\ [P_ {out} = P_ {in} — P_ {loss} \]

Если мы разделим приведенное выше выражение на входную мощность, мы получим:

\ [\ begin {уравнение *} \ begin {split}
\ frac { P_ {out}} {P_ {in}} & = \ frac {P_ {in}} {P_ {in}} — \ frac {P_ {loss}} {P_ {in}} \\
\ eta & = 1 — \ frac {P_ {loss}} {P_ {in}} \\
\ end {split} \ end {формула *} \]

Если мы знаем входную мощность системы и ее эффективность, мы можем легко вычислить выходная мощность как:

\ [\ begin {уравнение} \ begin {split}
\ bbox [# FFFF9D] {P_ {out} = \ eta \ cdot P_ {in}}
\ end {split} \ end {уравнение} \]

Теперь мы собираемся поработать над примером, который подчеркнет влияние эффективности на производительность системы приведения в действие.Также мы увидим, как использовать КПД для расчета выходной мощности.

Предположим, у нас есть электромеханическая приводная система, состоящая из:

• батареи
• электродвигателя
• червячной передачи
• прямозубой шестерни

Изображение: Электромеханическая приводная система

Зная напряжение и электрический ток батареи, а также КПД двигателя, червячной передачи и прямозубой шестерни, мы можем рассчитать выходную мощность на прямозубой шестерне.

\ [\ eta_ {worm} \]

Физическая переменная	Символ	Значение	Единица
Напряжение аккумулятора	\ [U_ {bat} \]	12	32	Сила тока батареи	\ [I_ {bat} \]	10	A
КПД двигателя	\ [\ eta_ {mot} \]	95	%
КПД червячной шестерни	70	%
КПД цилиндрической зубчатой ​​передачи	\ [\ eta_ {spur} \]	98	%

Для лучшего понимания входная и выходная мощность для каждого компонента, мы можем описать вышеупомянутую систему срабатывания блок-схем:

Изображение: Блок-схема электромеханической системы срабатывания

Сначала мы рассчитаем входную мощность, мощность батареи:

\ [P_ {bat} = U_ {bat} \ cdot I_ {bat} = 12 \ cdot 10 = 120 Вт \]

Далее мы вычисляем выходную мощность двигателя:

\ [P_ {mot} = \ eta_ {mot} \ cdot P_ {bat} = 0.95 \ cdot 120 = 114 Вт \]

Затем мы вычисляем выходную мощность червячной передачи:

\ [P_ {worm} = \ eta_ {worm} \ cdot P_ {mot} = 0,70 \ cdot 114 = 79,8 Вт \]

Наконец мы рассчитываем выходную мощность цилиндрической шестерни:

\ [P_ {spur} = \ eta_ {spur} \ cdot P_ {worm} = 0,98 \ cdot 79,8 = 78,204 Вт \]

Зная входную мощность и выходную мощность, мы можем вычислить общая эффективность системы:

\ [\ eta = \ frac {P_ {out}} {P_ {in}} = \ frac {P_ {spur}} {P_ {bat}} = \ frac {78.204} {120 } = 0,6517 = 65,17 \% \]

Общая эффективность системы также может быть рассчитана путем умножения эффективности всех компонентов:

\ [\ eta = \ eta_ {mot} \ cdot \ eta_ {worm} \ cdot \ eta_ {spur} = 0.95 \ cdot 0.70 \ cdot 0.98 = 0.6517 = 65.17 \% \]

Мы можем вычислить потери мощности, вычтя выходную мощность из входной:

\ [P_ {loss} = P_ {in} — P_ {out} = P_ {bat} — P_ {spur} = 120 — 78,204 = 41,796 Вт \]

С учетом потерь мощности мы можем пересчитать общую эффективность как:

\ [\ eta = 1 — \ frac {P_ {loss}} {P_ { in}} = 1 — \ frac {41.796} {120} = 1 — 0,3483 = 0,6517 = 65,17 \% \]

В этом упражнении должно быть довольно очевидно, как рассчитывается КПД и как оно влияет на выходную мощность системы.

Для любых вопросов или замечаний относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Как повысить эффективность электродвигателей

Первый промышленный электродвигатель, вероятно, считался прорывом в свое время, даже несмотря на то, что было много возможностей для улучшения. По мере развития технологий производители двигателей разработали более совершенные двигатели, которые потребляют меньше энергии и требуют меньших затрат.Хотя для производителей вполне естественно использовать новейшие технологии при создании электродвигателей, возможности для дальнейшего совершенствования методов производства сыграли важную роль в повышении эффективности этих двигателей.

Рассмотрим следующую статистику:

• Мировой рынок электротехники оценивался в более чем 70 миллиардов долларов в 2015 году и, как ожидается, будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR) в 4,2 процента с 2017 по 2025 год.
• По оценкам, к 2035 году мировое потребление электроэнергии достигнет 35 триллионов киловатт-часов, и почти 28 процентов будут использоваться электродвигателями.
• Девяносто процентов установленных двигателей работают непрерывно на полной скорости и используют механические системы для регулирования мощности.

Будущее определенно выглядит многообещающим!

Прежде чем перейти к изучению эффективности электродвигателей, важно больше узнать об общих двигателях, используемых в промышленности.

Простой двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую. Обычно он оснащен большим количеством катушек, что делает его эффективным.Тем не менее, это может привести к большим потерям энергии из-за трения между коллектором и щетками, а также потери крутящего момента при определенных углах. Кроме того, если двигатель застрянет при попытке поднять тяжелый груз, катушки ротора могут легко перегреться и расплавиться. Вот почему в ряде промышленных и тяжелых бытовых приборов используются электродвигатели.

Как производители могут экономить электроэнергию с помощью электродвигателей

Конструкция электродвигателя и способ его использования являются двумя определяющими факторами, которые помогают экономить электроэнергию.Давайте сначала посмотрим на аспект дизайна.

Использование медных обмоток в обмотках статора

Что касается проводимости двигателя, всегда лучше использовать медные катушки, чем устаревшие алюминиевые. Это связано с тем, что проводимость алюминия ниже, чем у меди. Чтобы не отставать от медных катушек, алюминиевые магнитные провода могут нуждаться в большем поперечном сечении, чтобы они могли обеспечивать такой же уровень проводимости. Обмотки, намотанные алюминиевой проволокой, могут иметь больший объем по сравнению с двигателем того же размера с медной проволокой.

Если вы все еще используете алюминиевые обмотки, убедитесь, что концы алюминиевого магнитного провода правильно подключены. Алюминий окисляется намного быстрее, чем другие металлы, и если алюминиевый порошок подвергается воздействию воздуха, он полностью окисляется всего за несколько дней и оставляет после себя тонкий белый порошок.

Для правильного соединения, обеспечивающего хорошую проводимость, оксидный слой алюминиевого магнита необходимо проткнуть, чтобы предотвратить дальнейший контакт алюминия с воздухом.

Конечно, достижение КПД двигателя — это больше, чем просто выбор между алюминиевой и медной обмотками. Некоторые производители разработали обжимные соединители с прокалкой под высоким давлением для повышения эффективности. Это было сделано для того, чтобы алюминиевые обмотки не отставали от своих медных аналогов. Хотя двигатели с алюминиевыми обмотками могут сравниться по мощности с медными, это требует времени и денег. Алюминий также требует большего количества витков и провода большего диаметра, что не всегда может быть экономичным.

Если двигатель должен работать время от времени или в течение короткого времени, а эффективность и объем не имеют значения, использование алюминиевых магнитных проводов может иметь смысл. В противном случае всегда следует отдавать предпочтение медным обмоткам.

Использование медных стержней в роторе

Когда дело доходит до роторов, медь также дает преимущество в эффективности. Медные роторы предпочтительны для энергоэффективных производств в развитых и развивающихся странах, где электричество часто бывает дефицитным и дорогостоящим.Медные роторы — лучший выбор по сравнению с алюминиевыми с точки зрения качества двигателя, надежности, стоимости, эффективности и срока службы.

Прецизионная обработка движущихся деталей

Обработка влечет за собой удаление материала из секционного блока до очень переносимого вещества. Прецизионное оборудование необходимо для достижения высочайшего допуска при наименьшей измеримой степени. Будь то резка металла или добыча угля, прецизионное оборудование может обеспечить точность, необходимую для производства материалов в желаемых количествах.Движущиеся части машины требуют своевременного обслуживания для достижения максимальной производительности и эффективности. Техническое обслуживание должно выполняться только специалистами, при этом должен требоваться осмотр всех частей.

Использование высококачественной стали для роторов и статоров

Высокотехнологичная электротехническая сталь необходима для производства экономичных статоров и роторов, используемых во множестве электродвигателей. Этот тип стали обеспечивает высокую магнитную проницаемость и низкие потери мощности для первоклассных характеристик.Однако потери мощности в электротехнической стали все же могут возникать. Вихревые токи, также называемые токами Фуко, вступают в игру, когда магнитное поле изменяется. Прокатка стали до более тонкой толщины контролирует эти вихревые токи и снижает потери тока. Это особенно верно для прикладных частот, превышающих стандартные 50 или 60 герц.

Сохранение ротора и статора как можно ближе друг к другу

Благодаря высокоточному производству производители могут удерживать ротор и статор как можно ближе друг к другу, не касаясь друг друга.Когда скорость вращения достигает нескольких тысяч оборотов в минуту, электротехническая сталь в роторе может испытывать огромные нагрузки. Высокое напряжение особенно ощущается в областях рядом с пазами для магнитов, где узкое оборудование удерживает магниты на месте.

В асинхронных двигателях передача энергии происходит через воздушный зазор между статором и двигателем. Воздушный зазор необходим для минимизации сопротивления. Небольшой воздушный зазор приведет к меньшим потерям энергии и повышению эффективности.Общая магнитная связь между статором и ротором увеличивается по мере уменьшения воздушного зазора. Более высокая потокосцепление приводит к уменьшению потерь энергии и повышению эффективности. Меньший зазор также помогает избежать шума.

Больше катушек делают двигатели более эффективными

Провода в фазных обмотках двигателей малой мощности тоньше. Однако количество витков катушки должно быть большим, чтобы увеличить магнитодвижущую силу или плотность тока. Сопротивление фазных обмоток и плотность потерь мощности также выше, чем у двигателей большой мощности.Следовательно, маломощные двигатели с высокими скоростями потребуют большей магнитодвижущей силы. Это означает, что потребуется больше катушек и большее количество витков с тонким проводом, который обеспечивает более высокую плотность тока.

Использование частотно-регулируемых приводов

Приводы с регулируемой скоростью (VSD) или приводы с регулируемой скоростью представляют собой тяжелые промышленные электродвигатели. Их скорость можно регулировать с помощью внешнего контроллера. Эти приводы используются для управления технологическим процессом, поскольку они помогают экономить энергию на предприятиях, где используется множество электродвигателей.

VSD обычно используются в качестве энергосберегающих насосов и вентиляторов, поскольку они улучшают технологические операции, особенно там, где необходимо регулирование потока. Они также обеспечивают возможность плавного пуска, что снижает электрические напряжения и провалы напряжения в сети, которые обычно наблюдаются при пусках двигателей под напряжением, особенно при работе с высокоинерционными нагрузками.

Как пользователи электродвигателей могут обеспечить эффективность

Как упоминалось ранее, то, как электродвигатели используются производителями, промышленными предприятиями и домовладельцами, будет определять их эффективность.Ниже приведены некоторые конкретные шаги, которые пользователи могут предпринять для обеспечения эффективности и долговечности двигателя:

Использование интеллектуальных двигателей с соответствующим пускателем / контроллером двигателя

Хотя интеллектуальные двигатели широко используются и доступны, крайне важно выбрать наиболее подходящий вариант, чтобы свести к минимуму время простоя, повысить эффективность и снизить затраты. Инженеры-производственники знают, какое бремя потребления электроэнергии двигателями может сказаться на их эксплуатационных расходах. Чтобы смягчить это, они часто используют технологии управления двигателями, которые используют только необходимое количество энергии для запуска двигателей, выявления диагностических данных и сокращения времени простоя.По мере того как пускатели двигателей становятся все более популярными, технология пускателей двигателей также приобретает все большее значение.

Ниже приведены несколько важных вопросов, которые необходимо рассмотреть, прежде чем принимать решение о потенциальных областях применения электродвигателей:

Будет ли приложение требовать управления скоростью, даже если двигатель работает на определенной скорости?

Требования к контролю скорости должны быть определены как можно раньше. Некоторые устройства плавного пуска имеют ограниченное управление низкой скоростью между пуском и остановкой.Важно помнить, что рабочая скорость двигателя не может быть изменена, потому что устройство плавного пуска регулирует только напряжение двигателя, а не частоту.

Потребуется ли приложению определенное время запуска и остановки?

Обычно время пуска и останова устройств плавного пуска зависит от нагрузки. Внутренние алгоритмы регулируют напряжение на основе заранее запрограммированного времени, чтобы увеличить ток и крутящий момент для запуска двигателя и / или уменьшить их, чтобы остановить его.Если нагрузка небольшая, двигателю может потребоваться меньше времени для запуска, чем запрограммированное значение. В устройствах плавного пуска нового поколения используются усовершенствованные алгоритмы, позволяющие добиться более точного и менее зависимого от нагрузки времени пуска и останова.

Потребуется ли приложению полный крутящий момент без скорости?

ЧРП могут лучше всего работать с приложениями, требующими полного крутящего момента при нулевой скорости. Они могут создавать номинальный крутящий момент двигателя от нуля до номинальной скорости и даже обеспечивать полный крутящий момент без скорости.С другой стороны, устройства плавного пуска обычно работают в диапазоне частот от 50 до 60 Гц, а полный крутящий момент может быть достигнут только при полном напряжении. Начальный крутящий момент (доступный при нулевой скорости) обычно находится в диапазоне от нуля до 75 процентов и может быть запрограммирован.

Потребуется ли в приложении постоянный крутящий момент?

Устройства плавного пуска изменяют напряжение для управления током и крутящим моментом. Во время запуска ток изменяется в зависимости от напряжения, в то время как крутящий момент двигателя изменяется как квадрат приложенного напряжения.Крутящий момент может не оставаться постоянным при различных приложенных напряжениях, условие, которое может усложняться при изменении нагрузок.

Некоторые устройства плавного пуска работают по алгоритмам управления крутящим моментом, но это не обязательно связано с постоянным крутящим моментом. Однако во время ускорения частотно-регулируемые приводы используют разные частоты двигателя при изменении напряжения. Режим управления VFD определяется с точки зрения постоянного напряжения на герц и обеспечивает постоянный крутящий момент.

Каковы стоимость, размер и тепловые характеристики?

При силе тока менее 40 ампер устройства плавного пуска могут предложить небольшую экономическую выгоду по сравнению с частотно-регулируемыми приводами.По мере увеличения силы тока и мощности стоимость частотно-регулируемых приводов увеличивается быстрее, чем у устройств плавного пуска, и может достигать экстремальных значений при высоких значениях силы тока.

Что касается размера, устройства плавного пуска имеют преимущество перед частотно-регулируемыми приводами при любой силе тока благодаря своей конструкции. По мере увеличения тока и мощности разница может увеличиваться. Когда устройства плавного пуска объединены с внутренним или внешним электромеханическим байпасом, они еще более эффективны и могут выделять меньше тепла. Это связано с тем, что устройства плавного пуска имеют меньше активных компонентов в цепи в режимах запуска, работы и останова.

Что следует учитывать при установке и гармониках?

Проблемы, связанные с установкой, можно разделить на следующие категории: стоимость, размер, температура и качество электроэнергии. Установки плавного пуска требуют меньших размеров и меньших затрат, поэтому они не вызывают особого беспокойства.

Кроме того, гармоники устройства плавного пуска меньше, чем у частотно-регулируемых приводов. Длинные кабели для частотно-регулируемых приводов требуют большего внимания, чем для устройств плавного пуска. Кроме того, для устройств плавного пуска могут не потребоваться специальные типы проводов.Электромагнитная совместимость также не может быть учтена.

Прекратите использование двигателей, когда в этом нет необходимости

Как бы просто это ни звучало, наиболее эффективный способ экономии энергии — выключать двигатель, когда он не используется. Чаще всего пользователи не решаются выключить двигатель, потому что считают, что его многократный запуск приведет к значительному износу. Один из способов смягчить это — использовать устройства плавного пуска, которые могут снизить износ.Правильно установленное и специально подобранное устройство плавного пуска также может снизить нагрузку на механические и электрические системы.

Снижение износа

Снижение износа двигателя — одна из основных задач пользователей. При запуске электродвигателя происходит значительный износ, так как высокие начальные токи и силы создают давление в механических и электрических системах. Хотя это может быть вредным, повреждающие эффекты можно контролировать с помощью устройств плавного пуска.Вы также можете использовать VSD, но они могут быть менее эффективными и дорогостоящими.

Использование высокоэффективных двигателей

Эффективность двигателя может быть получена из двух факторов: размера двигателя и качества его эффективности. В частности, для двигателей меньшего размера размер является важным фактором, влияющим на эффективность. Для более крупных двигателей большее значение имеют классы эффективности.

Энергоэффективные двигатели потребляют меньше электроэнергии, не так легко нагреваются и служат дольше.Эти типы двигателей отличаются улучшенной конструкцией, что приводит к меньшим тепловым потерям и снижению шума. Использование высококачественных материалов, более жестких допусков и улучшенных технологий производства также помогает снизить потери и повысить эффективность.

Чтобы оценить преимущества высокоэффективных двигателей, вы должны сначала определить «эффективность» электродвигателя. Это можно определить по соотношению механической мощности, выдаваемой двигателем (выход), к электрической мощности, подаваемой на двигатель (вход).Следовательно, КПД = (выходная механическая мощность / потребляемая электрическая мощность) x 100 процентов.

Таким образом, если двигатель эффективен на 80 процентов, он может преобразовывать 80 процентов электрической энергии в механическую. Остальные 20 процентов электроэнергии теряется в виде тепла.

Покупка двигателя подходящего размера

Двигатели, как правило, наиболее эффективны при нагрузке от 60 до 100 процентов от их полной номинальной нагрузки и наиболее неэффективны при нагрузке ниже 50 процентов.Это означает, что простая покупка двигателя правильного размера может в значительной степени повысить эффективность.

Как правило, двигатели увеличенного размера работают с нагрузкой ниже 50% от номинальной, что не только делает их неэффективными, но и более дорогими по сравнению с двигателями нужного размера. Кроме того, они также могут уменьшить подачу электроэнергии на машину, что увеличивает нагрузку на электрическую систему.

Последние мысли

Поскольку «энергоэффективность» становится современной модной фразой, важно, чтобы эта концепция была интегрирована в повседневные бытовые и промышленные применения.Энергоэффективные двигатели могут предложить множество преимуществ. При правильной установке они могут работать меньше, обеспечивать более высокие стандарты обслуживания, дольше служить, обеспечивать лучшую изоляцию и меньше шума и вибрации. Имея такое множество преимуществ, производители двигателей поступят мудро, если будут производить и использовать наиболее энергоэффективные двигатели.

Эта статья ранее появлялась на сайте www.powerjackmotion.com.

Раздел D: Энергоэффективность и второй закон термодинамики — Энергетическое образование: концепции и практика

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, ее можно только преобразовать из одной формы в другую.Это может означать, что мы всегда можем преобразовывать энергию в любую нужную нам форму, даже не беспокоясь об использовании наших энергетических ресурсов.

Однако не вся энергия преобразуется в желаемую форму энергии (например, в свет). Хотя количество энергии одинаково до и после преобразования, качество отличается. Внутри лампы накаливания закреплена тонкая проволочная нить.Когда лампочка включена, электрический ток проходит через нить накала, нагревая ее настолько, что она излучает свет. Тепловую энергию, производимую лампочкой, часто называют потраченным впустую теплом, потому что эту форму энергии трудно использовать для выполнения работы.

Энергия, которая тратится впустую, когда светит лампочка, иллюстрирует второй закон термодинамики, который гласит, что при каждом преобразовании энергии из одной формы в другую часть энергии становится недоступной для дальнейшего использования.Применительно к лампочке второй закон термодинамики гласит, что 100 единиц электрической энергии не могут быть преобразованы в 100 единиц световой энергии. Вместо 100 единиц, которые используются для генерации света, 95 необходимы для нагрева нити. ПРИМЕЧАНИЕ. Есть и другие соображения при разработке и использовании эффективных устройств преобразования, такие как затраты и государственные субсидии.

Энергоэффективность

С точки зрения энергии, эффективность означает, какая часть заданного количества энергии может быть преобразована из одной формы в другую полезную форму.То есть, какая часть энергии используется для того, что предназначено (например, для производства света), по сравнению с тем, сколько теряется или «тратится впустую» в виде тепла. Формула энергоэффективности — это количество полезной энергии, полученной в результате преобразования, деленное на энергию, которая пошла на преобразование (эффективность = полезная выходная энергия / входная энергия). Например, большинство ламп накаливания имеют КПД всего 5 процентов (КПД 0,05 = f единиц света / 100 единиц электричества).

Из-за неизбежного соблюдения второго закона термодинамики ни одно устройство преобразования энергии не является эффективным на 100 процентов.Даже природные системы должны соответствовать этому закону (см. «Энергия через нашу жизнь» — Раздел D. Поток энергии в экосистемах )

Большинство современных устройств преобразования, таких как лампочки и двигатели, неэффективны. Количество полезной энергии, получаемой в результате процесса преобразования (выработка электроэнергии, освещение, обогрев, движение и т. Д.), Значительно меньше первоначального количества энергии. Фактически, из всей энергии, которая используется в таких технологиях, как электростанции, печи и двигатели, в среднем только около 16 процентов преобразуется в практические формы энергии или используется для создания продуктов.Куда подевались остальные 84 процента? Большая часть этой энергии теряется в виде тепла в окружающую атмосферу.

Вам может быть интересно, почему не произошло улучшений, если есть много возможностей для повышения эффективности?

Одна из причин заключалась в том, что, когда впервые были изобретены лампочки и другие устройства преобразования, источники энергии казались обильными, и не было особой озабоченности по поводу отходящего тепла, которое они производили, пока их основное назначение (свет , движение и электричество).Однако, поскольку становится очевидным, что источники энергии — в первую очередь ископаемое топливо — которые мы используем, действительно ограничены, одна из целей технологии заключалась в том, чтобы сделать устройства и системы преобразования более эффективными.

Лампочка — это один из примеров преобразователя, для которого были разработаны более эффективные альтернативы. Одна альтернатива, компактная люминесцентная лампа (КЛЛ), была коммерчески представлена ​​в 1980-х годах. Вместо использования электрического тока для нагрева тонких нитей в КЛЛ используются трубки, покрытые флуоресцентными материалами (называемыми люминофорами), которые излучают свет при электрическом возбуждении.Несмотря на то, что они излучают одинаковое количество света, 20-ваттная лампа CFL кажется более прохладной, чем 75-ваттная лампа накаливания. КЛЛ преобразует больше электроэнергии в свет и меньше — в отходящее тепло. Типичные КЛЛ имеют КПД от 55 до 70 процентов, что делает их в три-четыре раза более эффективными, чем обычные лампы накаливания с КПД менее 20 процентов. Другая альтернатива, светоизлучающий диод (LED), стала более распространенной и доступной в последние годы. Светодиоды объединяют токи с положительным и отрицательным зарядом, создавая энергию, выделяемую в виде света.Светодиоды имеют КПД от 75 до 95 процентов, что делает их в четыре-пять раз более эффективными, чем лампы накаливания. Светодиодные лампы также могут прослужить от 20 000 до 50 000 часов, что в пять раз дольше, чем у любой сопоставимой лампочки.

Одна компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) мощностью 20 Вт по сравнению с лампой накаливания мощностью 75 Вт экономит около 550 кВтч электроэнергии в течение всего срока службы. Если электричество производится на угольной электростанции, эта экономия составляет около 500 фунтов угля.Если каждое домашнее хозяйство в Висконсине заменит одну 75-ваттную лампу накаливания на 20-ваттную компактную люминесцентную лампу, будет сэкономлено достаточно электроэнергии, чтобы угольная электростанция мощностью 500 мегаватт была выведена из эксплуатации. Представьте, что сэкономит, заменив их все на светодиоды!

Установка эффективных лампочек — это всего лишь одно действие, которое люди могут предпринять для повышения эффективности системы. Другие эффективные электрические приборы, такие как водонагреватели, кондиционеры и холодильники, доступны и становятся все более доступными.Вы можете легко распознать энергоэффективные приборы по этикетке EnergyStar ^® . Выключение света и других устройств, когда они не используются, также снижает нагрузку на систему. Таким образом, люди — будь то инженеры, улучшающие устройство преобразования энергии, или дети, выключающие свет в доме, — могут внести значительный вклад в энергосбережение. (Взято из KEEP Руководство по образовательной деятельности в области энергетики «Уменьшение прибыли»)

Тепло передается в окружающую среду во время всех преобразований энергии.

Примеры включают:

При каждом преобразовании энергии передаваемое тепло приводит к небольшому увеличению тепловой энергии в окружающей среде. Другими словами, эта тепловая энергия «теряется» в окружающей среде (в конечном итоге теряется в космосе!) И непригодна для использования.

Второй закон термодинамики

Во время передачи энергии может показаться, что энергия уходит или уменьшается. Например, прыгающий мяч перестает подпрыгивать, батарея умирает или в машине заканчивается топливо.Энергия все еще существует, но она настолько разрослась, что практически недоступна. При сжигании куска дерева высвобождается световая и тепловая энергия (обычно называемая теплом). Свет и тепло рассеиваются и становятся менее полезными. Другой способ описать этот процесс — сказать, что энергия концентрируется в древесине (химическая энергия) и становится менее концентрированной в формах тепловой и световой энергии.

Вернемся к обезумевшему коту в комнате с загадкой. Хотя вы можете найти все части головоломки после действий кошки, вы не сможете собрать ее полностью.Некоторые части были согнуты, другие порваны, а некоторые — кота, ну, дайте волю своему воображению. Другими словами, хотя количество головоломки осталось прежним, ее качество было скомпрометировано. Эта история о кошке — грубая аналогия второму закону термодинамики.

Следующий набор утверждений представляет собой различные способы выражения второго начала термодинамики:

Намного легче проиллюстрировать примеры второго начала термодинамики. Простое включение лампочки показывает, что помимо света выделяется тепло.Также попробуйте уловить свет или тепло, чтобы проделать дополнительную работу. Тяжело, не правда ли?

Рассмотрим цитату Пола и Энн Эрлих:

«Энергия наиболее пригодна для использования там, где она наиболее сконцентрирована — например, в сильно структурированных химических связях (бензин, сахар) или при высокой температуре (пар, падающий солнечный свет [sic] ). Поскольку второй закон термодинамики гласит, что Общая тенденция во всех процессах — это уход от концентрации, от высокой температуры, это говорит о том, что в целом все больше и больше энергии становится все менее и менее пригодным для использования.»

Ученые и изобретатели на протяжении многих лет осознавали эту тенденцию к «потере энергии» и стремились ее преодолеть. Они всегда терпели поражение. Распространенное изобретение, которое пытаются противостоять законам термодинамики, называется вечным двигателем. Идея, лежащая в основе этой машины, заключается в том, что движение машины обеспечивает энергию для продолжения движения машины. (А?) Другими словами, как только машина начинает работать, никакой дополнительной энергии не требуется (машина вырабатывает свою собственную энергию).Думаешь, это сработает? Следующий раздел, Энергетических правил! Раздел E. Действия и эксперименты будет посвящен обсуждению вечных двигателей.

Последние мысли об энергетических правилах

Энергию часто называют валютой жизни. Он проходит через процессы Земли, создавая ветер, обеспечивая свет и позволяя растениям создавать пищу из воды и воздуха (углекислый газ). Люди подключились к этому потоку, чтобы производить электричество, заправлять наши автомобили и обогревать наши дома.Солнце обеспечивает Землю большей частью своей энергии. Студентам важно распознавать и ценить этот источник энергии и исследовать преобразования, которые приносят солнечный свет в их дом в форме света, тепла, пищи и топлива. Нам повезло, что у нас много «концентрированных» источников энергии. Помимо солнца, химическая энергия содержится в ископаемых видах топлива, таких как уголь и нефть, а также в ядерных ресурсах.

В то время как количество энергии в нашем мире остается постоянным, по мере того, как мы ее используем (передаем ее из одной формы в другую), она становится все менее полезной.Энергия также дает нам возможность работать. Благодаря образованию и осознанию того, что такое энергия и как мы ее используем, мы можем научиться (т. Е. Работать) более разумно использовать наши сконцентрированные ресурсы и гарантировать, что они будут доступны для будущих поколений.

Качество электроэнергии и энергоэффективность для измерения мощности

Введение

Глобальные экологические рыночные силы значительно влияют на то, как производятся продукты. Доступная чистая энергия — это цель устойчивого развития, направленная на повышение эффективности наших продуктов сегодня.

Более 40 процентов всей энергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для эксплуатации зданий, и большая часть этой энергии потребляется приборами и оборудованием, связанным со зданиями. Министерство энергетики США (DOE) реализует минимальные стандарты эффективности для широкого спектра приборов и оборудования, используемых в жилых и коммерческих зданиях. В настоящее время стандарты эффективности DOE охватывают более 60 категорий продуктов. В 2015 году эти стандарты помогли сократить наш национальный счет за электроэнергию на 80 миллиардов долларов, что эквивалентно потребностям в электроэнергии почти каждого третьего американского домохозяйства.

Цель этого документа — показать тесную взаимосвязь между эффективностью и качеством электроэнергии, а также предоставить информацию о причинах качества электроэнергии, типах проблем, связанных с качеством электроэнергии, а также предоставить рекомендации по вопросам измерения.

Питание переменного тока

Обычно электрическая мощность распределяется в виде синусоидального напряжения, создаваемого электромеханическим источником генерации. Когда электрический ток течет по проводу или проводнику, вокруг провода создается круговое магнитное поле, сила которого зависит от величины тока.Когда одиночный провод проходит через постоянное магнитное поле, индуцируется электромагнитное поле (ЭМП). Это создает мгновенное напряжение, которое зависит от скорости или скорости (омега на рисунке 1), с которой вращается катушка, и от угла поворота (тета на рисунке 1).

Рисунок 1. Проволока, проходящая через постоянный магнит, создает мгновенное напряжение

Линейные и нелинейные нагрузки

Когда электрическая нагрузка подключена к источнику напряжения, она потребляет ток для выполнения работы.Если ток следует по той же синусоидальной схеме, что и напряжение, то говорят, что нагрузка линейно следует за напряжением и называется линейной нагрузкой.

Когда синусоидальное напряжение прикладывается к нагрузке из линейных элементов, таких как резистор, катушка индуктивности или конденсатор, ток всегда будет синусоидальной волной той же частоты и формы волны, но со сдвигом фазы.

Рисунок 2: Форма кривой напряжения и тока при линейной нагрузке

Рис. 3. Три примера линейной нагрузки: лампочка — резистивная нагрузка, двигатель — индуктивная нагрузка, а монитор — емкостная нагрузка

Однако, если подключенная нагрузка не соответствует синусоидальной форме волны напряжения, то это называется нелинейной нагрузкой.Нелинейные нагрузки вызывают нагрузку на трансформаторы и генераторы, составляющие энергосистему. Было обнаружено, что это напряжение имеет преимущественно термическую природу. Поскольку энергосистемы, несущие нелинейные нагрузки, менее эффективны, важно идентифицировать их и принимать корректирующие меры для уменьшения их негативного воздействия на энергосистему.

Рисунок 4. Нелинейная нагрузка, такая как приводная система, использует нелинейные устройства для преобразования постоянного тока в переменный с использованием методов ШИМ

Качество электроэнергии

Качество электроэнергии — это мера отклонения от нормальной синусоиды, из которой был создан источник питания.Из-за все более широкого использования нелинейных устройств в энергосистемах низкое качество электроэнергии становится все более серьезной причиной беспокойства потребителей и производителей электроэнергии.

С точки зрения инженера, низкое качество электроэнергии вызывает избыточное тепло в электрическом оборудовании, таком как двигатели и трансформаторы, вызывает неэффективную работу из-за потери реактивной мощности и может потенциально повредить оборудование, часто из-за несбалансированной нагрузки и высоких нейтральных токов.

С точки зрения бизнеса, низкое качество электроэнергии увеличивает затраты из-за неэффективной реактивной мощности, увеличивает эксплуатационные расходы (OPEX) из-за более высоких затрат на обслуживание и замену поврежденного оборудования и снижает пропускную способность системы.

Что такое качество электроэнергии?

Качество электроэнергии зависит от совместимости источника питания и нагрузки. С точки зрения потребителя, низкое качество электроэнергии — это несовместимость, которая отрицательно сказывается на сети или источнике генерации. С точки зрения электрогенератора качество электроэнергии зависит от чистоты выходной мощности и ее совместимости с нагрузкой.

Причины низкого качества электроэнергии

Низкое качество электроэнергии проявляется в различных явлениях.Измерение следующих явлений может помочь специалистам понять потенциальные проблемы с энергосистемами и дать представление о методах смягчения последствий.

Повышение напряжения Повышение напряжения определяется как увеличение среднеквадратичного уровня напряжения до 110–180% от номинального при промышленной частоте от ½ цикла до одной минуты. Это вызвано молнией или переключением большой нагрузки на линии электропередач.

Провал / провал напряжения Провал или провал напряжения определяется IEEE 1159 как снижение среднеквадратичного уровня напряжения до 10–90% от номинального при промышленной частоте в течение от ½ цикла до одной минуты.Создание моментов на нагрузках двигателя, погодные условия и проблемы с коммунальным оборудованием могут вызвать пусковой ток и провалы напряжения.

Прерывание / падение напряжения Падение напряжения включает в себя как серьезные провалы среднеквадратичного значения напряжения, так и полные прерывания приложенного напряжения с последующим немедленным повторным приложением номинального напряжения. Кратковременные или длительные перебои в электроснабжении часто вызваны молнией или открытыми выключателями.

Переходное перенапряжение (импульс). Переходное перенапряжение — это нарушение качества электроэнергии, которое связано с разрушительными большими значениями тока, напряжения или того и другого.Молния или переключение большой нагрузки в линии электропередачи может вызвать кратковременное изменение напряжения.

Пусковой ток Пусковой ток определяется как максимальный мгновенный входной ток, потребляемый электрическим устройством при первом включении. Создание моментов на нагрузке двигателя может вызвать пусковой ток, а также разряд конденсатора в системах силовых преобразователей.

Мерцание Мерцание обычно ограничивается приложениями освещения и описывается как систематические изменения огибающей формы сигнала напряжения или серия случайных изменений напряжения, величина которых находится между пределами напряжения, установленными ANSI C84.1. Мерцание проявляется в изменении светоотдачи.

Гармоники Гармоники описываются IEEE как синусоидальные напряжения или токи с частотами, кратными основной частоте. Гармоники обычно вызываются нелинейными нагрузками в энергосистеме.

КПД

Последние инновации, такие как управление двигателем с ШИМ и импульсные источники питания, призваны повысить эффективность. К сожалению, они также вводят нелинейные элементы, которые создают проблемы с качеством электроэнергии и вызывают проблемы, которые они призваны исправить.Расчет того, насколько явления низкого качества электроэнергии влияют на производительность продукта, включает измерение энергоэффективности.

Измерение эффективности

Эффективность определяется как выходная мощность, деленная на потребляемую мощность. Эффективность 100% желательна, но нецелесообразна из-за потерь и искажений в обычных энергосистемах, как показано в разделе о качестве электроэнергии выше.

Рисунок 5: Система преобразования энергии для солнечной панели, подключенной к сети, имеет несколько точек измерения эффективности

На рисунке 5 показан пример измерения эффективности в солнечной энергетической системе.В этом примере входной постоянный ток преобразуется в переменный через инвертор, фильтруется и регулируется повышающим трансформатором для входа в систему электросети.

Следующие уравнения показывают, как и где в системе проводятся измерения эффективности.

КПД инвертора постоянного / переменного тока Инверторы постоянного / переменного тока неизбежно вносят сильно искаженный входной ток, что приводит к серьезным гармоникам тока и низкому коэффициенту мощности.

Эффективность фильтра Фильтр состоит из линейных устройств, которые не должны влиять на гармоники, но сдвиг фазы может со временем изменять мощность и, в конечном итоге, энергоэффективность.Измерение THD важно для характеристики фильтра ШИМ и обеспечения его указанной эффективности.

КПД трансформатора Потери в трансформаторе включают потери в меди из-за омического сопротивления обмоток, потери в стали из-за вихревых токов и гистерезисные потери.

Эффективность системы Эффективность системы зависит от нагрузки, которой в данном случае является здание. Все многочисленные компоненты вносят некоторые потери в систему в целом. Характеристика всей системы — важное измерение.Также важно отметить, что полная характеристика включает в себя длительный период времени для учета энергии (ватт-часы или Джоули), в отличие от показаний мощности с более короткой продолжительностью времени. В конечном итоге необходимо измерять энергоэффективность.

Гармоники

Общей причиной плохого качества электроэнергии в большинстве энергосистем являются гармоники.

Гармоники определяются как напряжения или токи, которые действуют на частотах, целых (целых) кратных основной частоте.Результирующая форма волны представляет собой сумму нескольких синусоид с разными частотами. Основной сигнал можно назвать сигналом первой гармоники. Вторая гармоника имеет частоту в два раза больше основной, третья гармоника имеет частоту в три раза больше основной и т. Д.

Рисунок 6: Гармоники состоят из нескольких частот, кратных основной гармонике

На рисунке 6 красные кривые — это фактические формы сигналов, видимые нагрузкой из-за того, что гармонические составляющие добавляются к основной частоте.Теоретически бывают как четные, так и нечетные гармоники. Обычно в сети переменного тока отсутствуют даже гармоники. Причины для беспокойства — это нечетные гармоники, присутствующие в системе переменного тока, и их вклад в общее гармоническое искажение.

Гармоники обычно классифицируются по названию, частоте и последовательности. В таблице ниже 3-я гармоника — это 150 Гц и последовательность 0. Гармоническая последовательность относится к вращению вектора гармонических напряжений и токов относительно основной формы волны в сбалансированном трехфазном четырехпроводном двигателе.

Мы можем суммировать эффекты последовательности как кратные основной частоты 50 Гц, как показано в следующей таблице.

Таблица 1: Эффекты последовательности, кратные основной частоте

Гармоника прямой последовательности (четвертая, седьмая, десятая и т. Д.) Будет вращаться в том же направлении (вперед), что и основная частота, тогда как гармоника обратной последовательности (вторая, пятая, восьмая и т. Д.) Вращается в противоположном направлении. (обратная) основной частоты.

Важно отметить, что большинство гармонических токов, обнаруживаемых в распределительной системе, являются гармониками нечетного порядка (третья, пятая, седьмая). Как правило, гармоники прямой последовательности нежелательны, поскольку они ответственны за перегрев проводников, линий электропередач и трансформаторов из-за сложения форм сигналов.

Таблица 2: Тип гармонической последовательности по-разному влияет на нагрузку или систему

Гармоники обратной последовательности, с другой стороны, циркулируют между фазами и создают дополнительные проблемы с двигателями.Противоположное вращение вектора ослабляет вращающееся магнитное поле, необходимое двигателям (особенно асинхронным двигателям), что приводит к уменьшению механического крутящего момента.

Тройная гармоника

Другой тип специальных гармоник, тройной, имеет нулевую последовательность вращения. Триплены кратны третьей гармонике (третьей, девятой, пятнадцатой и т. Д.), Отсюда и их название, и поэтому они смещены на ноль градусов. Гармоники нулевой последовательности циркулируют между фазой и нейтралью (или землей).

В отличие от гармонических токов прямой и обратной последовательности, которые компенсируют друг друга, гармоники третьего порядка или тройные гармоники не компенсируются. Вместо этого они арифметически складываются в общий нейтральный провод, на который действуют токи всех трех фаз. В результате амплитуда тока в нейтральном проводе может в три раза превышать амплитуду фазного тока на основной частоте. Это может привести к снижению его эффективности и перегреву.

Расчет гармоник

Эффективный способ расчета влияния гармоник на энергосистему — это вычисление общего гармонического искажения (THD) и общего искажения потребления (TDD).Хотя эти измерения часто являются стандартными функциями испытательного оборудования, важно понимать, как и почему они рассчитываются.

Суммарные гармонические искажения

THD — это отношение среднеквадратичных значений гармоник, выраженное в процентах от основной или общей гармоники. Он учитывает гармонические составляющие до 50-го порядка, но специально исключает интергармоники. При необходимости могут быть включены гармонические составляющие порядков больше 50. Чем выше процент, тем больше искажается форма сигнала.

Уравнение THD, как определено CSA, включает все гармоники в знаменателе.

Уравнение THD, как определено IEC, включает в знаменатель только основную гармонику.

Общее искажение спроса (TDD)

TDD — это отношение среднеквадратичных значений гармоник, выраженное в процентах от максимального тока потребления. Он учитывает гармонические составляющие до 50-го порядка, но специально исключает интергармоники.При необходимости могут быть включены гармонические составляющие порядка более 50. TDD — это скользящее среднее THD, основанное на номинальном значении тока системы. Разница между уравнением TDD и уравнением THD — это знаменатель, IL. IL равняется сумме всех токов, соответствующих максимальному спросу в течение каждого из двенадцати предыдущих месяцев, деленной на 12.

Измерение гармоник

Существует два метода измерения гармоник: дискретное преобразование Фурье и быстрое преобразование Фурье.

Дискретное преобразование Фурье (ДПФ)

ДПФ преобразует конечную последовательность равноотстоящих отсчетов функции в последовательность одинаковой длины отсчетов с одинаковым интервалом дискретного временного преобразования Фурье (ДВПФ), которая является комплексной функцией частоты. Поэтому говорят, что ДПФ является представлением исходной входной последовательности в частотной области.

Быстрое преобразование Фурье (БПФ)

БПФ — это вычислительный алгоритм, который сокращает время вычислений и сложность больших преобразований, и представляет собой просто алгоритм, используемый для быстрого вычисления ДПФ.

Рисунок 7: Фурье утверждает, что сложная форма волны может быть понята и математически определена как смесь основной частоты с другими синусоидальными волнами, кратными этой частоте

Применяя преобразование Фурье, мы можем разбить сложную форму волны на ее основные компоненты, которые оказываются синусоидальными волнами с различными частотами, амплитудами и фазами.

Разрешение и полоса пропускания

Разрешение по частоте — это расстояние в Гц между двумя соседними точками данных в ДПФ.Разрешение БПФ определяется как частота дискретизации, деленная на количество точек данных. Частота дискретизации определяет полосу пропускания БПФ, поэтому с увеличением частоты дискретизации увеличивается и ширина полосы. Чем выше скорость выборки, тем ниже разрешение БПФ.

Пример: 10 Мвыб. / С и 10 тыс. Точек = 10 000 000/10 000 = 1 000 Гц или 1 кГц. Увеличение глубины памяти приводит к замедлению вычислений.

Пример измерения гармоник

Используя предыдущий пример преобразователя постоянного / переменного тока солнечной энергии, на рис. 8 показано преобразование входного постоянного тока, которое в конечном итоге преобразуется в форму волны переменного тока с помощью ШИМ.Выпрямленные каскады создают гармоники, которые приводят к потерям. Эти гармонические искажения могут проявляться в сети и влиять на другие системы. Измерение THD на выходе фильтра становится важным измерением, позволяющим предотвратить усиление каких-либо проблем с качеством электроэнергии через каскад трансформатора.

Рисунок 8: Система преобразователя постоянного тока в переменный создает гармоники в системе преобразователя из-за нелинейных компонентов

Стандарты эффективности и качества электроэнергии Стандарты качества электроэнергии

содержат рекомендации по допустимым значениям искажений, принятой в отрасли терминологии, контрольным точкам измерения и пределам испытаний.Органы по стандартизации часто являются некоммерческими ассоциациями, состоящими из производителей, экспертов в области энергетики, защитников интересов потребителей и других заинтересованных сторон, которые стремятся привести различные отрасли в соответствие с нормами тестирования и производства. Существуют сотни стандартов, относящихся к отраслям и рынкам. Когда новый стандарт вводится в производство, регулирующие органы имеют право ограничить продажу или использование несовместимых продуктов. Соблюдая стандарты испытаний, как производители, так и потребители стремятся добиться экономии затрат, экономии энергии, энергетической безопасности, сокращения выбросов и технологических инноваций.

Ниже приведены несколько стандартов, которые определяют эффективность и качество электроэнергии, охватывающие бытовую технику, промышленность, HVAC и Mil / Aero отрасли.

IEEE 519 Стандарт IEEE 519 разработан Институтом инженеров по электротехнике и электронике, некоммерческой профессиональной ассоциацией, занимающейся продвижением технологических инноваций в области электроэнергетики. Специфический стандарт IEEE 519, который касается гармоник, обычно называется IEEE 519-2014 и подробно описывает рекомендуемые методы и требования, касающиеся управления гармониками в электроэнергетических системах.

IEC 61000-3-2 (EN 61000-3-2) Международный стандарт IEC 61000-3-2 направлен на установление пределов гармонических токов, потребляемых электрическими устройствами, и поддержание качества сетевого напряжения. Версия 3-2 предназначена для измерения гармоник оборудования с током 16 А или ниже.

IEC 61000-3-12 (EN 61000-3-12) Международный стандарт IEC 61000-3-12 направлен на установление пределов гармонических токов, потребляемых электрическими устройствами, и, таким образом, на поддержание качества сетевого напряжения.Версия 3-2 предназначена для измерения гармоник оборудования с током выше 16 А, но не выше 75 А.

IEC 61000-3-3 (EN 61000-3-3) Международный стандарт IEC 61000-3-3 устанавливает пределы изменений напряжения, колебаний напряжения и мерцания в общественных низковольтных системах электроснабжения для оборудования с номинальным током ≤ 16A. .

IEC 61000-3-11 (EN 61000-3-11) Международный стандарт IEC 61000-3-3 устанавливает пределы изменений напряжения, колебаний напряжения и мерцания в общественных низковольтных системах электроснабжения для оборудования с номинальным током> 16A. и ≤ 75А.

IEC 61000-4-7 (EN 61000-4-7) Международный стандарт IEC 61000-4-7 применяется к приборам, предназначенным для измерения спектральных составляющих в диапазоне частот до 9 кГц, которые накладываются на основную часть мощности. системы питания на 50 и 60 Гц.

IEC 62301 Процедура тестирования 62301 Международной электротехнической комиссии (IEC) описывает метод измерения потребления энергии в режиме ожидания в бытовых приборах, также называемый мощностью вампира. Это более широко известно как «Energy Star».«Этикетка подразумевает энергоэффективность выше среднего и обычно используется для бытовых товаров.

MIL-STD-704 MIL-STD-704 определяет стандартизированный интерфейс питания между военным самолетом и его оборудованием и вагонами, охватывающий такие темы, как напряжение, частота, фаза, коэффициент мощности, пульсации, максимальный ток, электрический шум. , а также ненормальные условия (повышенное и пониженное напряжение) для систем переменного и постоянного тока.

DO-160 DO-160 — это стандарт экологических испытаний авионики, опубликованный Американской радиотехнической комиссией по аэронавтике (RTCA).Специфический тест, касающийся качества электроэнергии, — это радиочастотное излучение и восприимчивость, определенные в разделах 20 и 21 стандартов.

MIL-STD-1399 MIL-STD-1399, раздел 300, устанавливает стандарты использования питания переменного тока на военных кораблях.

Стандарт ANSI / AHRI 210 / 240-2008 ANSI / AHRI определяет региональный стандарт сезонного коэффициента энергоэффективности (SEER). SEER фокусируется на рынке HVACR и определяет отношение общего охлаждения в течение нормальных периодов работы к общему количеству потребляемой электроэнергии за тот же период.Кроме того, он определяет коэффициент эффективности нагрева (HSPF) для измерения эффективности теплового насоса в режиме нагрева, в отличие от SEER, который измеряет эффективность теплового насоса в режиме охлаждения.

Собираем все вместе

Хотя количество стандартов питания исчисляется многими сотнями, стандарты, перечисленные в таблице 3, представляют собой более распространенные требования в современной промышленности. Каждый стандарт существует для отрасли, и пределы испытаний и требования различаются для каждого. В таблице ниже показано, как энергоэффективность и качество электроэнергии связаны с соблюдением требований.

Таблица 3: Отраслевые стандарты требуют особых измерений

Заключение

Гармоники более распространены в современных электрических системах из-за все более широкого использования нелинейных устройств для управления мощностью. Из-за пагубного воздействия на двигатели, трансформаторы, коммутационные устройства, предохранители и другие устройства становится все более важным точно измерить и количественно определить порядок гармоник, чтобы не только определить соответствие системам и стандартам, но и помочь в смягчении последствий, чтобы уменьшить вредное воздействие.

Осциллографы и анализаторы мощности

способны измерять гармоники, однако выбор правильного прибора зависит от области применения, стандарта и других важных деталей.

Каков КПД электродвигателя? Давайте посмотрим

Каков КПД электродвигателя?

Понятие КПД, когда речь идет о двигателе, относится к соотношению между полезной энергией и общей потребляемой энергией и может быть выражено в процентах.Для электромобиля энергоэффективность оценивается в 90%, что означает, что 10% электроэнергии, потребляемой электродвигателем, не использовалось для приведения в движение транспортного средства — не очень большое количество. В дополнение к такому высокому уровню эффективности следует отметить, что электрические и гибридные автомобили Renault также выигрывают от рекуперативного торможения, которое заряжает аккумулятор во время определенных фаз движения, повышая их эффективность еще ближе к 100%.

Используя процент эффективности, мы можем более точно измерить запас хода электромобиля и его потребление электроэнергии.Чем выше КПД, тем меньше «впрыскиваемых» киловатт энергии требуется для заряда, чтобы покрыть желаемое количество километров.

Как рассчитать КПД электродвигателя

Математически КПД электродвигателя вычисляется путем деления количества полезной энергии на количество энергии, потребляемой изначально.

На практике производители автомобилей и фирмы, специализирующиеся на механических характеристиках, оценивают эффективность транспортных средств (электрических и гибридных), принимая во внимание несколько факторов, чтобы получить как можно более точные цифры.Процесс измерения сначала требует тестирования условий зарядки и эффективности батареи, чтобы определить, сколько энергии вводится. Электромобиль, оцениваемый по его средней скорости и рекуперации энергии , затем движется в повседневных ситуациях и по стандартным маршрутам, чтобы рассчитать количество километров, пройденных без подзарядки.

Соотношение двух полученных значений показывает, почему в автомобильной промышленности специалисты считают, что КПД электродвигателя в три-четыре раза выше, чем у бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания равной мощности.

В чем разница между синхронными и асинхронными двигателями?

Для приведения в движение электрического или гибридного (в электрическом режиме) транспортного средства и для подачи электроэнергии на двигатель ток, подаваемый аккумулятором, преобразуется в электромагнитное поле, которое вращает ротор, создавая тягу.

Принцип работы электродвигателя различается в зависимости от типа технологии, используемой для создания этого электромагнитного поля, поэтому мы говорим о «синхронном» и «асинхронном» для описания наиболее часто используемых типов двигателей в отрасли.

Синхронный электродвигатель работает со статической частью, статором, и вращающейся частью, ротором. Электричество от батареи проходит через статор, где преобразуется в электромагнитное поле. Ротор, содержащий медную катушку или постоянный магнит, следует за этим магнитным полем и начинает вращаться сам по себе со скоростью, пропорциональной частоте электрического тока. Эта технология наиболее распространена в автомобильной промышленности.

В асинхронном двигателе ротор и статор не работают пропорционально.Статор «втягивает» ротор во вращение, но с небольшим отставанием: скорость вращающегося магнитного поля всегда больше, чем у ротора.

Синхронные электродвигатели: разные технологии

В синхронных электродвигателях, используемых, в частности, в автомобильной промышленности, могут использоваться две разные технологии: магнитные роторы и роторы с обмоткой.

Первый включает так называемые «постоянные» магниты около ротора. Катушки внутри статора активируют его чувствительность к магнитной силе, вызывая вращение и, следовательно, тягу автомобиля.Эта технология имеет преимущество определенного уровня удельной мощности и отличной энергоэффективности на низких скоростях. Вот почему он используется в легких городских транспортных средствах, таких как Dacia Spring, или в качестве электродвигателя в гибридных двигателях Renault E-Tech и E-Tech Plug-in.

В автомобиле с намотанным ротором медная катушка заменяет постоянный магнит. Это оборудование также обеспечивает очень высокую энергоэффективность до высоких скоростей более 100 км / час, предлагая увеличение автономии на несколько десятков километров.Эта технология используется в двигателях Renault ZOE и Twingo Electric.

КПД асинхронного электродвигателя

Из-за физических свойств асинхронного электродвигателя он имеет немного меньшую энергоэффективность, чем его синхронный аналог. «Скольжение» описывает разницу в скорости между ротором и статором, объясняя разницу между двумя двигателями. Таким образом, «асинхронные» двигатели обеспечивают энергоэффективность 75-80% по сравнению с 90% для «синхронного» двигателя.

Повышение энергоэффективности двигателей

Производители и промышленные группы работают с разных сторон, чтобы повысить эффективность двигателей для электромобилей. Размеры деталей, использование качественных материалов и дальнейшее увеличение воздушного потока помогают снизить потери энергии, вызванные трением между деталями и преобразованием некоторой энергии в тепло.

За рулем применение режима экологичного вождения для использования преимуществ рекуперации энергии помогает снизить ненужное потребление киловатт, приближая двигатель к максимальному уровню энергоэффективности.

Максимальный КПД

Максимальный КПД, указанный для электрического или гибридного двигателя, относится к идеальному сценарию использования энергии от батарей для достижения оптимальной скорости двигателя. Фактический КПД двигателя всегда ниже этого значения и зависит от условий (погоды, трафика, стиля вождения), в которых работает автомобиль.

КПД гибридного двигателя

В гибридном двигателе наличие электрифицированной секции имеет тенденцию к увеличению максимальной эффективности автомобиля, независимо от того, является ли он подключаемым гибридом или нет.Частично это связано с возможностью перезарядки батарей во время замедления, что позволяет немедленно восстанавливать «полезную» энергию.

КПД водородного двигателя

Автомобиль, работающий на водороде, приводится в движение синхронным электродвигателем с энергоэффективностью, сравнимой с КПД традиционных аккумуляторных батарей электромобилей. Производство водорода топливным элементом обычно снижает эффективность транспортного средства на небольшую величину, при этом часть энергии преобразуется в водяной пар.

Знание КПД электродвигателя позволяет понять данные о расходе энергии и пробеге автомобиля.

Авторские права: MARTIN-GAMBIER Olivier, Pagecran

Читайте также

Электромобиль

Различные способы хранения энергии

10 июня 2021

Посмотреть больше

Электромобиль

Все, что нужно знать о подключаемом к сети гибридном автомобиле

10 июня 2021

Посмотреть больше

Электромобиль

Все, что нужно знать о зарядке гибридного автомобиля

09 июня 2021

Посмотреть больше .

No related posts.