Как составить баланс мощностей

Баланс мощностей в электрической цепи

Согласно закону Джоуля—Ленца работа, совершаемая постоянным током в сопротивлении,

Если в рассматриваемой ветви вместо резистора включен какой-либо другой преобразователь электромагнитной энергии в механическую или химическую, или другую форму энергии (электрический двигатель, заряжающийся аккумулятор и т.п.), работу, проделанную током за время t, можно подсчитать в том случае, если известно напряжение на преобразователе.

В этом случае формула Джоуля—Ленца приобретает другой вид:

При постоянном токе мощность, поступающая в участок цепи с сопротивлением r, определяется выражением:

где I, U и r сохраняют тот же смысл, что и в формуле Джоуля—Ленца.

Мощность, расходуемая во всей внешней цепи, и мощность, отдаваемая генератором, одна и та же величина. Мощность, развиваемая генератором, всегда больше той, которую генератор отдает во внешнюю цепь, так как часть мощности расходуется на покрытие потерь внутри самого генератора.

Выражение баланса мощностей для одиночного замкнутого контура, содержащего генератор с э.д.с. Е и внутренним сопротивлением ri и резистор с сопротивлением r, можно получить из уравнения Кирхгофа.

Для этого контура

Если обе части этого равенства умножить на ток в цепи, то полученное уравнение и будет представлять собой баланс мощностей в данном контуре

Мощность, развиваемая генератором, равна сумме мощностей теряемой внутри генератора и отдаваемой во внешнюю цепь. Р0 = EI — мощность, развиваемая генератором, Pe = UI=I2r — мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, и Pi — I2ri — мощность, теряемая внутри самого генератора.

При выборе одинаковых положительных направлений тока через двухполюсник I и напряжения на двухполюснике U мощность, потребляемая двухполюсником, т. е. Произведение UI, должно быть положительно. Если же при этом окажется, что произведение UI отрицательно, это будет означать, что двухполюсник не потребляет электромагнитную энергию, а наоборот является генератором электромагнитной энергии и отдает эту энергию в электрическую цепь.

Если в электрической цепи ряд двухполюсников отдает электромагнитную энергию в цепь, то остальные эту энергию поглощают. В цепи при постоянном токе не может происходить накопления электромагнитной энергии. Поэтому сумма мощностей, расходуемых в пассивных двухполюсниках и мощностей, теряемых внутри генераторов, должна быть равна алгебраической сумме мощностей, развиваемых всеми генераторами, т. е. сумме произведений ЕкIк всех генераторов, действующих в цепи:

где n — число ветвей в цепи.

Уравнение баланса, полученное для простой цепи, содержащей один генератор, можно переписать, выразив мощность, расходуемую во внешней цепи, через мощность, развиваемую генератором, и мощность, теряемую внутри генератора:

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Мощность в цепи постоянного тока

Здравствуйте! Эту статью можно считать началом знакомства с электричеством. Напряжение, ток, сопротивление – это три главные величины, на которых построены основные законы электротехники и эти величины связаны между собой еще одной – мощностью. А чтобы было проще знакомиться с электротехникой, мы будем рассматривать мощность в цепи постоянного тока. Дело в том, что при расчетах в цепях переменного тока появляется довольно много условий. Впрочем, обо всём по порядку и вы сейчас сами с этим разберётесь.

Для удобства я сразу напишу международные обозначения этих четырёх величин:

U – напряжение (В, вольт)

R – сопротивление (Ом, ом)

P – мощность (Вт, ватт – не надо путать с вольтом, который обозначается только одной буквой В)

Для начала абстрактный пример, чтобы проще было понимать термины, которые я сейчас буду использовать. Допустим, есть магазин товаров (условно это можно представить, как напряжение), есть деньги (условно это будет ток), есть совесть, которая не позволяет вам тратить много или наоборот, шепчет, чтобы вы крупно потратились (это можно считать сопротивлением) и есть купленные товары или продукты, которые вы несёте домой (это мощность). Собственно, на этом примере можно объяснить многие законы, связанные с электрическим током. Все обозначенные величины связаны между собой законом Ома, который гласит, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению цепи, а именно:

В абстрактном примере – чем больше магазин (напряжение) и чем меньше вам шепчет совесть (сопротивление), тем больше вы тратите денег (сила тока), а когда вы несёте купленный товар домой, вы совершаете работу (мощность). Мощность в цепи постоянного тока это и есть работа, совершаемая электричеством. Мощность это произведение тока на напряжение, а если вместо тока или напряжения подставить соответствующие значения, то можно получить мнемоническую табличку:

Как видите, мощность в цепи постоянного тока это довольно простое понятие, если немного вдуматься в материал. По сути, это всего две формулы с заменой значений. Как это выглядит:

Если теперь в формуле мощности подставить место значения тока формулу тока, то получим следующее:

Именно таким образом и получилось 12 формул на основе закона Ома, которые вы видите в мнемонической табличке. Что такое мощность в цепях постоянного тока мы более или менее разобрались, но есть ещё один момент.

Баланс мощностей в цепи постоянного тока.

Собственно, это просто проверка правильности расчетов электрической цепи. Возвращаясь к нашему абстрактному примеру это выглядит так: вы купили товары, забрали их на кассе, отошли от кассы и вам показалось, что ваши пакеты должны быть больше или меньше, чем получились. Тогда вы берёте чек и начинаете сравнивать товар в чеке и товар в наличии. Если товары в чеке и товары в руках совпали, значит всё в порядке. Если мы обратимся к определению, то баланс мощностей – сумма мощностей потребляемых приемниками, равна сумме мощностей отдаваемых источниками.

Как это использовать на практике? Допустим, у нас есть задача, которую нужно решить:

Поскольку решение задачи не является целью этой статьи, я дам уже готовые ответы.

Теперь надо проверить правильно ли были посчитаны токи в задаче. Ток в цепи равен току , следовательно, мощность источника питания (Е1хI1) должна быть равна сумме мощностей сопротивлений

Что мы и получаем с учетом потерь при округлениях.

Таким образом, баланс мощностей в электрической цепи постоянного тока — это ничто иное, как проверка самого себя, своих расчётов.

Как видите, мощность в цепи постоянного тока посчитать довольно легко. Гораздо больше сложностей возникнет, если ток будет переменный. Другими словами, на примере магазина это выглядит так:

Постоянный ток – от входа до выхода прямая линия и вы спокойно идете от начала и до конца без каких-либо приключений.

Переменный ток – магазин представляет из себя зигзаг и вам приходится делать лишние движения.

Поэтому в переменном токе мощность считать немного сложнее, но это уже тема совсем другой статьи.

Баланс мощностей

Из закона сохранения энергии следует, что в любой цепи соблюдается баланс как мгновенных, так и активных мощностей. Сумма всех отдаваемых (мгновенных и активных) мощностей равна сумме всех получаемых (соответственно мгновенных или активных) мощностей. Покажем, что соблюдается баланс и для комплексных, и, следовательно, для реактивных мощностей.

Пусть общее число узлов схемы равно n. Здесь будем под узлом понимать и место соединения любых двух элементов схемы (источников и приемников), а под ветвью — каждый участок схемы, содержащий один из ее элементов.

Напишем для каждого из и узлов уравнения по первому закону Кирхгофа для комплексов, сопряженных с комплексными токами:

Эти уравнения записаны в общей форме в предположении, что каждый узел связан со всеми остальными n-1 узлами. При отсутствии тех или иных ветвей соответствующие слагаемые в уравнениях выпадают. При наличии между какой-либо парой узлов нескольких ветвей число слагаемых соответственно увеличивается. Так, например, если между узлами 1 и 2 включены две ветви, то вместо в уравнения войдут суммы .

Читайте также  Как создать свой регион в minecraft

Умножим каждое из уравнений на комплексный потенциал узла, для которого составлено уравнение, и затем все уравнения просуммируем. Учтем, что комплексы, сопряженные с комплексными токами, входят в эти уравнения дважды (для двух различных направлений), причем и т. д. В результате получим

т. е. сумма комплексных получаемых мощностей во всех ветвях цепи равна нулю. Здесь все слагаемые представляют комплексные получаемые мощности, потому что они вычисляются для одинаковых положительных направлений напряжений (разностей потенциалов) и токов.

Полученное равенство выражает баланс комплексных мощностей. Из него следует равенство нулю в отдельности суммы получаемых активных мощностей и суммы получаемых реактивных мощностей. Так как отрицательные получаемые мощности представляют собой мощности отдаваемые, то можно утверждать, что суммы всех отдаваемых и всех получаемых реактивных мощностей равны друг другу.

Аналогичную формулировку можно придать и балансу комплексных мощностей. Перенеся часть слагаемых в правую часть уравнения с противоположным знаком, т. е. рассматривая их как мощности отдаваемые, убедимся в равенстве сумм комплексных получаемых .и отдаваемых мощностей:

При равенстве сумм комплексных величин суммы их модулей в общем случае не равны друг другу. Отсюда следует, что для полных мощностей S баланс не соблюдается.

Получаемая пассивным двухполюсником реактивная мощность должна равняться сумме реактивных мощностей, получаемых индуктивными и емкостными элементами, которые составляют его схему:

Пользуясь соотношениями ( 3.47) и ( 3.48), получаем

Часто вместо (3.48) принимают для реактивной мощности емкостного элемента

но формула (3.49) не изменяется.

Заметим, что положения этого параграфа могут быть распространены и на цепи, между элементами которых имеются взаимные индуктивности, так как подобные цепи, как будет показано, можно свести путем преобразования к схемам, не содержащим взаимных индуктивностей.

Уравнение баланса мощностей для мгновенных значений

Баланс мощностей в электрической цепи

В программу расчёта электрических цепей добавлен функционал проверки баланса мощностей.

Из закона сохранения энергии следует, что в любой цепи соблюдается баланс мощностей. Сумма всех отдаваемых мощностей равна сумме всех потребляемых мощностей [1]:

где $ underline_textrm <ист>$ – комплексная мощность, отдаваемая источниками тока и напряжения электрической цепи; $ underline_textrm <пр>$ – комплексная мощность, потребляемая пассивными элементами электрической (резисторами, катушками индуктивности, конденсаторами).

Комплексная мощность, отдаваемая источником ЭДС, определяется по формуле:

$$ tag <1>underline_textrm = underline ⋅ underline’, $$

где $ underline $ – значение ЭДС; $ underline’ $ – комплексно-сопряжённый ток, протекающий через источник ЭДС; знак ‘ обозначает сопряжённый комплекс.

Формула (1) справедлива для того случая, когда направление источника ЭДС совпадает с направлением протекающего через него тока (рис. 1). Если направление источника ЭДС не совпадает с направлением протекающего через него тока, то мощность, отдаваемая этим источником ЭДС, берётся c противоположным знаком.

Рис. 1. Положительные направления тока и источника ЭДС

Комплексная мощность, отдаваемая источником тока, определяется по формуле:

$$ tag <2>underline_textrm = underline_textrm ⋅ underline’, $$

где $ underline_textrm $ – напряжение на источнике тока; $ underline’ $ – комплексно-сопряжённый ток источника тока. Формула (2) справедлива для случая, когда принятое направления тока совпадает с направлением источника тока, а направление напряжения соответствует рис. 2.

Рис. 2. Положительные направления тока и напряжения на источнике тока

Комплексная мощность, потребляемая электрической цепью, складывается из мощностей, потребляемых резисторами, катушками индуктивности и конденсаторами.

Комплексная мощность, потребляемая резистором, определяется по формуле

$$ tag <3>underline_textrm = R ⋅ I^<2>, $$

где $ R $ – сопротивление резистора; $ I $ – абсолютное значение тока, протекающего через резистор (берётся модуль комплексного числа).

Комплексная мощность, потребляемая катушкой индуктивности, определяется по формуле

$$ tag <4>underline_textrm = jX_ ⋅ I^<2>, $$

где $ X_ $ – сопротивление катушки индуктивности; $ I $ – абсолютное значение тока, протекающего через катушку индуктивности (берётся модуль комплексного числа).

Комплексная мощность, потребляемая конденсатором, определяется по формуле

где $ X_ $ – сопротивление конденсатора; $ I $ – абсолютное значение тока, протекающего через конденсатор (берётся модуль комплексного числа).

Формулы (3)-(5) показывают, что мощность, потребляемая резисторами, является чисто активной, а мощность, потребляемая катушками индуктивности и конденсаторами, является чисто реактивной.

Список использованной литературы

  1. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. Учебник для вузов, 1975.

Рекомендуемые записи

  • Законы Кирхгофа для расчёта электрических цепей При расчёте электрических цепей, в том числе для целей моделирования, широко применяются законы Кирхгофа, позволяющие…
  • Расчёт электрических цепей онлайн На сайте появилась программа для расчёта установившихся режимов электрических цепей по законам ТОЭ. На настоящий…
  • Суть метода эквивалентного генератора Метод эквивалентного генератора (МЭГ) применяется, когда есть некая нагрузка, подключённая к сложной активной цепи. При…

Энергетические соотношения в электродинамике

Существует несколько типов соотношения энергии в электродинамике:

  • сторонние токи и заряды;
  • скорость распространения электромагнитной энергии;
  • уравнение баланса мгновенных значений мощности.

Рассматривая уравнения Максвелла, введенные еще два столетия назад к новым электродинамическим явлениям, подразумевалась плотность тока проводимости, который возникал в проводящей среде. Вектор рождался под активным действием электромагнитного поля. В дифференциальной форме подобный вектор полностью соответствовал закону Ома. Однако для обозначения реальной электродинамической задачи начали вводить первопричинные токи.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Энергия в электродинамике 490 руб.
  • Реферат Энергия в электродинамике 220 руб.
  • Контрольная работа Энергия в электродинамике 250 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
Их еще называют заданными, и они характеризуют возникновение электромагнитного поля в целом. Также их называют сторонними, и для учета таких токов вводится первое уравнение Максвелла. В нем плотность сторонних токов взаимодействует с плотностью тока проводимости, который был вызван электромагнитным полем. Такое же понятие можно применить к сторонним зарядам — его решение находится в третьем уравнении Максвелла. В этом случае второе и четвертое уравнение Максвелла остается без изменений, когда переменные поля функции связаны с уравнением непрерывности.

При совершении анализа ряда задач исследователи используют стороннюю напряженность электрического поля вместо сторонних токов. В ходе изучения опытным путем электродинамических явлений задается напряженность электрического поля, которое создается токами и зарядами. Но все они расположены вне зоны области рассмотрения.

Уравнение баланса мгновенных значений мощности

В физике электромагнитное поле представляется в форме вида материи. Она способна обладать энергией, так как все формы материи распространяются и видоизменяются в пространстве. Этот процесс закономерен и через него возникают новые формы энергии.

Требуется консультация по учебной работе? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Ученые попытались сформировать уравнение баланса, где мгновенные значения применимы к другому объему, который ограничен определенной поверхностью. Известно, что мощность, которая выделяется сторонними источниками, расходуется и теряется. Под влиянием внутреннего электромагнитного поля изменяется энергия. Она также может рассеиваться на некоторые части и уходить через рассматриваемую поверхность в окружающее пространство.

Подобный метод вычисления дает представление обо всех происходящих энергетических соотношениях на качественном уровне. Для подсчета количественного соотношения применяют первое уравнение Максвелла с учетом сторонних токов.

Для подобного просчета пользуются представлениями о магнитном и электрическом полях. Их выражают в качестве постоянной величины, которая лежит вне зависимости от времени. Подобное выражение определяет энергию магнитного и электрического полей в определенном объеме. Известно, что при подобных представлениях выражения могут определять только мгновенные значения энергии магнитного и электрического поля, но их сумма по формуле будет равна мгновенному значению энергии электромагнитного поля в объеме V вне зависимости от времени.

Физическая сущность поверхностного интеграла в уравнении определяется при введении постоянной величины электромагнитной энергии. Для этого необходимо сделать предположение, что в объеме V отсутствуют потери энергии. Однако при расчетах становится понятно, что мощность сторонних источников в частном случае будет уходить в окружающее пространство.

При определении мгновенных значений мощности используют:

  • вектор П;
  • подынтегральные выражения;
  • принцип суперпозиции.
Читайте также  Как устанавливать моды в stalker

Вектор П. выражается в форме плотности потока энергии, то есть предела отношения потока энергии через поверхность, расположенную перпендикулярно распространению энергии. Подобная энергия поступает не только от сторонних источников в объем V. Поток энергии направляется сквозь определенную поверхность из окружающего пространства в объем V.

Также сторонние источники отдают собственную энергию, что получают от электромагнитного поля. В этом случае мощность сторонних источников становится отрицательной. Доказано, что электромагнитное поле способно отдавать энергию току проводимости. В этом случае образование тока идет под ускорением движения заряженных частиц. Вектор напряженности имеет в определенных значениях составляющую, которая направлена вдоль линий тока. Общая сумма значений векторов должна быть больше нуля.

При определении энергии электромагнитного поля рассматриваются подынтегральные выражения. Их изучают в качестве мгновенных значений объемных плотностей энергии магнитного и электрического полей. Сумма значений выглядит в виде объемной плотности полной энергии электромагнитного поля.

Векторы напряженности магнитного и электрического полей полностью соответствуют принципу суперпозиции, однако он не распространяется на энергию.

Скорость распространения электромагнитной энергии

Распространение энергии в пространстве электромагнитного поля возможно при соблюдении условий теоремы Пойнтинга. Согласно ее положениям вычисляется скорость, с которой происходит это распространение в пространстве.

Установлено, что энергия электромагнитного поля, которая прошла через поперечное сечение трубки, распределяется с определенной плотностью в указанном объеме. Он должен быть ограничен поперечными сечениями и боковой поверхностью этой трубки. При проведении расчетов применяется энергетическая трубка. Она состоит из боковой поверхности с перпендикулярной к ней составляющей. Ее называют вектором Пойнтинга, и она должна всегда приравниваться нулю.

Появились вопросы по этой теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Оценка погрешности расчета

В соответствии с заданием погрешность расчета будет оцениваться методом баланса мощностей. В соответствии с этим методом погрешность расчета определяется по формуле:

где Р ист – мощность, выделяемая источником,

Р н – суммарная мощность, потребляемая всеми диссипативными элементами.

Эти мощности определяются по формулам:

— фаза входного тока .

Подставляем численные значения в эти формулы, находим значения мощностей:

Подставляем найденные значения мощностей в формулу для определения погрешности:

Полученная погрешность удовлетворяет требованию задания.

1.2.2 Расчёт электрической цепи с помощью законов Кирхгофа.

Прежде чем приступить к расчёту названным методом, рассмотрим основные положения этого метода и последовательность расчёта этим методом в соответствии с .

При расчете этим методом первоначально определяются токи в ветвях, а затем напряжения на всех элементах. Токи находятся из уравнений, полученных с помощью законов Кирхгофа. Так как в каждой ветви цепи протекает свой ток, то число исходных уравнений должно равняться числу ветвей цепи. Число ветвей принято обозначать через n. Часть этих уравнений записываются по первому закону Кирхгофа, а часть — по второму закону Кирхгофа. Все полученные уравнения должны быть независимыми. Это значит, чтобы не было таких уравнений, которые могут быть получены путем перестановок членов в уже имеющемся уравнении или путем арифметических действий между исходными уравнениями. При составлении уравнений используются понятия независимых и зависимых узлов и контуров.

Независимым узлом называется узел, в который входит хотя бы одна ветвь, не входящая в другие узлы. Если число узлов обозначим через К, то число независимых узлов равно (К-1).

Независимым контуром называется контур, который отличается от других контуров хотя бы одной ветвью, не входящей в другие контура. В противном случае такой контур называется зависимым.

Если число ветвей цепи равно n, то число независимых контуров равно

1. Расставляем условно – положительные направления токов и напряжений.

Как определить баланс мощности при расчете электрических цепей 1

Баланс мощностей

При решений электротехнических задач, часто нужно проверить правильность найденных значений. Для этого в науке ТОЭ, существует так называемый баланс мощностей.
Баланс мощностей – это выражение закона сохранения энергии, в электрической цепи. Определение баланса мощностей звучит так: сумма мощностей потребляемых приемниками, равна сумме мощностей отдаваемых источниками. То есть если источник ЭДС в цепи отдает 100 Вт, то приемники в этой цепи потребляют ровно такую же мощность.

Проверим это соотношение на простом примере.

Для начала свернем схему и найдем эквивалентное сопротивление. R2 и R3 соединены параллельно.

Найдем по закону Ома ток источника и напряжение на R23, учитывая, что r1 и R23 соединены последовательно, следовательно, сила тока одинаковая.

Теперь проверим правильность с помощью баланса мощностей.

Небольшое различие в значениях связано с округлениями в ходе расчета.

С помощью баланса мощностей, можно проверить не только простую цепь, но и сложную. Давайте проверим сложную цепь из статьи метод контурных токов.

Как видите независимо от сложности цепи, баланс сошелся, и должен сойтись в любой цепи!

Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа

До изучения технологий вычислений необходимо уточнить особенности типовых элементов при подключении к разным источникам питания. При постоянном токе сопротивлением индуктивности можно пренебречь. Конденсатор эквивалентен разрыву цепи. Также следует учитывать следующие различия разных видов соединений резисторов:

  • последовательное – увеличивает общее сопротивление;
  • параллельное – распределяет токи по нескольким ветвям, что улучшает проводимость.

Закон Ома для участка цепи

Типовая аккумуляторная батарея легкового автомобиля вырабатывает напряжение U = 12 V. Бортовой или внешний амперметр покажет соответствующее значение при измерении. Соединение клемм проводом недопустимо, так как это провоцирует короткое замыкание. Если жила тонкая (

К сведению. Результат показанного расчета пригодится для поиска подходящего резистора. Следует делать запас в сторону увеличения. По стандарту серийных изделий подойдет элемент с паспортной номинальной мощностью 5 Вт.

Мощность в цепи постоянного тока

Здравствуйте! Эту статью можно считать началом знакомства с электричеством. Напряжение, ток, сопротивление – это три главные величины, на которых построены основные законы электротехники и эти величины связаны между собой еще одной – мощностью. А чтобы было проще знакомиться с электротехникой, мы будем рассматривать мощность в цепи постоянного тока. Дело в том, что при расчетах в цепях переменного тока появляется довольно много условий. Впрочем, обо всём по порядку и вы сейчас сами с этим разберётесь.

Для удобства я сразу напишу международные обозначения этих четырёх величин:

U – напряжение (В, вольт)

R – сопротивление (Ом, ом)

P – мощность (Вт, ватт – не надо путать с вольтом, который обозначается только одной буквой В)

Для начала абстрактный пример, чтобы проще было понимать термины, которые я сейчас буду использовать. Допустим, есть магазин товаров (условно это можно представить, как напряжение), есть деньги (условно это будет ток), есть совесть, которая не позволяет вам тратить много или наоборот, шепчет, чтобы вы крупно потратились (это можно считать сопротивлением) и есть купленные товары или продукты, которые вы несёте домой (это мощность). Собственно, на этом примере можно объяснить многие законы, связанные с электрическим током. Все обозначенные величины связаны между собой законом Ома, который гласит, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению цепи, а именно:

В абстрактном примере – чем больше магазин (напряжение) и чем меньше вам шепчет совесть (сопротивление), тем больше вы тратите денег (сила тока), а когда вы несёте купленный товар домой, вы совершаете работу (мощность). Мощность в цепи постоянного тока это и есть работа, совершаемая электричеством. Мощность это произведение тока на напряжение, а если вместо тока или напряжения подставить соответствующие значения, то можно получить мнемоническую табличку:

Как видите, мощность в цепи постоянного тока это довольно простое понятие, если немного вдуматься в материал. По сути, это всего две формулы с заменой значений. Как это выглядит:

Если теперь в формуле мощности подставить место значения тока формулу тока, то получим следующее:

Читайте также  Как удалить чернила от шариковой ручки

Именно таким образом и получилось 12 формул на основе закона Ома, которые вы видите в мнемонической табличке. Что такое мощность в цепях постоянного тока мы более или менее разобрались, но есть ещё один момент.

Оценка погрешности расчета

В соответствии с заданием погрешность расчета будет оцениваться методом баланса мощностей. В соответствии с этим методом погрешность расчета определяется по формуле:

ист – мощность, выделяемая источником,

н – суммарная мощность, потребляемая всеми диссипативными элементами.

Эти мощности определяются по формулам:

где — фаза входного тока .

Подставляем численные значения в эти формулы, находим значения мощностей:

Подставляем найденные значения мощностей в формулу для определения погрешности:

Полученная погрешность удовлетворяет требованию задания.

1.2.2 Расчёт электрической цепи с помощью законов Кирхгофа.

Прежде чем приступить к расчёту названным методом, рассмотрим основные положения этого метода и последовательность расчёта этим методом в соответствии с .

При расчете этим методом первоначально определяются токи в ветвях, а затем напряжения на всех элементах. Токи находятся из уравнений, полученных с помощью законов Кирхгофа. Так как в каждой ветви цепи протекает свой ток, то число исходных уравнений должно равняться числу ветвей цепи. Число ветвей принято обозначать через n. Часть этих уравнений записываются по первому закону Кирхгофа, а часть — по второму закону Кирхгофа. Все полученные уравнения должны быть независимыми. Это значит, чтобы не было таких уравнений, которые могут быть получены путем перестановок членов в уже имеющемся уравнении или путем арифметических действий между исходными уравнениями. При составлении уравнений используются понятия независимых и зависимых узлов и контуров.

Независимым узлом

называется узел, в который входит хотя бы одна ветвь, не входящая в другие узлы. Если число узлов обозначим через К, то число независимых узлов равно (К-1).

Независимым контуром

называется контур, который отличается от других контуров хотя бы одной ветвью, не входящей в другие контура. В противном случае такой контур называется
зависимым
.

Если число ветвей цепи равно n, то число независимых контуров равно

Последовательность расчёта:

1. Расставляем условно – положительные направления токов и напряжений.

2. Определяем число неизвестных токов, которое равно числу ветвей (n

3. Определяем число независимых узлов и контуров и выбираем их на схеме.

4. С помощью первого закона Кирхгофа составляем (К

–1) уравнений для независимых узлов.

5. С помощью второго закона Кирхгофа составляем [n

– (
К
–1)] уравнений для независимых контуров. При этом напряжения на элементах выражаются через токи, протекающие через них.

6. Решаем составленную систему уравнений и определяем токи в ветвях. При получении отрицательных значений для некоторых токов, необходимо их направления в схеме изменить на противоположные, которые и являются истинными.

7. Определяем падения напряжений на всех элементах схемы.

Для расчёта берём цепь с найденной согласованной нагрузкой и представляем её в комплексной форме (рис. 10).

На схеме имеют место две ветви, содержащие и , которые включены параллельно и, как бывает у параллельно соединённых ветвей, у них должны быть общие узлы с обеих сторон соединения. Однако, на схеме каждая ветвь имеет свой узел, между которыми находится перемычка. Такие узлы принято называть распределёнными и на схеме они воспринимаются как один узел. В схеме в этих случаях токи в перемычках не представляют интереса и их не определяют. Исходя из сказанного, в схеме имеется четыре ветви, а значит в схеме четыре неизвестных тока.

С учётом сказанного, в схеме только два узла, а в качестве независимого узла выберем верхний распределённый узел и для него, в дальнейшем будет записано уравнение по первому закону Кирхгофа.

В схеме три независимых контура. Выбираем контура, содержащие такие элементы:

Для каждого контура составляются уравнения по второму закону Кирхгофа. Все составленные уравнения образуют следующую систему уравнений (10):

Расчёт системы можно проводить методом Крамара или методом последовательного исключения. Воспользуемся методом последовательного исключения. Подставим первое уравнение системы во второе уравнение. После эквивалентного преобразования система принимает вид (11):

Из третьего уравнения системы (11) находим ток :

Подставляем найденный ток (12) в первое уравнение системы (11) и после эквивалентного преобразования система принимает вид (13):

Из второго уравнения системы (13) находим ток :

Подставляем найденный ток (14) в первое уравнение системы (13) и после эквивалентных преобразований, получаем:

Решаем полеченное уравнение относительно тока :

В полученное выражение подставляем численные значения:

Осуществляя необходимые преобразования, получаем решение для в показательной и алгебраической форме:

Ток находим по формуле (9), подставляя в неё численные значения:

Баланс мощностей в цепи постоянного тока.

Собственно, это просто проверка правильности расчетов электрической цепи. Возвращаясь к нашему абстрактному примеру это выглядит так: вы купили товары, забрали их на кассе, отошли от кассы и вам показалось, что ваши пакеты должны быть больше или меньше, чем получились. Тогда вы берёте чек и начинаете сравнивать товар в чеке и товар в наличии. Если товары в чеке и товары в руках совпали, значит всё в порядке. Если мы обратимся к определению, то баланс мощностей – сумма мощностей потребляемых приемниками, равна сумме мощностей отдаваемых источниками.

Как это использовать на практике? Допустим, у нас есть задача, которую нужно решить:

Поскольку решение задачи не является целью этой статьи, я дам уже готовые ответы.

Теперь надо проверить правильно ли были посчитаны токи в задаче. Ток в цепи равен току , следовательно, мощность источника питания (Е1хI1) должна быть равна сумме мощностей сопротивлений

Что мы и получаем с учетом потерь при округлениях.

Таким образом, баланс мощностей в электрической цепи постоянного тока — это ничто иное, как проверка самого себя, своих расчётов.

Как видите, мощность в цепи постоянного тока посчитать довольно легко. Гораздо больше сложностей возникнет, если ток будет переменный. Другими словами, на примере магазина это выглядит так:

Постоянный ток – от входа до выхода прямая линия и вы спокойно идете от начала и до конца без каких-либо приключений.

Переменный ток – магазин представляет из себя зигзаг и вам приходится делать лишние движения.

2.10. Мощность и ее составляющие в цепях переменного тока

В цепях постоянного тока мощность нагрузок определялась по формуле: , а для источников: . В цепях переменного тока, если действовать по аналогии, мощность можно представить в виде: p = u i, то есть она изменяется во времени (см. разделы 2.5 и 2.6).
Если использовать комплексы, то мощность будет иметь вид: .

Но такая запись не всегда правильно отражает процессы. В этой формуле наблюдается зависимость результата от положения векторов на комплексной плоскости. Так, для нагрузки: ,

если угол напряжения больше нуля, а ток у такой нагрузки отстает от напряжения и если они расположены на комплексной плоскости (рис. 2.13), скалярное произведение двух комплексов равно произведению их модулей, а результирующий угол равен углу между векторами тока и напряжения, что не получается при перемножении комплексов:

Угол не равен углу между векторами тока и напряжения.

Для вычисления полной мощности в цепях переменного тока пользуются искусственным приёмом. В формуле полной мощности вместо комплекса тока подставляют комплексно-сопряженный ток:

или в алгебраической форме:

Если комплекс тока равен: , то комплексно-сопряженный ток находят так:

Баланс мощностей для цепей переменного тока составляется так:

Реактивная мощность в цепях переменного тока может быть как положительной так и отрицательной. У индуктивных нагрузок: , она больше нуля, а у емкостных нагрузок меньше нуля.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: