Полная мощность цепи: Мощность в цепи переменного тока и коэффициент мощности (косинус φ)

6.10. Мощность в цепи синусоидального тока

     Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.
     Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:

     

     Тогда

          (6.23)

     Среднее значение мгновенной мощности за период

     Из треугольника сопротивлений ,      а      .

     Получим еще одну формулу:

.

     Среднее арифметическое значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают буквой P.

   Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию.
     Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активная мощность в этом элементе , так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90^o. В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов.
   Происходит обратимый  процесс в  виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.
     Преобразуем выражение (6.23):

     где – мгновенная мощность в активном сопротивлении;

      – мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).
   Максимальное или амплитудное значение мощности p₂ называется реактивной мощностью

      ,

     где x – реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное).
     Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных, расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.

     Амплитудное значение суммарной мощности p = p₁ + p₂ называется полной мощностью.
   Полная  мощность,  измеряемая в вольтамперах, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

      ,

     где z – полное сопротивление цепи.
   Полная мощность характеризует предельные возможности источника энергии. В электрической цепи можно использовать часть полной мощности

,

       где    – коэффициент мощности или “косинус “фи”.

  Коэффициент  мощности  является одной из важнейших характеристик электротехнических устройств. Принимают специальные меры к увеличению коэффициента мощности.
      Возьмем треугольник сопротивлений и умножим его стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей (рис. 6.18).

     Из треугольника мощностей получим ряд формул:

,      ,

             Рис.6.18
                                                                ,      .
     При анализе электрических цепей символическим методом используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного напряжения на сопряженный комплекс тока.
     Для цепи, имеющей индуктивный характер (R-L цепи)

,

       где   
      – комплекс напряжения;
      – комплекс тока;
      – сопряженный комплекс тока;
      – сдвиг по фазе между напряжением и током.
     , ток как в R-L цепи, напряжение опережает по фазе ток.

     Вещественной частью полной комплексной мощности является активная мощность.
     Мнимой частью комплексной мощности – реактивная мощность.

     Для цепи, имеющей емкостной характер (R-С цепи), . Ток опережает по фазе напряжение.

.

     Активная мощность всегда положительна. Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, – положительна, а в цепи с емкостным характером – отрицательна.

6.11. Баланс мощностей

     Для схемы на рис. 6.19 запишем уравнение по второму закону Кирхгофа. Умножим левую и правую части уравнения на сопряженный комплекс тока

       где    – результирующее реактивное сопротивление;
               I

2– квадрат модуля тока.

     где    – полная комплексная, активная и реактивная мощности источника питания.

     где – активная и реактивная мощности, потребляемые элементами схемы.

     Получим уравнение

     .      (6.24)

Рис. 6.19

     Два комплексных числа равны, если равны по отдельности их вещественные и мнимые части, следовательно уравнение (6.24) распадается на два:

 .     (6.25)

    Полученные равенства выражают законы сохранения активных и реактивных мощностей.

6.12. Согласованный режим работы электрической цепи.

Согласование нагрузки с источником

     В схеме на рис. 6.20
      – полное, активное и реактивное сопротивления источника ЭДС,
      – полное, активное и реактивное сопротивления нагрузки.
   Активная мощность может выделяться только в активных сопротивлениях цепи переменного тока.
     Активная мощность, выделяемая в нагрузке,

.     (6.26)

     Активная мощность, развиваемая генератором

.

Коэффициент полезного действия для данной схемы:

                    .
                 Рис. 6.20

     Из формулы (6.26) видно, что выделяемая в нагрузке мощность будет максимальной, когда знаменатель минимален. Последнее имеет место при , т.е. при . Это означает, что реактивные сопротивления источника и нагрузки должны быть одинаковы по модулю и иметь разнородный характер. При индуктивном характере реактивного сопротивления источника реактивное сопротивление нагрузки должно быть емкостным и наоборот.

.     (6.27)

   Установим условие,  при котором  от источника к нагрузке будет передаваться наибольшая мощность.

.

     отсюда .

     От источника к нагрузке передается наибольшая мощность, когда

.      .     (6.28)

     Величина наибольшей мощности

.

   Режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке называется согласованным режимом, а подбор сопротивлений согласно равенствам (6.28) – согласованием нагрузки с источником.

     В согласованном режиме

.

     Половина мощности теряется внутри источника. Поэтому согласованный режим не используется в силовых энергетических цепях. Этот режим используют в информационных цепях, где мощности могут быть малыми, и решающими являются не соображения экономичности передачи сигнала, а максимальная мощность сигнала в нагрузке.

Электрическая мощность – это… Что такое Электрическая мощность?

Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.

Мгновенная электрическая мощность

Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

По определению, электрическое напряжение — это отношение работы электрического поля, совершенной при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда. То есть можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по переносу единичного заряда из точки А в точку B. Другими словами, при движении единичного заряда по участку электрической цепи он совершит работу, численно равную электрическому напряжению, действующему на участке цепи. Умножив работу на количество единичных зарядов, мы, таким образом, получаем работу, которую совершают эти заряды при движении от начала участка цепи до его конца. Мощность, по определению, — это работа в единицу времени. Введём обозначения: U — напряжение на участке A-B (принимаем его постоянным на интервале Δt), Q — количество зарядов, прошедших от А к B за время Δt. А — работа, совершённая зарядом Q при движении по участку A-B, P — мощность. Записывая вышеприведённые рассуждения, получаем:

Для единичного заряда на участке A-B:

Для всех зарядов:

Поскольку ток есть не что иное, как количество зарядов в единицу времени, то есть по определению, в результате получаем:

Полагая время бесконечно малым, можно принять, что величины напряжения и тока за это время тоже изменятся бесконечно мало. В итоге получаем следующее определение мгновенной электрической мощности:

мгновенная электрическая мощность p(t), выделяющаяся на участке электрической цепи, есть произведение мгновенных значений напряжения u(t) и силы тока i(t) на этом участке:

Если участок цепи содержит резистор c электрическим сопротивлением R, то

Дифференциальные выражения для электрической мощности

Мощность, выделяемая в единице объёма, равна:

В линейном изотропном приближении:

В линейном анизотропном приближении (например, в монокристалле или жидком кристалле, а также при наличии эффекта Холла):

Мощность постоянного тока

Так как значения силы тока и напряжения постоянны и равны мгновенным значениям в любой момент времени, то мощность можно вычислить по формуле:

Для пассивной линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома, можно записать:

Если цепь содержит источник ЭДС, то отдаваемая им или поглощаемая на нём электрическая мощность равна:

где — ЭДС.

Если ток внутри ЭДС противонаправлен градиенту потенциала (течёт внутри ЭДС от плюса к минусу), то мощность поглощается источником ЭДС из сети (например, при работе электродвигателя или заряде аккумулятора), если сонаправлен (течёт внутри ЭДС от минуса к плюсу), то отдаётся источником в сеть (скажем, при работе гальванической батареи или генератора). При учёте внутреннего сопротивления источника ЭДС выделяемая на нём мощность прибавляется к поглощаемой или вычитается из отдаваемой.

Мощность переменного тока

В переменном электрическом поле формула для мощности постоянного тока оказывается неприменимой. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол φ (сдвиг фаз) — аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

Активная мощность

Единица измерения — ватт (W, Вт).

Среднее за период T значение мгновенной мощности называется активной мощностью: В цепях однофазного синусоидального тока где U и I — среднеквадратичные значения напряжения и тока, φ — угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S активная связана соотношением

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной мощностью.

Реактивная мощность

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (var, вар)

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними: (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Р соотношением: .

Физический смысл реактивной мощности — это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sin φ, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Измерительные преобразователи реактивной мощности, использующие формулу Q = UI sin φ, более просты и значительно дешевле измерительных преобразователей на микропроцессорной технике.^{[источник не указан 124 дня]}

Полная мощность

Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (V·A, В·А)

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: S = U·I; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: где Р — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Комплексная мощность

Мощность, аналогично импедансу, можно записать в комплексном виде:

где  — комплексное напряжение,  — комплексный ток, — импеданс, * — оператор комплексного сопряжения.

Модуль комплексной мощности равен полной мощности S. Действительная часть равна активной мощности Р, а мнимая  — реактивной мощности Q с корректным знаком в зависимости от характера нагрузки.

Неактивная мощность

Неактивная мощность (пассивная мощность)^{[источник не указан 172 дня]} — это мощность нелинейных искажений тока, равная корню квадратному из разности квадратов полной и активной мощностей в цепи переменного тока. В цепи с синусоидальным напряжением неактивная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов реактивной мощности и мощностей высших гармоник тока^{[источник не указан 172 дня]}. При отсутствии высших гармоник неактивная мощность равна модулю реактивной мощности.

Под мощностью гармоники тока понимается произведение действующего значения силы тока данной гармоники на действующее значение напряжения^{[источник не указан 172 дня]}.

Наличие нелинейных искажений тока в цепи означает нарушение пропорциональности между мгновенными значениями напряжения и силы тока, вызванное нелинейностью нагрузки, например когда нагрузка имеет реактивный или импульсный характер. При линейной нагрузке сила тока в цепи пропорциональна мгновенному напряжению, вся потребляемая мощность является активной. При нелинейной нагрузке увеличивается кажущаяся (полная) мощность в цепи за счёт мощности нелинейных искажений тока, которая не принимает участия в совершении работы^{[источник не указан 172 дня]}. Мощность нелинейных искажений не является активной и включает в себя как реактивную мощность, так и мощность прочих искажений тока. Данная физическая величина имеет размерность мощности, поэтому в качестве единицы измерения неактивной мощности можно использовать В∙А (вольт-ампер) или вар (вольт-ампер реактивный). Вт (ватт) использовать нежелательно, чтобы неактивную мощность не спутали с активной.

Связь неактивной, активной и полной мощностей

Величину неактивной мощности обозначим N. Через i обозначим вектор тока, через u — вектор напряжения. Буквами I и U будем обозначать соответствующие действующие значения:

Представим вектор тока i в виде суммы двух ортогональных составляющих i_a и i_p, которые назовём соответственно активной и пассивной. Поскольку в совершении работы участвует только составляющая тока, коллинеарная напряжению, потребуем, чтобы активная составляющая была коллинеарна напряжению, то есть i_a = λu, где λ — некоторая константа, а пассивная — ортогональна, то есть Имеем

Запишем выражение для активной мощности P, скалярно умножив последнее равенство на u:

Отсюда находим

Выражение для величины неактивной мощности имеет вид где S = U I — полная мощность.

Для полной мощности цепи справедливо представление, аналогичное выражению для цепи с гармоническими током и напряжением, только вместо реактивной мощности используется неактивная мощность:

Таким образом, понятие неактивной мощности представляет собой один из способов обобщения понятия реактивной мощности для случая несинусоидальных тока и напряжения. Неактивная мощность иногда называется реактивной мощностью по Фризе.

Измерения

• Для измерения электрической мощности применяются ваттметры и варметры, можно также использовать косвенный метод, с помощью вольтметра и амперметра.
• Для измерения коэффициента реактивной мощности применяют фазометры
• Государственный эталон — ГЭТ 153-86 Государственный специальный эталон единицы электрической мощности в диапазоне частот 40-2500 Гц. Институт-хранитель: ВНИИМ

Мощность некоторых электрических приборов

В таблице указаны значения мощности некоторых потребителей электрического тока:

Электрический прибор	Мощность,Вт
Лампочка фонарика	1
Лампа люминесцентная бытовая	5…30
Лампа накаливания бытовая	25…150
Холодильник бытовой	15…200
Электропылесос	100…2 000
Электрический утюг	300…2 000
Стиральная машина	350…2 000
Электрическая плитка	1 000…2 000
Сварочный аппарат бытовой	1 000…5 500
Двигатель трамвая	45 000…50 000
Двигатель электровоза	650 000
Электродвигатели прокатного стана	6 000 000…9 000 000

Большинство бытовых приборов рассчитаны на напряжение 220 В, но на разную силу тока. Поэтому мощность потребителей электроэнергии разная.

Литература

• ГОСТ 8.417-2002 Единицы величин
• ПР 50.2.102-2009 Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации
• Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. — М: Высшая школа, 1984.
• Гольдштейн Е. И., Сулайманов А. О., Гурин Т. С. Мощностные характеристики электрических цепей при несинусоидальных токах и напряжениях. ТПУ, — Томск, 2009, Деп. в ВИНИТИ, 06.04.09, № 193—2009. — 146 с.

Дополнительная литература

• Агунов М. В., Агунов А. В. Об энергетических соотношениях в электрических цепях с несинусоидальными режимами // Электричество, 2005, № 4, С. 53-56.
• Агунов М. В., Агунов А. В., Вербова Н. М. Новый подход к измерению электрической мощности // Промышленная энергетика, 2004, № 2, С. 30-33.
• Агунов М. В., Агунов А. В., Вербова Н. М. Определение составляющих полной мощности в электрических цепях с несинусоидальными напряжениями и токами методами цифровой обработки сигналов // Электротехника, 2005, № 7, С. 45-48.
• Агунов А. В. Неактивные составляющие полной мощности в автономных электротехнических системах судостроения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб., СПбГМТУ, 1997, 20 с.
• Агунов М. В. Энергетические процессы в электрических цепях с несинусоидальными режимами и их эффективность. Кишинев-Тольятти: МолдНИИТЭИ, 1997, 84 с.
• Агунов М. В., Агунов А. В. Об энергетических соотношениях в электрических цепях с несинусоидальными режимами // Электричество, 2005, № 4, С. 53-56.
• Агунов А. В. Управление качеством электроэнергии при несинусоидальных режимах. СПб., СПбГМТУ, 2009, 134 с.
• Агунов М. В., Агунов А. В., Вербова Н. М. Новый подход к измерению электрической мощности // Промышленная энергетика, 2004, № 2, С. 30-33.
• Агунов А. В. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки // Электротехника, 2003, № 2, С. 47-50.

Ссылки

См.

также

Мощность электрической цепи полная – Энциклопедия по машиностроению XXL

Момент электрического диполя, электрический Момент элементарного электрического тока, магнитный момент магнитного диполя, магнитный Мощность электрической цепи мощность электрической цепи, активная Мощность электрической цепи, полная Мощность электрической цепи, реактивная  [c.213]

Мощность дозы излучения Мощность, звуковая Мощность кермы Мощность поглощенной дозы излучения Мощность эквивалентной дозы излучения Мощность экспозиционной дозы, рентгеновского и гамма-излучений Мощность электрической цепи, активная Мощность электрической цепи, полная  [c.219]

Полная мощность электрической цепи вольт-ампер В-А V-A  [c.92]

В электротехнике для измерения полной мощности электрической цепи, определяемой произведением действующих значений напряжения и силы тока С/эф, /дф, не применяют единицу мощности ватт (которой измеряется только активная составляющая мощности), а пользуются единицей вольт-ампер (В А). Для измерения реактивной мощности применяют единицу вар, которую определяют как реактивную мощность цепи с синусоидальным переменным током при действующих значениях напряжения 1 В и тока 1 А, если сдвиг фазы между током и напряжением я/2.  [c.260]

Вольт-ампер — полная мощность электрической цепи при действующих значениях напряжения 1 в и силы тока 1 а.  [c.306]

Динамическая вязкость Кинематическая вязкость Массовый расход Объемный расход Электрическое напряжение, электрический потенциал Электрическое сопротивление Полная мощность электрической цепи Количество теплоты, энтальпия, энергия внутренняя, свободная Удельное количество теплоты, удельная теплота  [c.314]

Полная мощность электрической цепи вольт-ампер В й V-A (1а)-(1б)  [c.13]

Полная мощность электрической цепи Р, вольт-ампер в-а V-A 10- К, = К,, = 10- -  [c.45]

Полная мощность электрической цепи L4 T- вольт- ампер В-А V-A Вольт-ампер полная мощность электрической цепи при действующих значениях напряжения 1 В и силы тока 1 А  [c. 604]

Определяющее уравнение для полной мощности электрической цепи переменного тока 8 = 111. При измерении действующего значения силы тока / в амперах, действующего значения напряжения и в вольтах полная мощность электрической цепи переменного тока 5 выражается в вольт-амперах (В-А).  [c.52]

Состояние электрической цепи по отношению к реактивной мощности характеризует коэффициент мощности ( os ф), который представляет собой отношение активной мощности к полной (кажущейся) мощности  [c.32]

В, электрических цепях переменного тока с реактивными сопротивлениями различают три вида мощности полную 5, активную Р и реактивную Q. Полная мощность 5 электроустановки переменного тока состоит из мощности, расходуемой в активном сопротивлении Р и реактивной части мощности О, (геометрическая сумма).  [c.14]

Реактивная часть Q полной мощности обусловлена колебаниями энергии при возникновении и исчезновении магнитных и электрических полей, В электрической цепи переменного тока с реактивными сопротивлениями происходит перекачивание энергии от источника к реактивным сопротивлениям и обратно. Реактивны токи, протекающие между источником (генератором) и реактивными приемниками, бесполезно загружают генератор, трансформаторные подстанции, линии передачи и этим вызывают дополнительные потери энергии.  [c.15]

Для составления уравнений электрической цепи необходимо рассматривать только ток управления (за исключением случая, когда в выражения некоторых параметров прямо или косвенно входит поляризующий ток), хотя для определения мощности потерь необходимо учитывать полный ток. Для преобразователя любого типа справедливо равенство  [c.584]

Громкоговоритель связан с электрической цепью с помощью катушки с сопротивлением в 2 ом, с ничтожной индуктивностью и коэффициентом связи Г = 100 ООО. Известно, что добавочный импеданс, вызванный колебанием диафрагмы, эквивалентен сопротивлению в 25 ом, индуктивности в 10 мгн и емкости в одну микрофараду (всё в параллельном соединении). Каковы механические параметры диафрагмы Считая, что вся энергия, рассеиваемая диафрагмой, превращается в звуковую энергию, нанести на график коэффициент полезного действия катушки громкоговорителя, т. е. отношение излучаемой звуковой мощности к полной мощности, рассеиваемой громкоговорителем и катушкой, в функции частоты от v = 0 до v = 1000 ц.  [c.87]

Полученное выражение аналогично выражению для полной электрической мощности в цепи с индуктивностью и активным сопротивлением Р=1Щ+ Р(йЬ.  [c.15]

Эта величина составляет 0,35% от полной требуемой мощности реактора. Для получения такой относительно малой мощности можно использовать вспомогательный источник энергии, однако существует другой метод, позволяющий использовать сам процесс реакции для получения необходимой величины мощности. Уже говорилось, что одной из привлекательных возможностей использования термоядерной реакции в стационарных генераторах мощности является преобразование энергии реакции в электрическую энергию. Такое преобразование возможно в силу того, что полезная энергия реакции связана с заряженными частицами, помещенными в магнитное поле. После того, как магнитный поршень, действующий подобно электрическому двигателю, сожмет плазму, в результате чего повысится ее температура и начнется реакция синтеза, реагирующая и расширяющаяся плазма будет двигаться назад и отдавать полезную мощность обратно в электрическую цепь, действуя подобно генератору.  [c.560]

К. и. д. генератора определим как отношение отдаваемой им мощности к полной, подведенной из сети, включая мош,ность, расходуемую на вспомогательные нужды. Правильно сконструированные трансформаторы имеют к. п. д. 85—92% в диапазоне как звуковых частот, так и радиочастот. Индукторы имеют к. п. д. около 75—85%. К- п. д. машинного генератора составляет 70—80%, а лампового около 60%, если учесть мощность, необходимую для накала ламп, потери в сеточных цепях и выпрямителе. Таким образом, электрический к. п. д. установки с машинным генератором составит в среднем около 45%, а с ламповым около 38%.  [c.143]

Низковольтная вакуумная искра. Разряд, близкий по свойствам и спектральным характеристикам к скользящей искре, может быть получен от низковольтного источника ( ЗОО в) при наличии маломощного высоковольтного поджига [255—260]. Были предложены различные электрические схемы, но наилучшие результаты получены в схемах с полным разделением двух цепей цепи основного разряда и цепи поджига [257, 259]. Если такого разделения нет, то на вспомогательном промежутке, даже при наличии ограничивающего ток сопротивления, выделяется большая мощность, что приводит к разрушению вспомогательного электрода и неустойчивости разряда в основной цепи.  [c.63]

Единицами полной мощности служат вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВА). На табличках генераторов и трансформаторов указывается полная мощность. На табличках электродвигателей указывается активная (полезная) мощность, которую они могут развить. Полную мощность электродвигателя, которую он потребляет от электрической сети, можно определить расчетным способом, Полная мощность цепи переменного тока определяется про-  [c.14]

Индуктивный датчик ИД-31. Катушка, магнитопровод и штепсельный разъем 5 индуктивного датчика (рис. 117) залиты эпоксидным компаундом и представляют собой единый неразъемный узел. Якорь датчика сочленяется со штоком серводвигателя регулятора мощности. Датчик — это электрический преобразователь, в котором линейное перемещение якоря вызывает изменение значения индуктивного сопротивления катушки. Максимальный сигнал датчика соответствует положению якоря, выдвинутому за корпус, а минимальный — максимально вдвинутому положению. При увеличении нагрузки поршень серводвигателя перемещается и вдвигает якорь в катушку индуктивного датчика, за счет чего уменьшается ток в цепи регулировочной обмотки амплистата. При изменении частоты вращения вала дизеля меняется напряжение и частота питания индуктивного датчика. Однако в связи с тем что индуктивное сопротивление катушки намного больше активного, ток в регулировочной обмотке амплистата не зависит от позиции контроллера, а зависит от положения якоря в катушке. Напряжение датчика 10 В частота питающего напряжения 133 Гц ход якоря при изменении сопротивления от минимального до максимального 65 мм минимальное полное сопротивление катушки (не более) 5,5 Ом максимальное полное сопротивление катушки (не менее) 70 Ом ток продолжительный 1,4 А.  [c.155]

Коэффициент полезного действия (к. п. д.). Электрическим коэффициентом полезного действия называется отношение полезной номинальной мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, потребляемой анодной цепью. Коэффициент измеряется в процентах и в зависимости от схемы и режима оконечного каскада может достигать 30—60%. Полный, или промышленный, к. п. д. каскада или усилителя, учитывающий потери энергии в цепях накала и экранных сеток ламп, значительно ниже и составляет 5—30%.  [c.102]

Пневматические СУ значительно уступают по скорости передачи сигналов электрическим и гидравлическим СУ, но превосходят по сроку службы электро-контактные и электрогидравлические. Гидравлические СУ превосходят электрические и пневматические по точности и диапазону регулирования скорости исполнительных механизмов. Для более полного использования достоинств различных устройств автоматики в СУ целесообразно в ряде случаев сочетать пневматические устройства с гидравлическими или электрическими. Так, недостаточные плавность перемещения пневматических исполнительных механизмов и уровень передаваемой мощности могут быть устранены при.менением пневмогидравлического привода, а недостаточную скорость передачи пневматического сигнала, особенно при большой протяженности цепей управления, можно при необходимости компенсировать использованием электропневматических и электронных СУ.  [c.28]

Особое внимание следует уделять электрическим и тепловым режимам в транзисторных передатчиках. Мощные ВЧ транзисторы при полном использовании по мощности практически не имеют запасов по допустимым параметрам, в особен – ости по напряжению коллектора. Перенапряжения в коллекторной це–пи возникают вследствие изменения напряжения в питающей цепи. Короткие импульсы можно устранить С-фильтрами, более медленные изменения — стабилизацией питающего напряжения.  [c.169]

Полная мощность электрической цепи. . вольтампер 10- 10- 10  [c.91]

Причины сдвига фаз и практические последствия его. На многие из цепей переменного тока (установки для генерирования, канализации и потребления электрической энергии) оказывает неблагоприятное влияние то обстоятельство, что в них циркулируют токи, к-рые необходимы для поддержания надлежащего электромагнитного режима, но не м. б. превращены в полезную энергию. С электродвигателями, тpaн фopмiaтopaми и проводами свя-(J зано существование пульсирующих магнитных полей возникновение и исчезновение этих полей сопряжено с пульсацией энергии, к-рая передается из электрической цепи в магнитное поле и обратно из поля в цепь, не со-/ вершая при этом полезной работы. Соответствующие этой реактивной мощности токи в проводах называются реактивными они сдвинуты по фазе на 90° относительно активных токов. Полный ток I, состоящий из реактивной слагающей I,. и активной Ifj (фиг. 3), оказывается вследствие этого сдвинутым по фазе относительно напряжения на нек-рый угол ср. Отношение активной составляющей тока 1а к полному току J, т. е.  [c.223]

Простейшая схема электрической части излучателя состоит из двух последовательно соединенных сопротивлений гэ=i oL- – э. Иногда бывает удобно заменить цепью из двух параллельно соединенных сопротивлений индуктивности обмотки (ш1) и эквивалентного сопротивления Яэть соответствующего омическим потерям, потерям на перемагничивание и вихревые токи, где гю — полная мощность потерь в заторможенном сердечнике при  [c.174]

Схема питания тяговых подстанции от энергосистемы на дорогах СССР во всех случаях должна иметь такое построение, при котором выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи на электрифицированном участке длиной 150—200 км мог бы явиться причиной выхода из строя не более одной тяговой подстанции. В этом случае при отключении одной тяговой подстанции движение поездов на участке будет осуществляться по аварийной схеме с диспетчерской регулировкой тяговой нагрузки. Поэтому для повышения надежности питания линии электропередачи 2 (рис. 90, а) обычно выполняют двухцепными. При этом каждую цепь рассчитывают на передачу полной мощности для бесперебойного снабжения электрической энергией тяговых и нетяговых потребителей. Эти линии через силовые выключатели подключают к шинам опорных тяговых подстанций трансформаторных подстанций 1 VI 8, подключенных к энергосистеме. Остальные тяговые подстанции электрифицированного участка присоединяют поочередно к разным линиям электропередачи 2 либо в разрез линии либо отпайками (подстанция 5).  [c.163]

Самоходные пневмоколесные дорожные машины с индивидуальными тяговыми алектроприводами колес на постоянном токе. Схема главной цепи электрических машин должна быть выбрана так, чтобы обеспечивались режимы тяги с полным использованием свободной мощности дизельного двигателя в заданном диапазоне скоростей движения машины вперед и назад, свободного  [c.52]

---

AC power

http://en.wikipedia.org  Wikipedia, свободная энциклопедия

Мощность определяется, как скорость потока энергии, проходящей через заданную точку. Тоесть мощность – это отношение количества энергии, прошедшей через данную точку за определённый промежуток времени, к величине этого промежутка времени.

В цепях переменного тока, в отличие от цепей постоянного тока, присутствуют не только рассеивающие энергию (активные) элементы, но и запасающие энергию (реактивные) элементы, такие, как индуктивности и ёмкости. Индуктивные элементы (катушки) запасают энергию в магнитном поле; ёмкостные элементы (конденсаторы) запасают энергию в электрическом поле. Эти элементы вызывают переодическое реверсирование потока энергии (энергия переходит из сети в энергию поля элемента, а затем обратно). 

Скорость потока энергии, усреднённая за полный период колебания волны переменного тока, показывающая полезную передачу энергии в одном направлении, тоесть необратимое рассеяние энергии (преобразование электрической энергии в другие виды энергии) на активных элементах цепи, известна как активная мощность (в англ. лит. real power).

Максимальное мгновенное (амплитудное) значение скорости циркуляции энергии, через энергозапасающие (реактивные) элементы цепи, известно как реактивная мощность (в англ. лит. reactive power). Реактивная мощность показывает обратимую циркуляцию энергии в системе. Рассеяния энергии на реактивных элементах нет, так как энергия, полученная реактивными элементами в течение периода от источника, и, энергия возвращённая реактивными элементами в течение периода обратно в источник, равны.

Активная (real), реактивная (reactive) и полная (apparent) мощность.

Инженеры используют несколько терминов для описания потока энергии в системе: 

• Активная мощность или Real power (P)
• Реактивная мощность или Reactive power (Q)
• Комплесная мощность или Complex power (S) 
• Полная мощность или Apparent power (определяется как модуль комплексной мощности |S|)

 

Полная мощность – это модуль векторной суммы активной и реактивной мощности.

На рисунке, P это активная мощность, Q это реактивная мощность (в данном случае отрицательная), и длина вектора S это полная мощность.

Единица измерения всех видов мощностей – это Ватт (символ: Вт / англ. W). Тем не менее, эта единица измерения зарезервирована для активной компоненты мощности. Полная мощность традиционно выражается в вольт-амперах (ВА / англ. VA), так как полная мощность есть просто результат умножения среднеквадратичного напряжения и среднеквадратичного тока. Единица реактивной мощности обозначается термином «ВАр / англ. VAr», что значит вольт-ампер реактивный. Так как реактивная мощность не передаёт полезную энергию на нагрузку, она часто называется «безваттная» мощность («wattless» power).

Понимание соотношений между этими тремя величинами лежит в сердце понимания силовой электротехники. Зависимость между этими величинами может быть выражена математически с помощью векторов. Так же зависимость между этими величинами может быть выражена с использованием комплексных чисел:                                  

(где j это мнимая единица).

Комплексное число S называется комплексной мощностью.

Рассмотрим идеальную цепь переменного тока состоящую из источника энергии и обобщённой нагрузки, причём, как ток, так и напряжение, синусоидальные. Если нагрузка чисто резистивная (то-есть активная), тогда ток и напряжение меняют полярность одновременно; направление потока энергии не меняет знак и всегда положительное, поэтому вся мощность (поток энергии) активная. Если нагрузка чисто реактивная, тогда напряжение и ток различаются по фазе на 90 градусов, и поток полезной энергии отсутствует. За четверть периода энергия из сети поступает в реактивную нагрузку (где переходит в энергию магнитного или электрического поля), а за следующую четверть периода обратно. Максимальное мгновенное (амплитудное) значение скорости потока энергии, которая циркулирует, в течение периода, от источника к реактивной нагрузке и обратно, известно как реактивная мощность.

Если ёмкость и индуктивность включены параллельно, тогда токи, текущие через индуктивность и ёмкость, противоположны и стремятся взаимоуничтожиться быстрее, чем происходит добавка тока. Обычно считают, что ёмкость генерирует реактивную мощность, а индуктивность поглащает её. Это есть фундаментальный механизм контроля коэффициента мощности в системах передачи электрической энергии; ёмкости (или индуктивности) включаются в цепь с целью частичного уничтожения реактивной мощности нагрузки. Практически любая нагрузка будет иметь активную, индуктивную и ёмкостную части, и поэтому, как активная, так и реактивная мощность, будет поступать в нагрузку.

Полная мощность есть произведение среднеквадратичного тока на среднеквадратичное напряжение. Полная мощность удобна для оценки характеристик оборудования и проводов/кабелей, так как показывает максимальные значения тока и напряжения в системе. Тем не менее, если две разные нагрузки характеризуются определёнными  значениями полной мощности, то их сумма не даст точного значения полной мощности суммарной нагрузки, если обе нагрузки не имеют одинакового смещения (сдвига фаз) между током и напряжением.  

Коэффициент мощности (Power factor)

Отношение активной мощности к полной мощности в цепи называется коэффициентом мощности. Для всех случаев, когда формы тока и напряжения чисто синусоидальные, коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз (φ) между синусоидами тока и напряжения. По этой причине, в технических характеристиках оборудования часто обозначают коэффициент мощности как “cosφ”.  

Коэффициент мощности равен 1, когда фазы напряжения и тока совпадают, и равен нулю, когда ток опережает или отстаёт от напряжения на 90 градусов. Коэффициент мощности определяется как опережающий или отстающий. Для двух систем, передающих одинаковое количество активной мощности, система с более низким коэффициентом мощности будет иметь более высокие значения циркулирующих в системе токов, благодаря энергии, возвращаемой в источник из энергозапасающих элементов нагрузки. Эти более высокие токи в реальной системе приведут к более высоким потерям и уменьшат общую эффективность передачи энергии. Цепь с более низким коэффициентом мощности будет иметь более высокую полную мощность и более высокие потери для тогоже количества передаваемой активной мощности.

Ёмкостные цепи вызывают реактивную мощность, причём синусоида тока опережает синусоиду напряжения на 90 градусов. Индуктивные цепи вызывают реактивную мощность, причём синусоида тока отстаёт от  синусоиды напряжения на 90 градусов. Результатом этого является стремление индуктивных и ёмкостных элементов уничтожить вырабатываемую реактивную мощность друг друга соответственно.

Реактивная мощность

В системах передачи и распределения энергии, значительные усилия прилагаются для контроля реактивной мощности. Обычно это делается автоматически путём подключения и отключения больших массивов дросселей (реакторов) или конденсаторов, настройкой системы возбуждения генератора и другими методами. Компании дистрибьюторы электроэнергии могут использовать счётчики электроэнергии, которые измеряют реактивную мощность с целью выявления и штрафования пользователей с нагрузками, имеющими низкий коэффициент мощности. Особенно описанные меры относятся к пользователям эксплуатирующим высоко индуктивные нагрузки, такие, как моторы на насосных станциях.

Несбалансированные многофазные системы

В то время, как активная мощность и реактивная мощность точно определены в любой системе, определение полной мощности для несбалансированных многофазных систем считается одной из самых спорных тем в силовой электротехнике. Первоначально термин «полная мощность» возник просто как оценка качества системы. Формирование и план концепции приписываются Виллиаму Стэнли (Феномен запаздывания в катушке индуктивности, 1888) и Чарльзу Штейнмитцу (Теоретические элементы проектирования, 1915). Тем не менее, с развитием трёхфазных систем переменного тока, стало ясно, что определение полной мощности и коэффициента мощности не может быть применено к несбалансированным многофазным системам. В 1920 году  Специальный Объединённый комитет Американского Института Инженеров-Электриков (AIEE) и Национальная Ассоциация Электрического Освещения встретились, чтобы решить эту проблему. Они рассмотрели два определения:

В этом случае коэффициент мощности определён, как отношение суммы активных мощностей всех фаз к сумме полных мощностей всех фаз. Обычно этот метод применяется в приборах измеряющих параметры сети.

В этом случае коэффициент мощности определён, как отношение суммы активных мощностей всех фаз к модулю суммы комплексных мощностей всех фаз.

В 1920 году комитет не нашёл согласия по этому вопросу. В дальнейшем доминировали дискуссии по этой теме. В 1930 году был сформирован другой комитет и повторно оказался не в состоянии решить вопрос. Расшифровки стенограмм дискуссий самые длинные и самые спорные из когда либо опубликованных AIEE (Эмануэль, 1993). Окончательное решение по этому вопросу не было достигнуто до конца 1990-ых.

Основные вычисления с использованием реальных чисел.

Идеальный резистор не накапливает энергию, фаза тока и напряжения совпадают. Поэтому реактивной составляющей мощности нет и P = S. Поэтому для идеального резистора:

Для идеальной ёмкости или индуктивности, с другой стороны, нет передачи полезной мощности, так как вся мощность реактивная. Поэтому для идеальной ёмкости или индуктивности:

Где X это реактивное сопротивление (англ. reactance) ёмкости или индуктивности.

Если определить величину X как положительную для индуктивности и отрицательную для ёмкости, тогда мы можем убрать знаки модуля (для Q и X) из уравнения выше.

Общие вычисления с использованием векторов и комплексных чисел.

(В этом разделе знак тильда (~) будет использован для обозначения векторов или комплексных величин, а буквы без дополнительных знаков обозначают модули векторов соответствующих величин.)

Рассмотрим, скажем, последовательную цепь состоящую из активного (резистивного) сопротивления и реактивного сопротивления. Используя все, что было сказано выше, мы можем записать следующее выражение:

это выражение можно упростить:

примем следующее обозначение комплексного сопротивления (комплексного импеданса):

тогда

Умножение комплексного числа на сопряжённое с ним комплексное число даёт квадрат модуля этого числа (тоесть действительное число которому на комплексной плоскости соответствует вектор, угол которого равен 0):

 

Закон Ома для переменного тока:

Из свойств сопряжённых комплексных чисел отсюда следует:

Подставляя последние три выражения в выражение для мощности получим:

Многочастотные системы.

Приведённое выше определение полной мощности применимо и к многочастотным системам, так как среднеквадратичное значение (СКЗ /  англ. RMS) тока и напряжения может быть вычислено для любой формы волны и следовательно отсюда может быть вычислена полная мощность.

Для вычисления активной мощности, казалось бы, мы должны вычислить произведение тока и напряжения (причем и ток и напряжение есть сумма нескольких синусоид с разными частотами) и усреднить его. Тем не менее, если внимательно посмотреть на одно из слагаемых, полученных в результате перемножения тока на напряжение, мы придём к интересному результату.

Конечно усреднение по времени функции вида cos(ωt + k) есть ноль при условии, что ω не равно нулю. Поэтому единственные слагаемые, которые не будут равны нулю после усреднения – это те, для которых частота напряжения равна частоте тока (в примере выше это второе слагаемое, которое при ω₁ = ω₂ не зависит от времени и поэтому при усреднении не равно нулю). Другими словами, активную (усреднённую) мощность можно вычислить просто вычислив активные мощности для каждой частоты по отдельности, а затем все полученные мощности сложить.

Реактивная мощность, в случае многочастотной системы, так же находится как сумма реактивных мощностей всех гармоник. Тем не менее при измерении реактивной мощности в многочастотных цепях переменного тока используют упрощённый метод расчёта реактивной мощности – метод замены несинусоидальных токов и напряжений эквивалентными синусоидальными. Обычно этот метод применяется в приборах измеряющих параметры сети. В этом случае:

 

Коэффициент мощности при этом определяется как:

Если мы примем за условие, что напряжение в сети имеет единственную частоту (как это обычно и бывает), то это покажет, что гармонические токи очень плохая вещь. Они будут увеличивать среднеквадратичное значение тока (за счёт дополнительных добавок не равных нулю) и так же следовательно увеличивать полную мощность, но они не окажут влияния на передачу активной мощности. Следовательно, гармонические токи будут уменьшать коэффициент мощности.

Гармонические токи могут быть уменьшены с помощью фильтра, установленного на входе устройства. Обычно такой фильтр состоит только из ёмкостной цепи (в этом случае роль индуктивных и резистивных элементов фильтра играют паразитные сопротивление и индуктивность сетевого источника питания) или из индуктивно-ёмкостной электрической цепи. Цепь активной коррекции коэффициента мощности (active power factor correction APFC), установленная на входе устройства, ещё более эффективно уменьшает гармонические токи и, следовательно, ещё более приближает коэффициент мощности к единице.  

 

Мгновенная, средняя, реактивная, комплексная и полная мощности в электрической цепи при гармоническом воздействии

Мгновенная, средняя, реактивная, комплексная и полная мощности в электрической цепи при гармоническом воздействии

Пусть имеется схема, состоящая из последовательно соединенного источника напряжения и элементов R,L, C (рис. 47).

Рис. 47

, ,  ,  .

Мгновенная мощность

Средняя мощность в электрической цепи.

– средняя мощность в цепи равна активной мощности.

Комплексная мощность в цепи

 (ВАР – вольтампер реактивный).

.

, [ВА].

 – коэффициент мощности, характеризует потери при передачи энергии. Чем больше , тем меньше потери в линии передачи.

Модуль комплексной мощности равен полной мощности.

,

,

 – полная мощность.

,

 – активная мощность,

 – реактивная мощность.

Треугольник мощности приведен на рисунке 48, а, б.

Рис. 48

Условия передачи максимальной активной мощности от источника напряжения в комплексную нагрузку

Пусть имеется схема, приведенная на рис. 49.

Рис. 49

Алгоритм анализа:

1. Определяем активную мощность нагрузки.

2. Найдем максимальную мощность от значения реактивной нагрузки (от )

,

.

3. Находим максимальную мощность активной части.

,

.

Чтобы от источника напряжения в комплексную нагрузку передавалась максимальная мощность, должны выполняться условия

1) ,

2) , т.е. необходимо выполнения  или .

Баланс мощности в электрической цепи при гармоническом воздействии

Уравнение баланса мощности можно получить из теоремы Телледжена в комплексной форме:

, в которую вместо комплексного тока  необходимо поставить сопряженный ток.

– баланс комплексной мощности в цепи.

Если в уравнении разделить слагаемые комплексных мощностей, относящихся к источникам от слагаемых комплексных мощностей, относящихся к потребителям

,

.

;  .

Электрические цепи с индуктивными связями

Два или более элемента цепи индуктивно связаны между собой, если при изменении тока, протекающего по элементу, в другом элементе возникает ЭДС.

Пусть имеется две катушки (рис. 50), состоящие из одного витка провода (кольцо), имеющего диаметр D, и расположенных друг от друга на расстоянии l ().

Рис. 50

Пусть по первому витку протекает ток . Этот ток создает магнитный поток , который пронизывает первый виток.

 – магнитный поток самоиндукции первой катушки.

– магнитный поток взаимной индукции первой и второй катушек.

Если ток будет протекать через вторую катушку, то аналогично появится магнитный поток , который полностью связан со второй катушкой и частично с первой.

 – магнитный поток самоиндукции второй катушки.

 – магнитный поток взаимной индукции второй и первой катушек.

Потокосцепления самоиндукции и взаимной индукции а) При протекании тока по первой катушке:

,

.

– индуктивность первой катушки.

– взаимная индуктивность катушек.

б) При протекании тока во второй катушки:

,

, где  – количество витков первой и второй катушек.

,

.

Замечание 1: положительное направление тока в катушке и магнитного потока самоиндукции, выбирают по правилу правого винта (рис. 51).

Замечание 2: для взаимных магнитных цепей

Электродвижущие силы самоиндукции и взаимной индукции а) При неодновременном протекании токов:

,

.

б) При одновременном протекании токов:

,

.

Напряжения на катушках индуктивности при одновременном протекании токов

,

.

Коэффициент связи

.

Одноименные зажимы индуктивно-связанных катушек – это такие зажимы, относительно которых одинаково ориентированные токи порождают совпадающие по направлению магнитные потоки самоиндукции и взаимной индукции (рис. 52).

   

                               Рис. 52                                                                   Рис. 53

Разноименные зажимы – зажимы, относительно которых одинаково ориентированные токи порождают несовпадающие по напряжению магнитные потоки самоиндукции и взаимной индукции (рис. 53).

Экспериментальное определение одноименных (разноименных) зажимов происходит по следующей схеме (рис. 54)

1. Если при замыкании ключа, стрелка вольтметра отклоняется по часовой стрелке (в положительном направлении), то зажимы, к которым подключен «+» источника напряжения и «+» вольтметра – одноименные.

Рис. 54

Знаки ЭДС и напряжений на катушках индуктивности а) Одна катушка (рис. 55, а). Принято считать, что направление тока и ЭДС, как показано на рис. 55, а.

Рис. 55

б) Две катушки индуктивности связаны (рис. 55, б).

При подведении возрастающего тока к одной катушке, на одноименном зажиме другой катушки возрастает потенциал.

в) Две катушки взаимосвязаны, ток вводится одновременно к 1 и 2 катушкам, к одноименным зажимам (рис. 55, в).

,

,

,

.

г) Катушки индуктивности связаны, токи подаются одновременно к двум катушкам к разноименным зажимам (рис. 55, г).

,

.

ЭДС и напряжение для комплексных действующих значений на катушке

,

,

,

.

Последовательное соединение индуктивно связанных элементов а) Согласованное соединение (ток входит в одноименные зажимы) (рис. 56)

Рис. 56

Анализ:

Составим ЗНК для цепи

Активная и реактивная мощность различия. Что такое активная, реактивная и полная мощность — простое объяснение. Выражение для активной мощности

ЧТО ТАКОЕ ПОЛНАЯ, АКТИВНАЯ И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ? ОТ СЛОЖНОГО К ПРОСТОМУ.

В повседневной жизни практически каждый сталкивается с понятием “электрическая мощность”, “потребляемая мощность” или “сколько эта штука “кушает” электричества”. В данной подборке мы раскроем понятие электрической мощности переменного тока для технически подкованных специалистов и покажем на картинке электрическую мощность в виде “сколько эта штука кушает электричества” для людей с гуманитарным складом ума:-). Мы раскрываем наиболее практичное и применимое понятие электрической мощности и намеренно уходим от описания дифференциальных выражений электрической мощности.

ЧТО ТАКОЕ МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА?

В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для практических расчётов бесполезна. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени. Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность – мнимой частью, полная мощность – модулем, а угол φ (сдвиг фаз) – аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

Активная мощность (Real Power)

Единица измерения – ватт (русское обозначение: Вт, киловатт – кВт; международное: ватт -W, киловатт – kW).

Среднее за период Τ значение мгновенной мощности называется активной мощностью, и

выражается формулой:

В цепях однофазного синусоидального тока , где υ и Ι это среднеквадратичные значения напряжения и тока, а φ – угол сдвига фаз между ними.

Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле . В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S, активная связана соотношением .

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной мощностью.

Реактивная мощность (Reactive Power)

Единица измерения – вольт-ампер реактивный (русское обозначение: вар, кВАР; международное: var).

Реактивная мощность – величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними:

(если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает – отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью P соотношением: .

Физический смысл реактивной мощности – это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до минус 90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой

реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную – то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например,асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную – то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например,асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения

Полная мощность (Apparent Power)

Единица полной электрической мощности – вольт-ампер (русское обозначение: В·А, ВА, кВА-кило-вольт-ампер; международное: V·A, kVA).

Полная мощность – величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: ; соотношение полной мощности с активной и реактивной мощностями выражается в следующем виде: где P – активная мощность, Q – реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q›0, а при ёмкостной Q‹0).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому полная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Визуально и интуитивно-понятно все вышеперечисленные формульные и текстовые описания полной, реактивной и активной мощностей передает следующий рисунок:-)

Специалисты компании НТС-групп (ТМ Электрокапризам-НЕТ) имеют огромный опыт подбора специализированного оборудования для построения систем обеспечения жизненно важных объектов бесперебойным электропитанием. Мы умеем максимально качественно учитывать множество электрических и эксплуатационных параметров, которые позволяют выбрать экономически обоснованный вариант построения системы бесперебойного электропитанияс применением , топливных электростанций, и др. сопутствующего оборудования.

© Материал подготовлен специалистами компании НТС-групп (ТМ Электрокапризам-НЕТ) с использованием информации из открытых источников, в т.ч. из свободной энциклопедии ВикипедиЯ https://ru.wikipedia.org

Активная мощность (P)

Другими словами активную мощность можно назвать: фактическая, настоящая, полезная, реальная мощность. В цепи постоянного тока мощность, питающая нагрузку постоянного тока, определяется как простое произведение напряжения на нагрузке и протекающего тока, то есть

потому что в цепи постоянного тока нет понятия фазового угла между током и напряжением. Другими словами, в цепи постоянного тока нет никакого коэффициента мощности.

Но при синусоидальных сигналах, то есть в цепях переменного тока, ситуация сложнее из-за наличия разности фаз между током и напряжением. Поэтому среднее значение мощности (активная мощность), которая в действительности питает нагрузку, определяется как:

В цепи переменного тока, если она чисто активная (резистивная), формула для мощности та же самая, что и для постоянного тока: P = U I.

Формулы для активной мощности

P = U I – в цепях постоянного тока

P = U I cosθ – в однофазных цепях переменного тока

P = √3 U L I L cosθ – в трёхфазных цепях переменного тока

P = 3 U Ph I Ph cosθ

P = √ (S 2 – Q 2) или

P =√ (ВА 2 – вар 2) или

Активная мощность = √ (Полная мощность 2 – Реактивная мощность 2) или

кВт = √ (кВА 2 – квар 2)

Реактивная мощность (Q)

Также её мощно было бы назвать бесполезной или безваттной мощностью.

Мощность, которая постоянно перетекает туда и обратно между источником и нагрузкой, известна как реактивная (Q).

Реактивной называется мощность, которая потребляется и затем возвращается нагрузкой из-за её реактивных свойств. Единицей измерения активной мощности является ватт, 1 Вт = 1 В х 1 А. Энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля или электрического поля в случае, соответственно, индуктивности или конденсатора.

Реактивная мощность определяется, как

и может быть положительной (+Ue) для индуктивной нагрузки и отрицательной (-Ue) для емкостной нагрузки.

Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивный (вар): 1 вар = 1 В х 1 А. Проще говоря, единица реактивной мощности определяет величину магнитного или электрического поля, произведённого 1 В х 1 А.

Формулы для реактивной мощности

Реактивная мощность = √ (Полная мощность 2 – Активная мощность 2)

вар =√ (ВА 2 – P 2)

квар = √ (кВА 2 – кВт 2)

Полная мощность (S)

Полная мощность – это произведение напряжения и тока при игнорировании фазового угла между ними. Вся мощность в сети переменного тока (рассеиваемая и поглощаемая/возвращаемая) является полной.

Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока в цепи переменного тока называется полной мощностью.

Она является произведением значений напряжения и тока без учёта фазового угла. Единицей измерения полной мощности (S) является ВА, 1 ВА = 1 В х 1 А. Если цепь чисто активная, полная мощность равна активной мощности, а в индуктивной или ёмкостной схеме (при наличии реактивного сопротивления) полная мощность больше активной мощности.

Формула для полной мощности

Полная мощность = √ (Активная мощность 2 + Реактивная мощность 2)

kUA = √(kW 2 + kUAR 2)

Следует заметить, что:

• резистор потребляет активную мощность и отдаёт её в форме тепла и света.
• индуктивность потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме магнитного поля.
• конденсатор потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме электрического поля.

Наверняка многие из вас слышали о реактивной электроэнергии. Зная, насколько сложен для понимания этот термин, давайте разберём детально отличия реактивной и активной энергии. Важно осознать тот факт, что реактивную электроэнергию мы можем наблюдать только в переменном токе. Там, где течёт постоянный ток, реактивная энергия не присутствует. Обусловлено это природой появления реактивной энергии .

Через несколько понижающих трансформаторов к потребителю поступает переменный ток, конструкция которых разделяет обмотки низкого и высокого напряжения. То есть получается так, что в трансформаторе отсутствует физический контакт между двумя обмотками, при этом ток всё равно течёт. Объяснить это довольно просто. Электроэнергия всегда передаётся через воздух, который является прекрасным диэлектриком, при помощи электромагнитного поля, составляющая которого – переменное магнитное поле. Оно регулярно пересекает обмотку, появляясь в другой, и не имеет с первой электрического контакта, наводя электродвижущую силу. Коэффициент полезного действия у современных трансформаторов достаточно велик, отсюда потеря электроэнергии сводиться к минимуму, и потому вся мощь переменного тока, который протекает в первичной обмотке, оказывается в цепи вторичной обмотки. Тоже самое происходит в конденсаторе, правда, уже за счёт электрического поля. Ёмкость и индуктивность вместе порождают реактивную энергию. Активная энергия (которой мешает возврат реактивной энергии) преобразовывается в тепловую, механическую и другую.

Реактивная составляющая электрического тока возникает только в цепях, содержащих реактивные элементы (индуктивности и ёмкости) и расходуется обычно на бесполезный нагрев проводников, из которых составлена эта цепь. Примером таких реактивных нагрузок являются электродвигатели различного типа, переносные электроинструменты (электродрели, «болгарки», штроборезы и т.п.), а также различная бытовая электронная техника. Полная мощность этих приборов, измеряемая в вольт-амперах, и активная мощность (в ваттах) соотносятся между собой через коэффициент мощности cosφ, который может принимать значение от 0,5 до 0,9. На этих приборах указывается обычно активная мощность в ваттах и значение коэффициента cosφ. Для определения полной потребляемой мощности в ВА, необходимо величину активной мощности (Вт) разделить на коэффициент cosφ.

Пример : если на электродрели указана величина мощности в 800 Вт и cosφ = 0,8, то отсюда следует, что потребляемая инструментом полная мощность составляет 800/0,8=1000 ВА. При отсутствии данных по cosφ можно брать его приблизительное значение, которое для домашнего электроинструмента составляет примерно 0,7.

Реактивный тип нагрузки характеризуется тем, что сначала, неторое время, в нём происходит накопление энергии, поставляемой источником питания. Затем запасённая энергия отдаётся обратно в этот источник. К подобным нагрузкам относятся такие элементы электрических цепей, как конденсаторы и катушки индуктивности, а также устройства, содержащие их. При этом в такой нагрузке между напряжением и током присутствует сдвиг фаз, равный 90 градусам. Поскольку основной целью существующих систем электроснабжения является полезная доставка электроэнергии от производителя непосредственно к потребителю – реактивная составляющая мощности обычно считается вредной характеристикой цепи.

Для того, чтобы компенсировать противодействие реактивной энергии, применяются специальные устанавливаемые конденсаторы. Это заставляет свести к минимуму появляющееся негативное влияние реактивной энергии. Мы уже отмечали, что реактивная мощность существенно влияет на потерю электрической энергии в сети. Потому получается, что величину той самой негативной энергии приходиться постоянно держать под контролем, и лучший для этого способ – организовать её учёт.

Там, где озабочены этой проблемой (различные промышленные предприятия) довольно часто ставят отдельные специальные приборы, которые ведут учёт не только самой реактивной энергии, но и активной её части. Учёт ведётся в трёхфазных сетях по индуктивной и ёмкостной составляющей. Обычно такие счётчики, это не что иное, как аналого-цифровое устройство, которое преобразует мощность в аналоговый сигнал, который превращается в частоту следования электро-импульсов. Сложив их, мы можем судить о количестве потребляемой энергии. Обычно счётчик сделан из пластмассового корпуса, где установлены 3 трансформатора и блок учёта на печатной плате. На внешней стороне располагается ЖК экран или светодиоды.

Предприятия в настоящее время всё чаще ставят универсальные счётчики учёта электроэнергии, которые измеряют количество как активной, так и реактивной энергии. Более того, такие приборы могут совмещать функции от двух, а иногда и более устройств, что позволяет снижать затраты на обслуживание и позволяет сэкономить во время покупки. Такие устройство способны вычислять реактивную и активную мощность, а также измерять мгновенные значения напряжений. Счётчик фиксирует, каков уровень потребления энергии и показывает всю информацию на дисплее 3-мя сменяющимися кадрами (индуктивная составляющая, ёмкостная составляющая, а также объём активной энергии). Современные модели позволяют передавать данные по ИК цифровому каналу, защищены от магнитных полей, хищения энергии. Более того, мы получаем более точные измерения и малое энергопотребление, что выгодно отличает новые модели от предшественников.

Главная цель при передаче электроэнергии – повышение эффективности работы сетей. Следовательно, необходимо уменьшение потерь. Основной причиной потерь является реактивная мощность, компенсация которой значительно повышает качество электроэнергии.

Реактивная мощность вызывает ненужный нагрев проводов, перегружаются электроподстанции. Трансформаторная мощность и кабельные сечения вынужденно подвергаются завышениям, сетевое напряжение снижается.

Понятие о реактивной мощности

Для выяснения, что же такое реактивная мощность, надо определить другие возможные виды мощности. При существовании в контуре активной нагрузки (резистора) происходит потребление исключительно активной мощности, полностью расходуемой на энергопреобразование. Значит, можно сформулировать, что такое активная мощность, – та, при которой ток совершает эффективную работу.

На постоянном токе происходит потребление исключительно активной мощности, рассчитываемой соответственно формуле:

Измеряется в ваттах (Вт).

В электроцепях с переменным током при наличии активной и реактивной нагрузки мощностной показатель суммируется из двух составных частей: активной и реактивной мощности.

1. Емкостная (конденсаторы). Характеризуется фазовым опережением тока по сравнению с напряжением;
2. Индуктивная (катушки). Характеризуется фазовым отставанием тока по отношению к напряжению.

Если рассмотреть контур с переменным током и подсоединенной активной нагрузкой (обогреватели, чайники, лампочки с накаливающейся спиралью), ток и напряжение будут синфазными, а полная мощность, взятая в определенную временную отсечку, вычисляется путем перемножения показателей напряжения и тока.

Однако когда схема содержит реактивные компоненты, показатели напряжения и тока не будут синфазными, а будут различаться на определенную величину, определяемую углом сдвига «φ». Пользуясь простым языком, говорится, что реактивная нагрузка возвращает столько энергии в электроцепь, сколько потребляет. В результате получится, что для активной мощности потребления показатель будет нулевой. Одновременно по цепи протекает реактивный ток, не выполняющий никакую эффективную работу. Следовательно, потребляется реактивная мощность.

Реактивная мощность – часть энергии, которая позволяет устанавливать электромагнитные поля, требуемые оборудованием переменного тока.

Расчет реактивной мощности ведется по формуле:

Q = U x I x sin φ.

В качестве единицы измерения реактивной мощности служит ВАр (вольтампер реактивный).

Выражение для активной мощности:

P = U x I x cos φ.

Взаимосвязь активной, реактивной и полной мощности для синусоидального тока переменных значений представляется геометрически тремя сторонами прямоугольного треугольника, называемого треугольником мощностей. Электроцепи переменного тока потребляют две разновидности энергии: активную мощность и реактивную. Кроме того, значение активной мощности никогда не является отрицательным, тогда как для реактивной энергии возможна либо положительная величина (при индуктивной нагрузке), либо отрицательная (при емкостной нагрузке).

Важно! Из треугольника мощностей видно, что всегда полезно снизить реактивную составляющую, чтобы повысить эффективность системы.

Полная мощность не находится как алгебраическая сумма активного и реактивного мощностного значения, это векторная сумма P и Q. Ее количественное значение вычисляется извлечением квадратного корня из суммы квадратов мощностных показателей: активного и реактивного. Измеряться полная мощность может в ВА (вольтампер) или производных от него: кВА, мВА.

Чтобы была рассчитана полная мощность, необходимо знать разность фаз между синусоидальными значениям U и I.

Коэффициент мощности

Пользуясь геометрически представленной векторной картиной, можно найти отношение сторон треугольника, соответствующих полезной и полной мощности, что будет равно косинусу фи или мощностному коэффициенту:

Данный коэффициент находит эффективность работы сети.

Количество потребляемых ватт – то же самое, что и количество потребляемых вольтампер при мощностном коэффициенте, равном 1 или 100%.

Важно! Полная мощность тем ближе к показателю активной, чем больше cos φ, или чем меньше угол сдвига синусоидальных величин тока и напряжения.

Если, к примеру, имеется катушка, для которой:

• Р = 80 Вт;
• Q = 130 ВАр;
• тогда S = 152,6 BA как среднеквадратичный показатель;
• cos φ = P/S = 0,52 или 52%

Можно сказать, что катушка требует 130 ВАр полной мощности для выполнения полезной работы 80 Вт.

Коррекция cos φ

Для коррекции cos φ применяется тот факт, что при емкостной и индуктивной нагрузке вектора реактивной энергии располагаются в противофазе. Так как большинство нагрузок является индуктивными, подключив емкость, можно добиться увеличения cos φ.

Главные потребители реактивной энергии:

1. Трансформаторы. Представляют собой обмотки, имеющие индуктивную связь и посредством магнитных полей преобразуюшие токи и напряжения. Эти аппараты являются основным элементом электросетей, передающих электроэнергию. Особенно увеличиваются потери при работе на холостом ходу и при низкой нагрузке. Широко используются трансформаторы в производстве и в быту;
2. Индукционные печи, в которых расплавляются металлы путем создания в них вихревых токов;
3. Асинхронные двигатели. Крупнейший потребитель реактивной энергии. Вращающий момент в них создается посредством переменного магнитного поля статора;
4. Преобразователи электроэнергии, такие как силовые выпрямители, используемые для питания контактной сети железнодорожного транспорта и другие.

Конденсаторные батареи подсоединяются на электроподстанциях для того, чтобы контролировать напряжение в пределах установленных уровней. Нагрузка меняется в течение дня с утренними и вечерними пиками, а также на протяжении недели, снижаясь в выходные, что изменяет показатели напряжения. Подключением и отключением конденсаторов варьируется его уровень. Это делается от руки и с помощью автоматики.

Как и где измеряют cos φ

Реактивная мощность проверяется по изменению cos φ специальным прибором – фазометром. Его шкала проградуирована в количественных значениях cos φ от нуля до единицы в индуктивном и емкостном секторе. Полностью скомпенсировать негативное влияние индуктивности не удастся, но возможно приближение к желаемому показателю – 0,95 в индуктивной зоне.

Фазометры применяются при работе с установками, способными повлиять на режим работы электросети через регулирование cos φ.

1. Так как при финансовых расчетах за потребленную энергию учитывается и ее реактивная составляющая, то на производствах устанавливаются автоматические компенсаторы на конденсаторах, емкость которых может меняться. В сетях, как правило, используются статические конденсаторы;
2. При регулировании cos φ у синхронных генераторов путем изменения возбуждающего тока необходимо его отслеживать визуально в ручных рабочих режимах;
3. Синхронные компенсаторы, представляющие собой синхронные двигатели, работающие без нагрузки, в режиме перевозбуждения выдают в сеть энергию, которая компенсирует индуктивную составляющую. Для регулирования возбуждающего тока наблюдают за показаниями cos φ по фазометру.

Коррекция коэффициента мощности – одна из эффективнейших инвестиций для сокращения затрат на электроэнергию. Одновременно улучшается качество получаемой энергии.

Видео

Из письма клиента:
Подскажите, ради Бога, почему мощность ИБП указывается в Вольт-Амперах, а не в привычных для всех киловаттах. Это сильно напрягает. Ведь все уже давно привыкли к киловаттам. Да и мощность всех приборов в основном указана в кВт.
Алексей. 21 июнь 2007

В технических характеристиках любого ИБП указаны полная мощность [кВА] и активная мощность [кВт] – они характеризуют нагрузочную способность ИБП. Пример, см. фотографии ниже:

Мощность не всех приборов указана в Вт, например:

• Мощность трансформаторов указывается в ВА:
  http://www.mstator.ru/products/sonstige/powertransf (трансформаторы ТП: см приложение)
  http://metz.by/download_files/catalog/transform/tsgl__tszgl__tszglf.pdf (трансформаторы ТСГЛ: см приложение)
• Мощность конденсаторов указывается в Варах:
  http://www.elcod.spb.ru/catalog/k78-39.pdf (конденсаторы K78-39: см приложение)
  http://www.kvar.su/produkciya/25-nizkogo-napraygeniya-vbi (конденсаторы УК: см приложение)
• Примеры других нагрузок – см. приложения ниже.

Мощностные характеристики нагрузки можно точно задать одним единственным параметром (активная мощность в Вт) только для случая постоянного тока, так как в цепи постоянного тока существует единственный тип сопротивления – активное сопротивление.

Мощностные характеристики нагрузки для случая переменного тока невозможно точно задать одним единственным параметром, так как в цепи переменного тока существует два разных типа сопротивления – активное и реактивное. Поэтому только два параметра: активная мощность и реактивная мощность точно характеризуют нагрузку.

Принцип действия активного и реактивного сопротивлений совершенно различный. Активное сопротивление – необратимо преобразует электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, световую и т.д.) – примеры: лампа накаливания, электронагреватель (параграф 39, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).

Реактивное сопротивление – попеременно накапливает энергию затем выдаёт её обратно в сеть – примеры: конденсатор, катушка индуктивности (параграф 40,41, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).

Дальше в любом учебнике по электротехнике Вы можете прочитать, что активная мощность (рассеиваемая на активном сопротивлении) измеряется в ваттах, а реактивная мощность (циркулирующая через реактивное сопротивление) измеряется в варах; так же для характеристики мощности нагрузки используют ещё два параметра: полную мощность и коэффициент мощности. Все эти 4 параметра:

1. Активная мощность: обозначение P , единица измерения: Ватт
2. Реактивная мощность: обозначение Q , единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)
3. Полная мощность: обозначение S , единица измерения: ВА (Вольт Ампер)
4. Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ , единица измерения: безразмерная величина

Эти параметры связаны соотношениями: S*S=P*P+Q*Q, cosФ=k=P/S

Также cosФ называется коэффициентом мощности (Power Factor – PF )

Поэтому в электротехнике для характеристики мощности задаются любые два из этих параметров так как остальные могут быть найдены из этих двух.

Например, электромоторы, лампы (разрядные) – в тех. данных указаны P[кВт] и cosФ:
http://www.mez.by/dvigatel/air_table2.shtml (двигатели АИР: см. приложение)
http://www.mscom.ru/katalog.php?num=38 (лампы ДРЛ: см. приложение)
(примеры технических данных разных нагрузок см. приложение ниже)

То же самое и с источниками питания. Их мощность (нагрузочная способность) характеризуется одним параметром для источников питания постоянного тока – активная мощность (Вт), и двумя параметрами для ист. питания переменного тока. Обычно этими двумя параметрами являются полная мощность (ВА) и активная (Вт). См. например параметры ДГУ и ИБП.

Большинство офисной и бытовой техники, активные (реактивное сопротивление отсутствует или мало), поэтому их мощность указывается в Ваттах. В этом случае при расчёте нагрузки используется значение мощности ИБП в Ваттах. Если нагрузкой являются компьютеры с блоками питания (БП) без коррекции входного коэффициента мощности (APFC), лазерный принтер, холодильник, кондиционер, электромотор (например погружной насос или мотор в составе станка), люминисцентные балластные лампы и др. – при расчёте используются все вых. данные ибп: кВА, кВт, перегрузочные характеристики и др.

См. учебники по электротехнике, например:

1. Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. – М.: Издательский центр “Академия”, 2004.

2. Немцов М. В. Электротехника и электроника. – М.: Издательский центр “Академия”, 2007.

3. Частоедов Л. А. Электротехника. – М.: Высшая школа, 1989.

Так же см. AC power, Power factor, Electrical resistance, Reactance http://en.wikipedia.org
(перевод: http://electron287.narod.ru/pages/page1.html)

Приложение

Пример 1: мощность трансформаторов и автотрансформаторов указывается в ВА (Вольт·Амперах)

http://metz.by/download_files/catalog/transform/tsgl__tszgl__tszglf.pdf (трансформаторы ТСГЛ)

		АОСН-2-220-82
	Латр 1.25	АОСН-4-220-82
	Латр 2.5	АОСН-8-220-82
		АОСН-20-220
		АОМН-40-220

http://www.gstransformers.com/products/voltage-regulators.html (ЛАТР / лабораторные автотрансформаторы TDGC2)

Пример 2: мощность конденсаторов указывается в Варах (Вольт·Амперах реактивных)

http://www.elcod.spb.ru/catalog/k78-39.pdf (конденсаторы K78-39)

http://www.kvar.su/produkciya/25-nizkogo-napraygeniya-vbi (конденсаторы УК)

Пример 3: технические данные электромоторов содержат активную мощность (кВт) и cosФ

Для таких нагрузок как электромоторы, лампы (разрядные), компьютерные блоки питания, комбинированные нагрузки и др. – в технических данных указаны P [кВт] и cosФ (активная мощность и коэффициент мощности) или S [кВА] и cosФ (полная мощность и коэффициент мощности).

http://www.weiku.com/products/10359463/Stainless_Steel_cutting_machine.html
(комбинированная нагрузка – станок плазменной резки стали / Inverter Plasma cutter LGK160 (IGBT)

http://www.silverstonetek.com.tw/product.php?pid=365&area=en (блок питания ПК)

Дополнение 1

Если нагрузка имеет высокий коэффициент мощности (0.8 … 1.0), то её свойства приближаются к активной нагрузке. Такая нагрузка является идеальной как для сетевой линии, так и для источников электроэнергии, т.к. не порождает реактивных токов и мощностей в системе.

Поэтому во многих странах приняты стандарты нормирующие коэффициент мощности оборудования.

Дополнение 2

Оборудование однонагрузочное (например, БП ПК) и многосоставное комбинированное (например, фрезерный промышленный станок, имеющий в составе несколько моторов, ПК, освещение и др.) имеют низкие коэффициенты мощности (менее 0.8) внутренних агрегатов (например, выпрямитель БП ПК или электромотор имеют коэффициент мощности 0.6 .. 0.8). Поэтому в настоящее время большинство оборудования имеет входной блок корректора коэффициента мощности. В этом случае входной коэффициент мощности равен 0.9 … 1.0, что соответствует нормативным стандартам.

Дополнение 3. Важное замечание относительно коэффициента мощности ИБП и стабилизаторов напряжения

Нагрузочная способность ИБП и ДГУ нормирована на стандартную промышленную нагрузку (коэффициент мощности 0.8 с индуктивным характером). Например, ИБП 100 кВА / 80 кВт. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 80 кВт, или смешанную (активно-реактивную) нагрузку максимальной мощности 100 кВА с индуктивным коэффициентом мощности 0.8.

В стабилизаторах напряжения дело обстоит иначе. Для стабилизатора коэффициент мощности нагрузки безразличен. Например, стабилизатор напряжения 100 кВА. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 100 кВт, или любую другую (чисто активную, чисто реактивную, смешанную) мощностью 100 кВА или 100 кВАр с любым коэффициентом мощности емкостного или индуктивного характера. Обратите внимание, что это справедливо для линейной нагрузки (без высших гармоник тока). При больших гармонических искажениях тока нагрузки (высокий КНИ) выходная мощность стабилизатора снижается.

Дополнение 4

Наглядные примеры чистой активной и чистой реактивных нагрузок:

• К сети переменного тока 220 VAC подключена лампа накаливания 100 Вт – везде в цепи есть ток проводимости (через проводники проводов и вольфрамовый волосок лампы). Характеристики нагрузки (лампы): мощность S=P~=100 ВА=100 Вт, PF=1 => вся электрическая мощность активная, а значит она целиком поглащается в лампе и превращается в мощность тепла и света.
• К сети переменного тока 220 VAC подключен неполярный конденсатор 7 мкФ – в цепи проводов есть ток проводимости, внутри конденсатора идёт ток смещения (через диэлектрик). Характеристики нагрузки (конденсатора): мощность S=Q~=100 ВА=100 ВАр, PF=0 => вся электрическая мощность реактивная, а значит она постоянно циркулирует от источника к нагрузке и обратно, опять к нагрузке и т.д.

Дополнение 5

Для обозначения преобладающего реактивного сопротивления (индуктивного либо ёмкостного) коэффициенту мощности приписывается знак:

+ (плюс) – если суммарное реактивное сопротивление является индуктивным (пример: PF=+0.5). Фаза тока отстаёт от фазы напряжения на угол Ф.

– (минус) – если суммарное реактивное сопротивление является ёмкостным (пример: PF=-0,5). Фаза тока опережает фазу напряжения на угол Ф.

Дополнение 6

Дополнительные вопросы

Вопрос 1:
Почему во всех учебниках электротехники при расчете цепей переменного тока используют мнимые числа / величины (например, реактивная мощность, реактивное сопротивление и др.), которые не существуют в реальности?

Ответ:
Да, все отдельные величины в окружающем мире – действительные. В том числе температура, реактивное сопротивление, и т.д. Использование мнимых (комплексных) чисел – это только математический приём, облегчающий вычисления. В результате вычисления получается обязательно действительное число. Пример: реактивная мощность нагрузки (конденсатора) 20кВАр – это реальный поток энергии, то есть реальные Ватты, циркулирующие в цепи источник–нагрузка. Но что бы отличить эти Ватты от Ваттов, безвозвратно поглащаемых нагрузкой, эти «циркулирующие Ватты» решили называть Вольт·Амперами реактивными .

Замечание:
Раньше в физике использовались только одиночные величины и при расчете все математические величины соответствовали реальным величинам окружающего мира. Например, расстояние равно скорость умножить на время (S=v*t). Затем с развитием физики, то есть по мере изучения более сложных объектов (свет, волны, переменный электрический ток, атом, космос и др.) появилось такое большое количество физических величин, что рассчитывать каждую в отдельности стало невозможно. Это проблема не только ручного вычисления, но и проблема составления программ для ЭВМ. Для решения данное задачи близкие одиночные величины стали объединять в более сложные (включающие 2 и более одиночных величин), подчиняющиеся известным в математике законам преобразования. Так появились скалярные (одиночные) величины (температура и др.), векторные и комплексные сдвоенные (импеданс и др.), векторные строенные (вектор магнитного поля и др.), и более сложные величины – матрицы и тензоры (тензор диэлектрической проницаемости, тензор Риччи и др.). Для упрощения рассчетов в электротехнике используются следующие мнимые (комплексные) сдвоенные величины:

1. Полное сопротивление (импеданс) Z=R+iX
2. Полная мощность S=P+iQ
3. Диэлектрическая проницаемость e=e”+ie”
4. Магнитная проницаемость m=m”+im”
5. и др.

Вопрос 2:

На странице http://en.wikipedia.org/wiki/Ac_power показаны S P Q Ф на комплексной, то есть мнимой / несуществующей плоскости. Какое отношение это все имеет к реальности?

Ответ:
Проводить расчеты с реальными синусоидами сложно, поэтому для упрощения вычислений используют векторное (комплексное) представление как на рис. выше. Но это не значит, что показанные на рисунке S P Q не имеют отношения к реальности. Реальные величины S P Q могут быть представлены в обычном виде, на основе измерений синусоидальных сигналов осциллографом. Величины S P Q Ф I U в цепи переменного тока «источник-нагрузка» зависят от нагрузки. Ниже показан пример реальных синусоидальных сигналов S P Q и Ф для случая нагрузки состоящей из последовательно соединённых активного и реактивного (индуктивного) сопротивлений.

Вопрос 3:
Обычными токовыми клещами и мультиметром измерен ток нагрузки 10 A, и напряжение на нагрузке 225 В. Перемножаем и получаем мощность нагрузки в Вт: 10 A · 225В = 2250 Вт.

Ответ:
Вы получили (рассчитали) полную мощность нагрузки 2250 ВА. Поэтому ваш ответ будет справедлив только, если ваша нагрузка чисто активная, тогда действительно Вольт·Ампер равен Ватту. Для всех других типов нагрузок (например электромотор) – нет. Для измерения всех характеристик любой произвольной нагрузки необходимо использовать анализатор сети, например APPA137:

См. дополнительную литературу, например:

Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. – М.: Издательский центр “Академия”, 2004.

Немцов М. В. Электротехника и электроника. – М.: Издательский центр “Академия”, 2007.

Частоедов Л. А. Электротехника. – М.: Высшая школа, 1989.

AC power, Power factor, Electrical resistance, Reactance
http://en.wikipedia.org (перевод: http://electron287.narod.ru/pages/page1.html)

Теория и расчёт трансформаторов малой мощности Ю.Н.Стародубцев / РадиоСофт Москва 2005 г. / rev d25d5r4feb2013

Мощности в цепях переменного тока

Мощности в цепях переменного тока

Категория:

Сварка металлов

Мощности в цепях переменного тока

В электрических цепях переменного тока с реактивными сопротивлениями различают три вида мощности: полную, активную и реактивную. Полная мощность электроустановки переменного тока состоит из мощности, расходуемой в активном сопротивлении и реактивной части мощности (геометрическая сумма).

Размеры электроустановок переменного тока (генераторы, трансформаторы, электродвигатели) определяются полной мощностью, на которую они рассчитаны. Это связано с тем, что толщина изоляции этих устройств рассчитывается на определенное номинальное напряжение, а сечение проводов обмоток их — на определенный номинальный ток. Номинальными величинами отдельно ограничиваются напряжение и ток, причем эти ограничения не зависят от сдвига по фазе между напряжением и током.

Единицами полной мощности служат вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВА). На табличках генераторов и трансформаторов указывается полная мощность. На табличках электродвигателей указывается активная (полезная) мощность, которую они могут развить. Полную мощность электродвигателя, которую он потребляет от электрической сети, можно определить расчетным способом, Полная мощность цепи переменного тока определяется произведением напряжения на ток.

Рис. 1. Емкость в цепи переменного гока

Реактивная часть полной мощности обусловлена колебаниями энергии при возникновении и исчезновении магнитных и электрических полей. В электрической цепи переменного тока с реактивными сопротивлениями происходит «перекачивание» энергии от источника к реактивным сопротивлениям и обратно. Реактивные токи, протекающие между источником (генератором) и реактивными приемниками, бесполезно загружают генератор, трансформаторные подстанции, линии передачи и этим вызывают дополнительные потери энергии.

Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных и киловольт-амперах реактивных.

Реклама:

Читать далее:

Коэффициент мощности

Статьи по теме:

ТОПОЛОГИЯ ЦЕПЕЙ И ЗАКОНЫ – Прикладное промышленное электричество

На этой странице мы изложим три принципа, которые вы должны понимать в отношении последовательных цепей:

Ток : величина тока одинакова для любого компонента в последовательной цепи.

Сопротивление : Общее сопротивление любой последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений.

Напряжение : Напряжение питания в последовательной цепи равно сумме индивидуальных падений напряжения.

Давайте взглянем на несколько примеров последовательных цепей, демонстрирующих эти принципы. Начнем с последовательной схемы, состоящей из трех резисторов и одной батареи:

Рисунок 3.1

Первый принцип, который нужно понять о последовательных схемах, заключается в следующем:

Величина тока в последовательной цепи одинакова для любого компонента в цепи.

Общий ток серии

[латекс] \ tag {3.1} I_ {Total} = I_1 = I_2 = … = I_n [/ latex]

Это связано с тем, что в последовательной цепи существует только один путь прохождения тока.Поскольку электрический заряд проходит через проводники, как шарики в трубке, скорость потока (скорость мрамора) в любой точке цепи (трубки) в любой конкретный момент времени должна быть одинаковой.

По расположению 9-вольтовой батареи мы можем сказать, что ток в этой цепи будет течь по часовой стрелке, от точки 1 к 2 до 3 к 4 и обратно к 1. Однако у нас есть один источник напряжения. и три сопротивления. Как мы можем использовать здесь закон Ома?

Важная оговорка к закону Ома заключается в том, что все величины (напряжение, ток, сопротивление и мощность) должны относиться друг к другу в терминах одних и тех же двух точек в цепи.Мы можем увидеть эту концепцию в действии на примере схемы с одним резистором ниже.

Использование закона Ома в простой цепи с одним резистором

В схеме с одной батареей и одним резистором мы можем легко вычислить любое количество, потому что все они относятся к одним и тем же двум точкам в цепи:

[латекс] I \: = \ frac {E} {R} [/ латекс]

[латекс] I \: = \ frac {9V} {3k \ Omega} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I = 3 мА} [/ латекс]

Поскольку точки 1 и 2 соединены вместе проводом с незначительным сопротивлением, как и точки 3 и 4, мы можем сказать, что точка 1 электрически является общей с точкой 2, а точка 3 электрически общей с точкой 4.Поскольку мы знаем, что между точками 1 и 4 (непосредственно через батарею) есть электродвижущая сила 9 В, и поскольку точка 2 является общей для точки 1, а точка 3 – общей для точки 4, мы также должны иметь 9 В между точками 2. и 3 (прямо через резистор).

Следовательно, мы можем применить закон Ома ( I = E / R) к току через резистор, потому что мы знаем напряжение (E) на резисторе и сопротивление (R) этого резистора. Все термины (E, I, R) относятся к одним и тем же двум точкам в цепи, к одному и тому же резистору, поэтому мы можем безоговорочно использовать формулу закона Ома.

Использование закона Ома в схемах с несколькими резисторами

В схемах, содержащих более одного резистора, мы должны соблюдать осторожность при применении закона Ома. В приведенном ниже примере схемы с тремя резисторами мы знаем, что у нас есть 9 вольт между точками 1 и 4, что является величиной электродвижущей силы, управляющей током через последовательную комбинацию R ₁ , R ₂ и R _{. 3} . Однако мы не можем взять значение 9 вольт и разделить его на 3 кОм, 10 кОм или 5 кОм, чтобы попытаться найти значение тока, потому что мы не знаем, какое напряжение есть на любом из этих резисторов по отдельности.

Цифра 9 вольт – это общих величин для всей цепи, тогда как цифры 3 кОм, 10 кОм и 5 кОм представляют собой отдельных величин для отдельных резисторов. Если бы мы включили цифру для общего напряжения в уравнение закона Ома с цифрой для отдельного сопротивления, результат не будет точно соответствовать какой-либо величине в реальной цепи.

Для R ₁ закон Ома будет связывать величину напряжения на R ₁ с током через R ₁ , учитывая сопротивление R ₁ , 3 кОм:

[латекс] I_ {R1} \: = \ frac {E_ {R1}} {R_1} [/ latex] или [латекс] E_ {R1} = I_ {R1} {(R_1)} [/ latex]

Но, поскольку нам неизвестно напряжение на R ₁ (только полное напряжение, подаваемое батареей на комбинацию из трех последовательных резисторов), и мы не знаем ток через R ₁ , мы можем ‘ t делать какие-либо расчеты по любой из формул.То же самое касается R ₂ и R ₃ : мы можем применять уравнения закона Ома тогда и только тогда, когда все члены представляют свои соответствующие величины между одними и теми же двумя точками в цепи.

Итак, что мы можем сделать? Нам известно напряжение источника (9 вольт), приложенное к последовательной комбинации R ₁ , R ₂ и R ₃ , и мы знаем сопротивление каждого резистора, но поскольку эти величины не входят в В том же контексте мы не можем использовать закон Ома для определения тока в цепи.Если бы мы только знали, какое общее сопротивление составляет для цепи: тогда мы могли бы вычислить общий ток с нашим значением для общего напряжения ( I = E / R ).

Объединение нескольких резисторов в эквивалентный общий резистор

Это подводит нас ко второму принципу последовательной схемы:

Общее сопротивление любой последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений.

[латекс] \ tag {3.2} R_ {total} = R_1 + R_2 + … + R_n [/ латекс]

Это должно иметь интуитивный смысл: чем больше последовательно подключенных резисторов, через которые должен протекать ток, тем труднее будет протекать ток.

В примере задачи у нас были последовательно подключены резисторы 3 кОм, 10 кОм и 5 кОм, что дало нам общее сопротивление 18 кОм:

[латекс] R_ {total} = R_1 + R_2 + R_3 [/ латекс]

[латекс] R_ {total} = 3 \ text {k} \ Omega + 10 \ text {k} \ Omega + 5 \ text {k} \ Omega [/ latex]

[латекс] \ pmb {R_ {total} = 18 \ text {k} \ Omega} [/ latex]

По сути, мы вычислили эквивалентное сопротивление для R ₁ , R ₂ и R ₃ вместе взятых.Зная это, мы могли бы перерисовать схему с одним эквивалентным резистором, представляющим последовательную комбинацию R ₁ , R ₂ и R ₃ :

.

Расчет тока цепи по закону Ома

Теперь у нас есть вся необходимая информация для расчета тока цепи, потому что у нас есть напряжение между точками 1 и 4 (9 вольт) и сопротивление между точками 1 и 4 (18 кОм):

[латекс] I_ {total} \: = \ frac {E_ {total}} {R_ {total}} [/ латекс]

[латекс] \: = \ frac {9V} {18k \ Omega} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I_ {total} = 500 мкА} [/ латекс]

Расчет напряжений компонентов по закону Ома

Зная, что ток одинаков во всех компонентах последовательной цепи (и мы только что определили ток через батарею), мы можем вернуться к нашей исходной принципиальной схеме и отметить ток через каждый компонент:

Теперь, когда мы знаем величину тока, протекающего через каждый резистор, мы можем использовать закон Ома для определения падения напряжения на каждом из них (применяя закон Ома в его надлежащем контексте):

[латекс] E_ {R1} = I_ {R1} {R_1} [/ латекс]

[латекс] = (500 мкА) {(3кОм)} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {E_ {R1} = 1.5V} [/ латекс]

[латекс] E_ {R2} = I_ {R2} {R_2} [/ латекс]

[латекс] = (500 мкА) {(10 кОм)} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {E_ {R2} = 5V} [/ латекс]

[латекс] E_ {R3} = I_ {R3} {R_3} [/ латекс]

[латекс] = (500 мкА) {(5 кОм)} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {E_ {R3} = 2.5V} [/ латекс]

Обратите внимание на падение напряжения на каждом резисторе, и как сумма падений напряжения (1,5 + 5 + 2,5) равна напряжению батареи (источника питания): 9 вольт.

Это третий принцип последовательных цепей:

Напряжение питания в последовательной цепи равно сумме отдельных падений напряжения.

Общее последовательное напряжение

[латекс] E_ {total} = E_1 + E_2 + … E_n \ tag {3.3} [/ latex]

Анализ схем простых последовательностей с помощью «табличного метода» и закона Ома

Однако метод, который мы только что использовали для анализа этой простой последовательной схемы, можно упростить для лучшего понимания.Используя таблицу для перечисления всех напряжений, токов и сопротивлений в цепи, становится очень легко увидеть, какие из этих величин могут быть правильно связаны в любом уравнении закона Ома:

Таблица 3.1

Правило для такой таблицы – применять закон Ома только к значениям в каждом вертикальном столбце. Например, E _R1 только с I _R1 и R ₁ ; E _R2 только с I _R2 и R ₂ ; и т.д. Вы начинаете свой анализ с заполнения тех элементов таблицы, которые даны вам с самого начала:

Таблица 3.2

Как видно из расположения данных, мы не можем подать 9 вольт ET (полное напряжение) ни на одно из сопротивлений (R ₁ , R ₂ или R ₃ ) в любая формула закона Ома, потому что они находятся в разных столбцах. Напряжение батареи 9 В составляет , а не , приложенное непосредственно к R ₁ , R ₂ или R ₃ . Однако мы можем использовать наши «правила» для последовательных цепей, чтобы заполнить пустые места в горизонтальном ряду. В этом случае мы можем использовать правило ряда сопротивлений для определения общего сопротивления из суммы отдельных сопротивлений:

Таблица 3.3

Теперь, введя значение общего сопротивления в крайний правый столбец («Всего»), мы можем применить закон Ома I = E / R к общему напряжению и общему сопротивлению, чтобы получить общий ток 500 мкА. :

Таблица 3.4

Затем, зная, что ток распределяется поровну между всеми компонентами последовательной цепи (еще одно «правило» последовательной схемы), мы можем заполнить токи для каждого резистора из только что рассчитанного значения тока:

Таблица 3.5.

Наконец, мы можем использовать закон Ома для определения падения напряжения на каждом резисторе, по столбцу за раз:

Таблица 3.6

Таким образом, последовательная цепь определяется как имеющая только один путь, по которому может течь ток. Из этого определения следуют три правила последовательных цепей: все компоненты имеют одинаковый ток; сопротивления складываются, чтобы равняться большему общему сопротивлению; а падение напряжения в сумме дает большее общее напряжение. Все эти правила находят корень в определении последовательной цепи. Если вы полностью понимаете это определение, то правила – не что иное, как сноски к определению.

• Компоненты в последовательной цепи имеют одинаковый ток:

[латекс] I_ {Всего} = I_1 = I_2 = I_3 =… = I_n [/ latex]

• Общее сопротивление в последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений:

[латекс] R_ {Всего} = R_1 + R_2 + … + R_n [/ латекс]

• Общее напряжение в последовательной цепи равно сумме отдельных падений напряжения:

[латекс] E_ {Всего} = E_1 + E_2 + … + E_n [/ латекс]

В этом разделе мы изложим три принципа, которые вы должны понимать в отношении параллельных цепей:

Напряжение: Напряжение одинаково на всех компонентах параллельной цепи.

Ток: Полный ток цепи равен сумме токов отдельных ветвей.

Сопротивление: Отдельные сопротивления уменьшают , чтобы равняться меньшему общему сопротивлению, вместо прибавляют , чтобы получить общее.

Давайте взглянем на несколько примеров параллельных цепей, демонстрирующих эти принципы.

Начнем с параллельной схемы, состоящей из трех резисторов и одной батареи:

Рисунок 3.5

Напряжение в параллельных цепях

Первый принцип для понимания параллельных цепей заключается в том, что напряжение одинаково на всех компонентах в цепи . Это связано с тем, что в параллельной цепи есть только два набора электрически общих точек, и напряжение, измеренное между наборами общих точек, всегда должно быть одинаковым в любой момент времени.

[латекс] E_ {Total} = E_1 = E_2 = … = E_n \ tag {3.4} [/ latex]

Следовательно, в приведенной выше схеме напряжение на R ₁ равно напряжению на R ₂ , которое равно напряжению на R ₃ , которое равно напряжению на батарее.

Это равенство напряжений можно представить в другой таблице для наших начальных значений:

Таблица 3.7 Применение закона Ома

для простых параллельных цепей

Как и в случае с последовательными цепями, применимо то же предостережение для закона Ома: значения напряжения, тока и сопротивления должны быть в одном контексте, чтобы вычисления работали правильно.

Однако в приведенном выше примере схемы мы можем немедленно применить закон Ома к каждому резистору, чтобы найти его ток, потому что мы знаем напряжение на каждом резисторе (9 вольт) и сопротивление каждого резистора:

[латекс] I_ {R1} \: = \ frac {E_ {R1}} {R_1} [/ латекс]

[латекс] \: = \ frac {(9V)} {(10kΩ)} [/ latex]

[латекс] \ pmb {I_ {R1} \: = 0.9mA} [/ латекс]

[латекс] I_ {R2} \: = \ frac {E_ {R2}} {R_2} [/ латекс]

[латекс] \: = \ frac {(9V)} {(2kΩ)} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I_ {R2} \: = 4,5 мА} [/ латекс]

[латекс] I_ {R3} \: = \ frac {E_ {R3}} {R_3} [/ латекс]

[латекс] \: = \ frac {(9V)} {(1kΩ)} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I_ {R3} = 9mA} [/ латекс]

Таблица 3.8

На данный момент мы все еще не знаем, каков полный ток или полное сопротивление для этой параллельной цепи, поэтому мы не можем применить закон Ома к крайнему правому столбцу («Всего»). Однако, если мы внимательно подумаем о том, что происходит, должно стать очевидным, что общий ток должен равняться сумме всех токов отдельных резисторов («ответвлений»):

Рис. 3.6

По мере того, как полный ток выходит из положительного (+) вывода аккумуляторной батареи в точке 1 и проходит по цепи, часть потока разделяется в точке 2, чтобы пройти через R ₁ , еще часть разделяется в точке 3, чтобы уйти. через ₂ рандов, а оставшаяся часть идет через ₃ рандов.Подобно реке, разветвляющейся на несколько более мелких ручьев, общий расход всех потоков должен равняться расходу всей реки.

То же самое происходит, когда токи через R ₁ , R ₂ и R ₃ соединяются, чтобы течь обратно к отрицательной клемме батареи (-) в направлении точки 8: ток из точки 7 до точки 8 должно равняться сумме токов (ответвлений) через R ₁ , R ₂ и R ₃ .

Это второй принцип параллельных цепей: общий ток цепи равен сумме токов отдельных ветвей .

Используя этот принцип, мы можем заполнить место ИТ на нашем столе суммой I _R1 , I _R2 и I _R3 :

Таблица 3.9

Как рассчитать полное сопротивление в параллельных цепях

Наконец, применив закон Ома к крайнему правому столбцу («Общее»), мы можем вычислить полное сопротивление цепи:

Таблица 3.10

Уравнение сопротивления в параллельных цепях

Обратите внимание на кое-что очень важное.Общее сопротивление цепи составляет всего 625 Ом: на меньше , чем у любого из отдельных резисторов. В последовательной цепи, где полное сопротивление было суммой отдельных сопротивлений, общее сопротивление должно было быть на больше , чем у любого из резисторов по отдельности.

Здесь, в параллельной цепи, наоборот: мы говорим, что отдельных сопротивлений уменьшаются на , а не на , прибавляем , чтобы получилось .

Этот принцип завершает нашу триаду «правил» для параллельных цепей, точно так же, как было обнаружено, что у последовательных цепей есть три правила для напряжения, тока и сопротивления.

Математически соотношение между общим сопротивлением и отдельными сопротивлениями в параллельной цепи выглядит следующим образом:

Уравнение сопротивления в параллельных цепях

[латекс] R_ {total} = \ frac {1} {\ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} + … + \ frac {1} {R_n}} \ tag {3.5 } [/ латекс]

Три правила параллельных цепей

Таким образом, параллельная цепь определяется как цепь, в которой все компоненты подключены между одним и тем же набором электрически общих точек.Другими словами, все компоненты подключены друг к другу через клеммы.

Из этого определения следуют три правила параллельных цепей:

Все компоненты имеют одинаковое напряжение.

Сопротивления уменьшаются до меньшего общего сопротивления.

Токи ответвления в сумме равняются большему общему току.

Как и в случае с последовательными цепями, все эти правила находят корень в определении параллельной цепи. Если вы полностью понимаете это определение, то правила – не что иное, как сноски к определению.

• Компоненты в параллельной цепи имеют одинаковое напряжение:

[латекс] E_ {Всего} = E_1 = E_2 = … = E_n [/ латекс]

• Общее сопротивление в параллельной цепи на меньше , чем любое из отдельных сопротивлений:

[латекс] R_ {Total} = \ frac {1} {\ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} + … + \ frac {1} {R_n}} [/ латекс]

• Полный ток в параллельной цепи равен сумме токов отдельных ответвлений:

[латекс] I_ {Всего} = I_1 + I_2 +.2R} [/ латекс]

Этим легко управлять, добавив еще одну строку в нашу знакомую таблицу напряжений, токов и сопротивлений:

Таблица 3.11 Мощность

для любого конкретного столбца таблицы может быть найдена с помощью соответствующего уравнения закона Ома ( соответствует на основе цифр, представленных для E, I и R в этом столбце).

Интересное правило для общей мощности по сравнению с индивидуальной мощностью состоит в том, что оно является аддитивным для любой конфигурации цепи : последовательной, параллельной, последовательной / параллельной или другой.Мощность – это мера скорости работы, и поскольку рассеиваемая мощность должна равняться полной мощности, подаваемой источником (источниками) (в соответствии с Законом сохранения энергии в физике), конфигурация схемы не влияет на математику.

• Мощность добавляется в любая конфигурация резистивной цепи:

[латекс] P_ {Всего} = P_1 + P_2 + … + P_n [/ латекс]

Напоминания при использовании закона Ома

Одна из наиболее распространенных ошибок, которые делают начинающие студенты-электронщики при применении законов Ома, – это смешивание контекстов напряжения, тока и сопротивления.Другими словами, ученик может ошибочно использовать значение I (ток) через один резистор и значение E (напряжение) через набор соединенных между собой резисторов, полагая, что они придут к сопротивлению этого резистора.

Не так! Помните это важное правило: переменные, используемые в уравнениях закона Ома, должны быть , общими для одних и тех же двух точек в рассматриваемой цепи. Я не могу переоценить это правило. Это особенно важно в последовательно-параллельных комбинированных схемах, где соседние компоненты могут иметь разные значения как для тока падения напряжения , так и для тока .

При использовании закона Ома для вычисления переменной, относящейся к отдельному компоненту, убедитесь, что напряжение, на которое вы ссылаетесь, относится только к этому единственному компоненту, а ток, на который вы ссылаетесь, проходит исключительно через этот единственный компонент, а сопротивление, на которое вы ссылаетесь, равно исключительно для этого единственного компонента. Аналогичным образом, при вычислении переменной, относящейся к набору компонентов в цепи, убедитесь, что значения напряжения, тока и сопротивления относятся только к этому полному набору компонентов!

Хороший способ запомнить это – обратить пристальное внимание на две точки , , завершающие анализируемый компонент или набор компонентов, убедившись, что напряжение, о котором идет речь, проходит через эти две точки, что рассматриваемый ток является потоком электрический заряд от одной из этих точек до другой точки, что рассматриваемое сопротивление эквивалентно одному резистору между этими двумя точками, и что рассматриваемая мощность – это полная мощность, рассеиваемая всеми компонентами между этими двумя точками .

Примечания к «табличному» методу анализа цепей

«Табличный» метод, представленный как для последовательных, так и для параллельных цепей в этой главе, является хорошим способом сохранить контекст закона Ома правильным для любой конфигурации цепи. В таблице, подобной приведенной ниже, вам разрешено применять уравнение закона Ома только для значений одного вертикального столбца за раз:

Таблица 3.12

Получение значений по горизонтали по столбцам допустимо в соответствии с принципами последовательных и параллельных цепей:

Таблица 3.13

Таблица 3.14

«Табличный» метод не только упрощает управление всеми соответствующими величинами, но также облегчает перекрестную проверку ответов, упрощая поиск исходных неизвестных переменных другими методами или работая в обратном направлении для определения исходных данные значения из ваших решений. Например, если вы только что решили для всех неизвестных напряжений, токов и сопротивлений в цепи, вы можете проверить свою работу, добавив внизу строку для расчета мощности на каждом резисторе, чтобы посмотреть, добавляются ли все отдельные значения мощности. до полной мощности.Если нет, значит, вы где-то ошиблись! Хотя в этой технике «перекрестной проверки» вашей работы нет ничего нового, использование таблицы для упорядочивания всех данных для перекрестной проверки (-ий) приводит к минимуму путаницы.

• Примените закон Ома к вертикальным столбцам таблицы.
• Примените правила последовательного / параллельного горизонтального ряда в таблице.
• Проверьте свои расчеты, работая «в обратном направлении», чтобы попытаться прийти к первоначально заданным значениям (из ваших первых рассчитанных ответов), или путем решения для количества с использованием более чем одного метода (из разных заданных значений).

Что такое Закон Кирхгофа о напряжении (KVL)?

Принцип, известный как Закон напряжения Кирхгофа (открытый в 1847 году немецким физиком Густавом Р. Кирхгофом), можно сформулировать так:

«Алгебраическая сумма всех напряжений в контуре должна равняться нулю»

[латекс] E_ {T} = E_1 + E_2 + … + E_n = 0 [/ латекс]

Под алгебраическим я подразумеваю учет знаков (полярностей), а также величин.Под петлей я подразумеваю любой путь, прослеживаемый от одной точки в цепи до других точек в этой цепи и, наконец, обратно в исходную точку.

Демонстрация закона напряжения Кирхгофа в последовательной цепи

Давайте еще раз посмотрим на нашу примерную последовательную схему, на этот раз пронумеровав точки в цепи для опорного напряжения:

Рис. 3.7.

Если бы мы подключили вольтметр между точками 2 и 1, красный измерительный провод к точке 2 и черный измерительный провод к точке 1, измеритель зарегистрировал бы +45 вольт.Обычно знак «+» не отображается, а скорее подразумевается для положительных показаний на дисплеях цифровых счетчиков. Однако для этого урока очень важна полярность показаний напряжения, поэтому я буду явно показывать положительные числа: E _2-1 = + 45V

Когда напряжение указано с двойным нижним индексом (символы «2-1» в обозначении «E _2-1 »), это означает напряжение в первой точке (2), измеренное относительно второй точки. (1). Напряжение, указанное как «E _cd », будет означать напряжение, указанное цифровым измерителем с красным измерительным проводом в точке «c» и черным измерительным проводом в точке «d»: напряжение на «c» относительно «D».

Рис. 3.8.

Если бы мы взяли тот же вольтметр и измерили падение напряжения на каждом резисторе, обходя цепь по часовой стрелке с красным измерительным проводом нашего измерителя на точке впереди и черным измерительным проводом на точке сзади, получим следующие показания:

[латекс] E_ {3-2} = -10V [/ латекс]

[латекс] E_ {4-3} = -20 В [/ латекс]

[латекс] E_ {1-4} = -15 В [/ латекс]

Рис. 3.9

Мы уже должны быть знакомы с общим принципом для последовательных цепей, согласно которому отдельные падения напряжения в сумме составляют общее приложенное напряжение, но при измерении падений напряжения таким образом и обращении внимания на полярность (математический знак) показаний обнаруживается другое. аспект этого принципа: все измеренные напряжения в сумме равны нулю:

В приведенном выше примере петля образована следующими точками в следующем порядке: 1-2-3-4-1.Не имеет значения, с какой точки мы начинаем или в каком направлении идем, отслеживая петлю; сумма напряжений по-прежнему будет равна нулю. Чтобы продемонстрировать это, мы можем подсчитать напряжения в контуре 3-2-1-4-3 той же цепи:

Это может иметь больше смысла, если мы перерисуем наш пример последовательной схемы так, чтобы все компоненты были представлены в виде прямой линии:

Рисунок 3.10

Это все та же последовательная схема, только компоненты расположены в другой форме.Обратите внимание на полярность падения напряжения на резисторе по отношению к батарее: напряжение батареи отрицательное слева и положительное справа, тогда как все падения напряжения на резисторе ориентированы в другую сторону: положительное слева и отрицательное справа. Это потому, что резисторы сопротивляются потоку электрического заряда, проталкиваемого батареей. Другими словами, «толчок», оказываемый резисторами против потока электрического заряда , должен быть в направлении, противоположном источнику электродвижущей силы.

Здесь мы видим, что цифровой вольтметр покажет на каждом компоненте в этой цепи, черный провод слева и красный провод справа, как показано горизонтально:

Рисунок 3.11

Если бы мы взяли тот же вольтметр и измерили напряжение между комбинациями компонентов, начиная с единственного R ₁ слева и продвигаясь по всей цепочке компонентов, мы увидим, как напряжения складываются алгебраически (до нуля):

Рисунок 3.12

Тот факт, что последовательные напряжения складываются, не должен быть загадкой, но мы заметили, что полярность этих напряжений сильно влияет на то, как складываются цифры. При считывании напряжения на R ₁ —R ₂ и R ₁ —R ₂ —R ₃ (я использую символ «двойное тире» «-» для обозначения серии соединение между резисторами R ₁ , R ₂ и R ₃ ), мы видим, как напряжения измеряют последовательно большие (хотя и отрицательные) величины, потому что полярности отдельных падений напряжения имеют одинаковую ориентацию (положительный левый , отрицательный справа).Сумма падений напряжения на R ₁ , R ₂ и R ₃ равна 45 вольт, что соответствует выходу батареи, за исключением того, что полярность батареи противоположна падению напряжения на резисторе (отрицательный слева, положительный справа), поэтому мы получаем 0 вольт, измеренный на всей цепочке компонентов.

То, что мы должны получить ровно 0 вольт на всей струне, тоже не должно быть тайной. Глядя на схему, мы видим, что крайний левый угол струны (левая сторона R ₁ : точка номер 2) напрямую соединен с крайним правым уголком струны (правая сторона батареи: точка номер 2), так как необходимо для завершения схемы.Поскольку эти две точки соединены напрямую, они электрически общие друг с другом. И, как таковое, напряжение между этими двумя электрически общими точками должно быть равным нулю.

Демонстрация закона напряжения Кирхгофа в параллельной цепи

Закон Кирхгофа о напряжении (иногда для краткости обозначаемый как KVL ) будет работать для любой конфигурации цепи , а не только для простой серии. Обратите внимание, как это работает для этой параллельной цепи:

Рисунок 3.13

В параллельной схеме напряжение на каждом резисторе такое же, как и напряжение питания: 6 вольт. Суммируя напряжения вокруг контура 2-3-4-5-6-7-2, получаем:

Обратите внимание, как я обозначил конечное (суммарное) напряжение как E _2-2 . Поскольку мы начали нашу пошаговую последовательность в точке 2 и закончили в точке 2, алгебраическая сумма этих напряжений будет такой же, как напряжение, измеренное между той же точкой (E _2-2 ), которое, конечно, должно быть равно нулю. .

Действие закона Кирхгофа о напряжении независимо от топологии цепи

Тот факт, что эта схема является параллельной, а не последовательной, не имеет ничего общего с правомерностью закона Кирхгофа о напряжении. В этом отношении схема может быть «черным ящиком» – конфигурация ее компонентов полностью скрыта от нашего взгляда, с набором открытых клемм для измерения напряжения между ними – и KVL все равно останется верным:

Рис. 3.14.

Попробуйте выполнить любой порядок шагов с любого терминала на приведенной выше диаграмме, возвращаясь к исходному терминалу, и вы обнаружите, что алгебраическая сумма напряжений всегда равна нулю.

Более того, «петля», которую мы отслеживаем для KVL, даже не обязательно должна быть реальным током в прямом смысле этого слова. Все, что нам нужно сделать, чтобы соответствовать KVL, – это начинать и заканчивать в одной и той же точке цепи, подсчитывая падения напряжения и полярности при переходе между следующей и последней точкой. Рассмотрим этот абсурдный пример, отслеживая «петлю» 2-3-6-3-2 в той же параллельной цепи резистора:

Рисунок 3.15

Использование закона напряжения Кирхгофа в сложной цепи

KVL можно использовать для определения неизвестного напряжения в сложной цепи, где известны все другие напряжения вокруг определенного «контура».В качестве примера возьмем следующую сложную схему (фактически две последовательные цепи, соединенные одним проводом внизу):

Рисунок 3.16

Чтобы упростить задачу, я опустил значения сопротивления и просто указал падение напряжения на каждом резисторе. Две последовательные цепи имеют общий провод между собой (провод 7-8-9-10), что позволяет измерять напряжение между двумя цепями.

Если бы мы хотели определить напряжение между точками 4 и 3, мы могли бы составить уравнение KVL с напряжением между этими точками как неизвестным:

[латекс] E_ {4-3} + E_ {9-4} + E_ {8-9} + E_ {3-8} = 0 [/ латекс]

[латекс] E_ {4-3} + 12 В + 0 В + 20 В = 0 В [/ латекс]

[латекс] E_ {4-3} + 32V = 0 [/ латекс]

[латекс] \ pmb {E_ {4-3} = -32V} [/ латекс]

Рисунок 3.17 Рисунок 3.18 Рисунок 3.19 Рисунок 3.20

Обходя контур 3-4-9-8-3, мы записываем значения падения напряжения так, как их регистрировал бы цифровой вольтметр, измеряя с помощью красного измерительного провода на острие впереди и черного измерительного провода на точка позади, когда мы продвигаемся по петле. Следовательно, напряжение от точки 9 до точки 4 является положительным (+) 12 вольт, потому что «красный провод» находится в точке 9, а «черный провод» – в точке 4. Напряжение от точки 3 до точки 8 является положительным (+) 20 вольт, потому что «красный провод» находится в точке 3, а «черный провод» – в точке 8.Напряжение от точки 8 до точки 9, конечно, равно нулю, потому что эти две точки электрически общие.

Наш окончательный ответ для напряжения от точки 4 до точки 3 – отрицательное (-) 32 вольта, говорящее нам, что точка 3 на самом деле положительна по отношению к точке 4, именно то, что цифровой вольтметр показал бы красным проводом в точке 4. и черный отрыв в точке 3:

Рис. 3.21.

Другими словами, первоначальное размещение наших «выводов счетчика» в этой проблеме KVL было «задом наперед».«Если бы мы сгенерировали наше уравнение KVL, начиная с E _3-4 вместо E _4-3 , шагая по той же петле с противоположной ориентацией измерительных проводов, окончательный ответ был бы E _3-4 = + 32 вольта:

Рис. 3.22

Важно понимать, что ни один из подходов не является «неправильным». В обоих случаях мы приходим к правильной оценке напряжения между двумя точками 3 и 4: точка 3 положительна по отношению к точке 4, а напряжение между ними составляет 32 вольта.

• Закон Кирхгофа о напряжении (KVL): «Алгебраическая сумма всех напряжений в контуре должна равняться нулю»

Что такое s Действующий закон Кирхгофа?

Закон Кирхгофа о течениях, часто сокращаемый до KCL, гласит, что «алгебраическая сумма всех токов, входящих и выходящих из узла, должна равняться нулю».

Этот закон используется для описания того, как заряд входит и покидает точку соединения или узел на проводе.

Вооружившись этой информацией, давайте теперь рассмотрим пример применения закона на практике, почему он важен и как он был получен.

Обзор параллельной цепи

Давайте внимательнее рассмотрим эту последнюю параллельную схему примера:

Рисунок 3.23 Таблица 3.15

Решение для всех значений напряжения и тока в этой цепи:

На данный момент мы знаем значение тока каждой ветви и общего тока в цепи. Мы знаем, что полный ток в параллельной цепи должен равняться сумме токов ответвления, но в этой цепи происходит нечто большее, чем просто это.Взглянув на токи в каждой точке соединения проводов (узле) в цепи, мы должны увидеть кое-что еще:

Рисунок 3.24

3.7. 3 тока на входе и выходе из узла

В каждом узле положительной «шины» (провода 1-2-3-4) у нас есть разделение тока от основного потока к каждому последующему резистору ответвления. В каждом узле на отрицательной «шине» (провод 8-7-6-5) у нас есть ток, сливающийся вместе, чтобы сформировать основной поток от каждого последовательного резистора ответвления.Этот факт должен быть довольно очевиден, если вы подумаете об аналогии контура водопровода с каждым ответвлением, действующим как тройник, разделением или слиянием потока воды с основным трубопроводом, когда он движется от выхода водяного насоса к обратному каналу. резервуар или отстойник.

Если мы внимательно рассмотрим один конкретный узел «тройник», такой как узел 6, мы увидим, что ток, входящий в узел, равен по величине току, выходящему из узла:

Рисунок 3.25

Сверху и справа у нас есть два тока, входящие в соединение проводов, обозначенное как узел 6.Слева у нас есть единственный ток, выходящий из узла, равный по величине сумме двух входящих токов. Обратимся к аналогии с водопроводом: пока в трубопроводе нет утечек, поток, поступающий в фитинг, должен также выходить из фитинга. Это верно для любого узла («подгонки»), независимо от того, сколько потоков входит или выходит. Математически мы можем выразить это общее отношение как таковое: [латекс] I_ {существующий} = I_ {ввод} [/ латекс]

Действующий закон Кирхгофа

г.Кирхгоф решил выразить его в несколько иной форме (хотя и математически эквивалентной), назвав его Текущий закон Кирхгофа (KCL):

.

[латекс] I_ {ввод} = -I_ {существующий} = 0 [/ латекс]

Текущий закон Кирхгофа, кратко изложенный в одной фразе, гласит:

«Алгебраическая сумма всех токов, входящих и выходящих из узла, должна равняться нулю»

[латекс] I_ {T} = I_1 + I_2 + … + I_n = 0 [/ латекс]

То есть, если мы присвоим каждому току математический знак (полярность), обозначающий, входят ли они (+) или выходят (-) из узла, мы можем сложить их вместе, чтобы получить гарантированно нулевое значение.

Взяв наш пример узла (номер 6), мы можем определить величину тока, выходящего слева, задав уравнение KCL с этим током в качестве неизвестного значения:

[латекс] I_2 + I_3 + I_ {2 + 3} = 0 [/ латекс]

[латекс] 2 мА + 3 мА + I_ {2 + 3} = 0 [/ латекс]

[латекс] \ text {… решение для I …} [/ латекс]

[латекс] I = -2 мА-3 мА [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I = -5mA} [/ латекс]

Отрицательный знак (-) на значении 5 миллиампер говорит нам, что ток на выходе из узла, в отличие от токов 2 миллиампер и 3 миллиампер, которые оба должны быть положительными (и, следовательно, входит в узел) .Независимо от того, обозначает ли отрицательное или положительное значение текущий вход или выход, совершенно произвольно, если они являются противоположными знаками для противоположных направлений, и мы остаемся последовательными в наших обозначениях, KCL будет работать.

Вместе законы напряжения и тока Кирхгофа представляют собой замечательную пару инструментов, полезных при анализе электрических цепей. Их полезность станет еще более очевидной в следующей главе («Сетевой анализ»), но достаточно сказать, что эти законы заслуживают того, чтобы их запомнил изучающий электронику не меньше, чем закон Ома.

• Текущий закон Кирхгофа (KCL): «Алгебраическая сумма всех токов, входящих и выходящих из узла, должна равняться нулю»

Мощность цепи – AP Physics 1

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса – изображению, ссылке, тексту и т. д. – относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Какое правило для мощности в последовательной цепи? – MVOrganizing

Какое правило для мощности в последовательной цепи?

Общее напряжение в последовательной цепи равно сумме отдельных падений напряжения.Падение напряжения на резисторе в последовательной цепи пропорционально сопротивлению резистора. Общая мощность в последовательной цепи равна сумме индивидуальных мощностей, используемых каждым компонентом схемы.

Какие правила трассы?

ПОНИМАНИЕ И РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ СЕРИИ ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА

• Одинаковый ток течет через каждую часть последовательной цепи.
• Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений.
• Напряжение, приложенное к последовательной цепи, равно сумме отдельных падений напряжения.

Какие 3 правила параллельных цепей?

Из этого определения следуют три правила параллельных цепей:

• Все компоненты имеют одинаковое напряжение.
• Сопротивления уменьшаются до меньшего общего сопротивления.
• Токи ответвления в сумме равняются большему полному току.

Постоянна ли мощность в последовательной цепи?

В последовательной цепи ток одинаков в любой конкретной точке цепи.Однако напряжение в последовательной цепи не остается постоянным. 4. Напряжение падает на каждом резисторе.

Одинакова ли мощность во всей цепи?

Эквивалентные схемы

Поскольку рассеиваемая мощность в резисторах состоит из тепловых потерь, рассеивание мощности является аддитивным независимо от того, как резисторы подключены в цепи. Общая мощность равна сумме мощности, рассеиваемой отдельными резисторами.

Как постоянный ток в серии?

Ток имеет одинарный путь, а напряжение делится в соответствии со значениями сопротивления в последовательной цепи.В параллельных цепях все нагрузки подключаются к одним и тем же 2 клеммам и напряжение остается постоянным; токи проходят по нескольким путям.

Почему ток в параллельной цепи не постоянный?

Это означает, что ток, протекающий через сопротивление, изменяется обратно пропорционально сопротивлению. Таким образом, когда у нас есть параллельная цепь, ток, протекающий по каждому из n путей, определяется значением сопротивления, а обратное изменение тока и сопротивления означает, что напряжение остается постоянным.

Одинаковая сила тока в последовательном или параллельном?

В параллельной цепи напряжение на каждом из компонентов одинаково, а полный ток представляет собой сумму токов, протекающих через каждый компонент. В последовательной цепи каждое устройство должно функционировать, чтобы цепь была замкнутой. Если в последовательной цепи перегорает одна лампочка, разрывается вся цепь.

Изменяется ли ток в цепи?

Пояснение: Ток (I) остается постоянным во всей последовательной цепи.Это связано с тем, что резисторы в последовательном соединении не изменяют и не уменьшают ток, протекающий через них. Таким образом, ток остается постоянным или неизменным.

Где в цепи находится амперметр?

Амперметр подключается последовательно к ветви измеряемой цепи, так что его сопротивление добавляется к этой ветви. Обычно сопротивление амперметра очень мало по сравнению с сопротивлениями устройств в цепи, поэтому дополнительное сопротивление незначительно.

Сколько тока в цепи?

Что касается электричества, мы измеряем количество заряда, протекающего по цепи за определенный период времени.18 электронов (1 кулон) в секунду проходят через точку в цепи.

Постоянный ли ток в цепи постоянного тока?

Например, напряжение на источнике постоянного напряжения постоянно, как и ток через источник постоянного тока. Решение для электрической цепи постоянного тока – это решение, в котором все напряжения и токи постоянны.

Почему в домах не используется постоянный ток?

DC в основном не применяется для этих целей по ряду причин. Например, выделение тепла из-за больших потерь мощности по сравнению с переменным током, более значительной опасности возникновения пожара, больших затрат и проблем, связанных с преобразованием высокого напряжения и низкого тока в низкое напряжение и высокий ток с помощью трансформаторов.

Как работает цепь постоянного тока?

При постоянном токе (DC) электрический заряд (ток) течет только в одном направлении. Напротив, электрический заряд переменного тока периодически меняет направление. Напряжение в цепях переменного тока также периодически меняется на противоположное, потому что ток меняет направление.

Что более опасно: переменный или постоянный ток?

Переменный ток (A.C) в пять раз опаснее постоянного (D.C). Частота переменного тока – основная причина такого тяжелого воздействия на человеческий организм.Частота 60 циклов находится в крайне опасном диапазоне. На этой частоте даже небольшое напряжение в 25 вольт может убить человека.

Что лучше: переменный или постоянный ток?

Питание постоянного тока значительно более энергоэффективно, чем питание переменного тока. Двигатели и устройства постоянного тока имеют более высокий КПД и габаритные характеристики. Освещение на основе постоянного тока (LED) на 75% эффективнее, чем освещение лампами накаливания.

Какой вариант правильно определяет переменный и постоянный ток?

Таким образом, мы можем заключить, что утверждение, что в постоянном токе электроны движутся только в одном направлении.В переменном токе электроны движутся в одном направлении, а затем в другом, что правильно определяет переменный и постоянный ток.

Что лучше сварочный аппарат постоянного или переменного тока?

Полярность

постоянного тока используется в большинстве сварочных операций. Он обеспечивает более плавную сварку по сравнению с переменным током. Это создает более стабильную дугу, упрощает сварку и уменьшает разбрызгивание. Вы также можете использовать отрицательный постоянный ток для более быстрой наплавки при сварке тонкого листового металла или использовать отрицательный постоянный ток для большего проникновения в сталь.

Какой универсальный сварочный стержень лучше всего?

Лучшим универсальным сварочным стержнем будет 6011, особенно для домашних мастеров и любителей.Имея под рукой удилища 3/32 и 1/8, 6011 выполнит большинство ваших работ. Это быстро заполняемый замораживающий стержень, работающий как на переменном, так и на постоянном токе, и справляется с грязными загрязненными работами лучше, чем другие электроды.

последовательно соединенных резисторов – Расчет сопротивления – CCEA – Редакция GCSE Physics (Single Science) – CCEA

Ток

При последовательном подключении резисторов ток через каждый резистор одинаков.

Ток одинаков во всех точках последовательной цепи.

В схеме ниже: I _S = I ₁ = I ₂ = I ₃

Напряжение В (или разность потенциалов)

При последовательном соединении резисторов общая сумма напряжение (иногда называемое разностью потенциалов) на каждом компоненте равно напряжению на источнике питания.

В приведенной выше схеме:

V _S = V ₁ + V ₂ + V ₃

Это просто форма закона сохранения энергии .

Напряжение питания – это мера энергии, подводимой к каждому электрону.

Напряжение на каждом компоненте – это электрическая энергия, преобразованная каждым компонентом.

Следовательно, поданная энергия равна преобразованной энергии – энергия не была создана или разрушена в цепи.

В последовательной цепи напряжение на источнике питания равно сумме напряжений на каждом компоненте.

Сопротивление

Общее сопротивление R двух или более резисторов, соединенных последовательно, является суммой отдельных сопротивлений резисторов.

Для схемы выше общее сопротивление R определяется по формуле:

R = R ₁ + R ₂ + R ₃

Пример

Найдите полное сопротивление схемы выше.

Ответ

Это последовательная цепь, поэтому полное сопротивление определяется по формуле:

R = R ₁ + R ₂ + R ₃ + R ₄

R = \ ({ 4} \ Omega + {8} \ Omega + {2} \ Omega + {12} \ Omega \)

R = \ ({26} \ Omega \)

Общее сопротивление цепи резисторов равно \ ( {26} \ Omega \).Это означает, что четыре отдельных резистора можно заменить одним резистором из \ ({26} \ Omega \).

Последовательное добавление резисторов всегда увеличивает общее сопротивление.

Ток должен проходить через каждый резистор по очереди, поэтому добавление дополнительного резистора увеличивает уже встреченное сопротивление.

Параллельные резисторы

Ток

При параллельном подключении резисторов ток от источника питания равен сумме токов, протекающих через каждую ветвь цепи.

Другими словами, токи в ветвях параллельной цепи складываются с током питания.

В приведенной выше схеме:

I _S = I ₁ + I ₂ + I ₃

Это соотношение выражает закон сохранения заряда.

Все электроны, вышедшие из источника, должны вернуться в источник, и каждый электрон может пройти только через одну параллельную ветвь.

В параллельной цепи ток от источника питания равен сумме токов в каждой ветви цепи.

Напряжение

В параллельной цепи напряжение на каждой ветви схемы равно напряжению питания.

Для схемы выше:

В _S = В ₁ = В ₂ = В ₃

В параллельной цепи напряжение на каждой ветви равно напряжению питания.

Сопротивление

При параллельном подключении резисторов общее сопротивление R рассчитывается по формуле:

\ [\ frac {1} {R} = \ frac {1} {R} _ {1} + \ frac {1} {R} _ {2} + \ frac {1} {R} _ {3} \]

Расчет мощности в многоконтурных цепях

Питание в параллельных цепях

Параллельные цепи – это цепи, в которых части скомпонованы в несколько контуров или ветвей, по которым протекает ток.Одним из преимуществ параллельной схемы является то, что мощность распределяется поровну между каждым из компонентов. Каждый компонент получает полное напряжение батареи или источника питания. Отрицательной стороной этого является то, что параллельные цепи, как правило, потребляют больше энергии и быстрее разряжают батареи.

Параллельная цепь

Для расчета мощности, используемой параллельной цепью, вы можете использовать это уравнение:

Уравнение мощности

Где P – мощность в ваттах, V – напряжение в вольтах, а I – ток в амперах.Итак, мощность – это просто напряжение, умноженное на ток. Если вы знаете напряжение батареи и общий ток, вытекающий из батареи, вы можете узнать мощность, используемую схемой.

Напряжение – это разность электрических потенциалов между двумя точками электрического поля. В случае простой параллельной схемы, в которой все находится в одной или нескольких ветвях, каждая ветвь получает полное напряжение батареи.

Ток – это скорость, с которой заряженные электроны проходят через цепь.Он измеряется в кулонах заряда в секунду или в амперах. Три ампера означают, что по цепи каждую секунду проходят три кулоны заряда. Чтобы вычислить ток, вам нужно либо указать его в вопросе, либо указать сопротивление цепи и попросить рассчитать его с помощью закона Ома, о котором вы можете узнать в другом уроке.

Вот как вычислить общую мощность, используемую параллельной схемой. А как насчет отдельной ветки? Чтобы выяснить это, используется то же уравнение, но для одной ветви.Каждая ветвь получает полное напряжение батареи, так что эта часть одинакова. Но, глядя на конкретную ветвь, вы должны понимать, что ток, текущий из батареи, делится поровну между ветвями. Таким образом, если ток, вытекающий из батареи, составляет 3 ампера, и есть три ветви, каждая ветвь будет получать ток 1 ампер.

Пример расчета

Допустим, у вас есть параллельная цепь с тремя ветвями, и каждая ветвь содержит лампочку. Аккумулятор имеет напряжение 15 вольт, а три лампочки идентичны.Если ток, вытекающий из батареи, составляет 6 ампер, какая мощность используется в цепи? А какую мощность использует отдельная ветка?

Чтобы определить общую потребляемую мощность, мы просто умножаем общее напряжение на общий ток. Это всего лишь 15 умноженное на 6, что составляет 90 Вт.

Чтобы вычислить мощность, потребляемую одной ветвью, вы берете напряжение, используемое ветвью, и умножаете его на ток, протекающий через эту ветвь. Каждая ветвь получает полные 15 вольт от батареи, так что V все еще равно 15.Но ток разделяется между тремя ветвями, поэтому первая ветвь получает 2 ампера (шесть разделенных на три), что равняется 30 ваттам, умноженным на 15 (напряжение). Поскольку все три ветви одинаковы, мы могли бы просто разделить 90 на 3, чтобы получить ответ. Но в любом случае это все: 30 Вт.

Пример

Зачем мне это знать?

Power важно знать по нескольким причинам. Например, понимание власти может помочь вам понять, почему ваш счет за электроэнергию так высок.Если мы поймем, как работает энергия, мы также сможем найти способы создавать приборы, которые потребляют меньше энергии. Поступая так, мы сохраняем энергию и помогаем защитить нашу планету.

Краткое содержание урока

Мощность – это количество джоулей энергии, потребляемой в секунду в ваттах. Параллельная схема – это схема, в которой компоненты разделены на несколько ветвей. Чтобы вычислить мощность компонента или ветви, мы можем использовать уравнение P = VI, где P – мощность в ваттах, V – напряжение в вольтах, а I – ток в амперах.

Чтобы вычислить общую мощность, используемую параллельной цепью, вы должны умножить напряжение батареи на ток, протекающий из батареи. Чтобы вычислить мощность, используемую конкретной ветвью, вы должны умножить напряжение, используемое ветвью, на ток, протекающий через нее. Каждая ветвь получит полное напряжение батареи, и если ветви идентичны, каждая ветвь получит равную долю. тока.

Серия

и параллельные схемы – узнайте.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 54 Серия

и параллельные схемы

Простые схемы (состоящие всего из нескольких компонентов) обычно довольно просты для понимания новичками. Но, когда на вечеринку приходят другие компоненты, все может запутаться. Куда идет ток? Что делает напряжение? Можно ли это упростить для облегчения понимания? Не бойся, бесстрашный читатель.Ценная информация приводится ниже.

В этом руководстве мы сначала обсудим разницу между последовательными и параллельными схемами, используя схемы, содержащие самые основные компоненты – резисторы и батареи, – чтобы показать разницу между двумя конфигурациями. Затем мы рассмотрим, что происходит в последовательных и параллельных цепях, когда вы комбинируете компоненты разных типов, например конденсаторы и катушки индуктивности.

рассматривается в этом учебном пособии

• Как выглядят конфигурации последовательной и параллельной цепей
• Как пассивные компоненты действуют в этих конфигурациях
• Как источник напряжения будет воздействовать на пассивные компоненты в этих конфигурациях

Рекомендуемая литература

Вы можете посетить эти учебные пособия по основным компонентам, прежде чем углубляться в построение схем в этом учебном пособии.

Видео

Цепи серии

Узлы и текущий поток

Прежде чем мы углубимся в это, мы должны упомянуть, что такое узел . Ничего особенного, просто представление электрического соединения между двумя или более компонентами. Когда схема моделируется на схеме, эти узлы представляют собой провода между компонентами.

Пример схемы с четырьмя узлами уникального цвета.

Это полдела на пути к пониманию разницы между последовательным и параллельным. Нам также нужно понять , как ток течет по цепи. Ток течет от высокого напряжения к более низкому напряжению в цепи. Некоторое количество тока будет проходить по каждому пути, который может пройти, чтобы добраться до точки с наименьшим напряжением (обычно называемой землей). Используя приведенную выше схему в качестве примера, вот как будет течь ток, когда он проходит от положительной клеммы аккумулятора к отрицательной:

Ток (обозначенный синей, оранжевой и розовой линиями), протекающий по той же примерной схеме, что и выше.Разные токи обозначены разными цветами.

Обратите внимание, что в некоторых узлах (например, между R ₁ и R ₂ ) ток на входе такой же, как на выходе. В других узлах (в частности, трехходовой переход между R ₂ , R ₃ и R ₄ ) основной (синий) ток разделяется на два разных. Это ключевое различие между последовательным и параллельным подключением!

Определение схем серии

Два компонента соединены последовательно, если они имеют общий узел и если через них протекает один и тот же ток .Вот пример схемы с тремя последовательными резисторами:

В вышеуказанной цепи есть только один способ протекания тока. Начиная с положительного полюса аккумуляторной батареи, сначала протекает ток R ₁ . Оттуда ток будет течь прямо к R ₂ , затем к R ₃ и, наконец, обратно к отрицательной клемме батареи. Обратите внимание, что у текущего есть только один путь. Эти компоненты включены последовательно.

Параллельные схемы

Определение параллельных цепей

Если компоненты используют два общих узла , они работают параллельно.Вот пример схемы трех резисторов, подключенных параллельно к батарее:

От положительного полюса аккумуляторной батареи ток течет к R ₁ … и R ₂ , и R ₃ . Узел, который подключает аккумулятор к R ₁ , также подключен к другим резисторам. Другие концы этих резисторов аналогично связываются вместе, а затем снова подключаются к отрицательной клемме батареи. Существует три различных пути, по которым ток может пройти перед возвращением в батарею, и соответствующие резисторы считаются параллельными.

Если все последовательные компоненты имеют одинаковые токи, протекающие через них, все параллельные компоненты имеют одинаковое падение напряжения на них – series: current :: parallel: Voltage.

Совместная работа серии

и параллельных цепей

Оттуда мы можем смешивать и сочетать. На следующем снимке мы снова видим три резистора и батарею. С положительной клеммы аккумуляторной батареи ток сначала достигает R ₁ . Но на другой стороне R ₁ узел разделяется, и ток может идти как на R ₂ , так и на R ₃ .Затем пути тока через R ₂ и R ₃ снова связываются вместе, и ток возвращается к отрицательному выводу батареи.

В этом примере R ₂ и R ₃ параллельны друг другу, а R ₁ идут последовательно с параллельной комбинацией R ₂ и R ₃ .

Расчет эквивалентных сопротивлений в последовательных цепях

Вот некоторая информация, которая может оказаться для вас более полезной.Когда мы соединяем резисторы таким образом, последовательно и параллельно, мы меняем способ протекания тока через них. Например, если у нас есть питание 10 В через 10 кОм; резистора, закон Ома гласит, что у нас протекает ток 1 мА.

Если потом поставить еще 10к & ом; резистор, включенный последовательно с первым и оставив питание без изменений, мы сократили ток вдвое, потому что сопротивление увеличилось вдвое.

Другими словами, по-прежнему существует только один путь для прохождения тока, и мы только усложнили прохождение тока.Насколько сложнее? 10к & Ом; + 10к & Ом; = 20 кОм ;. Вот как мы рассчитываем последовательно подключенные резисторы – всего складываем их значения .

Если выразить это уравнение в более общем виде: полное сопротивление Н. – произвольное количество резисторов – это их общая сумма.

Расчет эквивалентных сопротивлений в параллельных цепях

А как насчет параллельных резисторов? Это немного сложнее, но ненамного.Рассмотрим последний пример, в котором мы начали с источника питания 10 В и 10 кОм; резистор, но на этот раз мы добавляем еще 10кОм; параллельно, а не последовательно. Теперь у тока есть два пути. Поскольку напряжение питания не изменилось, закон Ома гласит, что первый резистор по-прежнему будет потреблять 1 мА. Но то же самое и со вторым резистором, и теперь у нас есть в общей сложности 2 мА, поступающие от источника питания, что вдвое превышает первоначальный 1 мА. Это означает, что мы уменьшили общее сопротивление вдвое.

Пока можно сказать, что 10к & ом; || 10к & Ом; = 5 кОм; («||» примерно переводится как «параллельно»), у нас не всегда будет 2 одинаковых резистора.Что тогда?

Уравнение для добавления произвольного количества резисторов параллельно:

Если обратные значения вам не подходят, мы также можем использовать метод, называемый «произведение на сумму», когда у нас есть два параллельных резистора:

Однако этот метод подходит только для двух резисторов в одном вычислении. Мы можем объединить более 2 резисторов этим методом, взяв результат R1 || R2 и вычисление этого значения параллельно с третьим резистором (снова как произведение на сумму), но обратный метод может быть меньше работы.

Время эксперимента – Часть 1

Что вам понадобится:

Давайте проведем простой эксперимент, чтобы доказать, что все работает именно так, как мы говорим.

Во-первых, мы собираемся подключить 10 кОм; последовательно подключите резисторы и наблюдайте, как они складываются самым необычным образом. Используя макетную плату, поместите один 10 кОм; резистор, как показано на рисунке, и измерьте его мультиметром. Да, мы уже знаем, что на нем будет указано 10 кОм, но это то, что мы в бизнесе называем «проверкой работоспособности».Убедившись, что мир существенно не изменился с тех пор, как мы в последний раз смотрели на него, поместите еще один аналогично, но с выводами каждого резистора, электрически подключенными через макетную плату, и снова произведите измерения. Теперь измеритель должен показывать что-то близкое к 20 кОм.

Вы можете заметить, что сопротивление, которое вы измеряете, может быть не совсем таким, каким должно быть резистор. Резисторы имеют определенное значение , допуск , что означает, что они могут быть отключены на определенный процент в любом направлении.Таким образом, вы можете прочитать 9.99k & ohm; или 10.01кОм. Пока оно близко к правильному значению, все должно работать нормально.

Читателю следует продолжать это упражнение до тех пор, пока он не убедится в том, что он знает, каков будет результат, прежде чем делать это снова, или у него закончатся резисторы, которые можно вставить в макет, в зависимости от того, что наступит раньше.

Время эксперимента – Часть 2

Теперь давайте попробуем это с резисторами в конфигурации параллельно .Поместите один 10 кОм; резистор в макетной плате, как и раньше (мы полагаем, что читатель уже считает, что один резистор 10 кОм будет измерять на мультиметре что-то близкое к 10 кОм). Теперь поместите второй 10k & ohm; резистор рядом с первым, следя за тем, чтобы выводы каждого резистора находились в электрически соединенных рядах. Но перед тем, как измерить комбинацию, вычислите, используя метод «произведение над суммой» или обратный метод, каким должно быть новое значение (подсказка: оно будет 5 кОм;).Затем измерьте. Это что-то близкое к 5к & ом ;? Если это не так, дважды проверьте отверстия, в которые вставлены резисторы.

Повторите упражнение с резисторами 3, 4 и 5. Расчетные / измеренные значения должны быть 3,33 кОм, 2,5 кОм; и 2кОм соответственно. Все ли получилось по плану? Если нет, вернитесь и проверьте свои соединения. Если это так, EXCELSIOR! Прежде чем продолжить, выпейте молочный коктейль. Ты заслужил это.

Практические правила для последовательных и параллельных резисторов

Есть несколько ситуаций, которые могут потребовать творческих комбинаций резисторов.Например, если мы пытаемся установить очень конкретное опорное напряжение, вам почти всегда потребуется очень определенное соотношение резисторов, значения которых вряд ли будут «стандартными» значениями. И хотя мы можем получить очень высокую степень точности значений резисторов, мы, возможно, не захотим ждать X дней, необходимых для доставки чего-либо, или платить цену за нестандартные значения, отсутствующие на складе. Так что в крайнем случае мы всегда можем создать собственные номиналы резисторов.

Совет №1: Равнопараллельные резисторы

Добавление N резисторов аналогичного номинала R , включенных параллельно, дает нам R / N Ом.Допустим, нам нужен 2,5 кОм; резистор, но все, что у нас есть, это ящик, полный 10 кОм. Объединение четырех из них параллельно дает нам 10 кОм / 4 = 2,5 кОм.

Совет № 2: Допуск

Знайте, какую терпимость вы можете терпеть. Например, если вам нужен 3.2k & ohm; резистор, можно было поставить 3 10кОм; резисторы параллельно. Это даст вам 3,3 кОм, что составляет около 4% отклонения от необходимого значения. Но если схема, которую вы строите, должна иметь допуск ближе, чем 4%, мы можем измерить наш запас в 10 кОм, чтобы увидеть, какие из них являются самыми низкими значениями, потому что они также имеют допуск.По идее, если заначка 10к & ом; резисторы имеют допуск 1%, мы можем получить только 3,3 кОм. Но производители запчастей, как известно, допускают именно такого рода ошибки, поэтому стоит немного покопаться.

Совет № 3: Номинальная мощность при последовательном / параллельном подключении

Такая комбинация резисторов последовательно и параллельно работает и с номинальной мощностью. Допустим, нам нужен 100 & Ом; резистор рассчитан на 2 Вт (Вт), но все, что у нас есть, это связка 1 кОм; резисторы на четверть ватта (Вт) (а сейчас 3 часа ночи, вся Mountain Dew исчезла, а кофе остыл).Вы можете объединить 10 из 1 кОм, чтобы получить 100 Ом; (1 кОм / 10 = 100 Ом), а номинальная мощность будет 10×0,25 Вт или 2,5 Вт. Не очень красиво, но это поможет нам завершить финальный проект и может даже принести нам дополнительные баллы за способность думать на ногах.

Нам нужно быть немного более осторожными, когда мы объединяем резисторы разных номиналов параллельно, когда речь идет об общем эквивалентном сопротивлении и номинальной мощности. Для читателя это должно быть совершенно очевидно, но …

Совет № 4: Разные резисторы параллельно

Суммарное сопротивление двух резисторов разного номинала всегда меньше, чем резистор наименьшего номинала.Читатель будет удивлен тем, сколько раз кто-то объединяет значения в своей голове и приходит к значению, которое находится посередине между двумя резисторами (1 кОм || 10 кОм; НЕ равняется чему-либо около 5 кОм ;!). Общее параллельное сопротивление всегда будет приближаться к резистору с наименьшим значением. Сделайте себе одолжение и прочитайте совет №4 10 раз.

Совет № 5: Параллельное рассеяние мощности

Мощность, рассеиваемая при параллельной комбинации резисторов разного номинала, не распределяется между резисторами равномерно, поскольку токи не равны.Используя предыдущий пример (1k & ohm; || 10k & ohm;), мы видим, что 1k & ohm; будет потреблять в 10 раз больше тока 10 кОм. Поскольку закон Ома гласит, что мощность = напряжение x ток, отсюда следует, что 1 кОм; резистор рассеивает в 10 раз мощность, превышающую 10 кОм.

В конечном счете, уроки советов 4 и 5 заключаются в том, что мы должны уделять больше внимания тому, что мы делаем при параллельном соединении резисторов разного номинала. Но советы 1 и 3 предлагают несколько удобных ярлыков, когда значения совпадают.

Конденсаторы серии

и параллельные

Объединение конденсаторов аналогично объединению резисторов … только наоборот. Как бы странно это ни звучало, это абсолютная правда. Почему это могло быть?

Конденсатор – это всего лишь две пластины, расположенные очень близко друг к другу, и его основная функция – удерживать целую группу электронов. Чем больше значение емкости, тем больше электронов она может удерживать. Если размер пластин увеличивается, емкость увеличивается, потому что физически больше места для электронов.А если пластины отодвинуть дальше друг от друга, емкость падает, потому что напряженность электрического поля между ними уменьшается с увеличением расстояния.

Теперь предположим, что у нас есть два конденсатора по 10 мкФ, соединенных последовательно, и предположим, что они оба заряжены и готовы к разряду в друга, сидящего рядом с вами.

Помните, что в последовательной цепи есть только один путь для прохождения тока. Отсюда следует, что количество электронов, выходящих из колпачка внизу, будет таким же, как и количество электронов, выходящих из колпачка наверху.Значит, емкость не увеличилась?

На самом деле все еще хуже. Разместив конденсаторы последовательно, мы эффективно раздвинули пластины дальше друг от друга, потому что расстояние между пластинами двух конденсаторов складывается. Так что у нас нет 20 мкФ или даже 10 мкФ. У нас 5 мкФ. Результатом этого является то, что мы добавляем значения последовательного конденсатора так же, как мы добавляем значения параллельного резистора. И метод «произведение над суммой», и метод взаимности действительны для последовательного добавления конденсаторов.

Может показаться, что нет смысла добавлять конденсаторы последовательно. Но следует отметить, что мы получили вдвое большее напряжение (или номинальное напряжение). Как и в случае с батареями, когда мы соединяем конденсаторы последовательно, напряжения складываются.

Добавление конденсаторов параллельно похоже на последовательное добавление резисторов: значения просто складываются, никаких уловок. Почему это? Их параллельное расположение эффективно увеличивает размер пластин без увеличения расстояния между ними.Чем больше площадь, тем больше емкость. Простой.

Время эксперимента – Часть 3

Что вам понадобится:

Давайте посмотрим, как работают конденсаторы, соединенные последовательно и параллельно. Это будет немного сложнее, чем примеры резисторов, потому что измерить емкость напрямую мультиметром труднее.

Давайте сначала поговорим о том, что происходит, когда конденсатор заряжается с нуля вольт. Когда ток начинает идти в один из выводов, равное количество тока выходит из другого.А если последовательно с конденсатором нет сопротивления, может быть довольно большой ток. В любом случае ток течет до тех пор, пока конденсатор не начнет заряжаться до значения приложенного напряжения, и медленнее будет стекать до тех пор, пока напряжения не станут равными, когда ток полностью прекратится.

Как указано выше, потребляемый ток может быть довольно большим, если нет последовательного сопротивления конденсатора, а время зарядки может быть очень коротким (например, миллисекунды или меньше). Для этого эксперимента мы хотим иметь возможность наблюдать за зарядом конденсатора, поэтому мы собираемся использовать 10 кОм; резистор, включенный последовательно, чтобы замедлить действие до точки, где мы его легко увидим.Но сначала нам нужно поговорить о том, что такое постоянная времени RC.

В приведенном выше уравнении говорится, что одна постоянная времени в секундах (называемая тау) равна сопротивлению в омах, умноженному на емкость в фарадах. Простой? Нет? Продемонстрируем на следующей странице.

Время эксперимента – часть 3, продолжение …

Для первой части этого эксперимента мы собираемся использовать один резистор 10 кОм и один резистор 100 мкФ (что равно 0,0001 фарад). Эти две части создают постоянную времени в 1 секунду:

При зарядке нашего конденсатора 100 мкФ через 10 кОм; резистора, мы можем ожидать, что напряжение на цоколе вырастет примерно до 63% от напряжения питания за 1 постоянную времени, которая составляет 1 секунду.После 5 постоянных времени (в данном случае 5 секунд) конденсатор заряжается примерно на 99% до напряжения питания, и он будет следовать кривой заряда, похожей на график ниже.

Теперь, когда мы это знаем, мы собираемся подключить схему, показанную на схеме (убедитесь, что полярность на этом конденсаторе правильная!).

С помощью нашего мультиметра, установленного для измерения вольт, проверьте выходное напряжение батареи при включенном переключателе. Это наше напряжение питания, и оно должно быть около 4.5В (будет немного больше, если батарейки новые). Теперь подключите схему, убедившись, что переключатель на батарейном блоке находится в положении «ВЫКЛ», прежде чем вставлять его в макетную плату. Также позаботьтесь о том, чтобы красный и черный провода были в нужных местах. Если это более удобно, вы можете использовать зажимы типа «крокодил», чтобы прикрепить измерительные щупы к ножкам конденсатора для измерения (вы также можете немного раздвинуть эти ножки, чтобы было легче).

Когда мы убедимся, что схема выглядит правильно, а наш счетчик включен и настроен на считывание вольт, переведите переключатель на батарейном блоке в положение «ВКЛ».Примерно через 5 секунд показания счетчика должны быть довольно близкими к напряжению аккумуляторной батареи, что демонстрирует, что уравнение верное, и мы знаем, что делаем. Теперь выключите выключатель. Он все еще довольно хорошо держит это напряжение, не так ли? Это потому, что ток не может разрядить конденсатор; у нас разомкнутая цепь. Для разряда конденсатора можно использовать еще один резистор на 10 кОм параллельно. Примерно через 5 секунд он вернется к почти нулевому значению.

Experiment Time – Часть 3, и даже больше…

Теперь мы переходим к интересным моментам, начиная с последовательного соединения двух конденсаторов. Помните, что мы сказали, что результат будет аналогичен параллельному соединению двух резисторов. Если это правда, мы можем ожидать (используя произведение над суммой)

Что это будет делать с нашей постоянной времени?

Имея это в виду, подключите другой конденсатор последовательно с первым, убедитесь, что измеритель показывает ноль вольт (или около того), и переведите переключатель в положение «ON».Зарядка до напряжения аккумуляторной батареи занимала примерно половину времени? Это потому, что емкость вдвое меньше. Электронный бензобак стал меньше, поэтому на его зарядку уходит меньше времени. Для этого эксперимента предлагается третий конденсатор, просто чтобы доказать это, но мы держим пари, что читатель сможет увидеть надпись на стене.

Теперь мы попробуем подключить конденсаторы параллельно, помня, что мы говорили ранее, что это будет похоже на последовательное добавление резисторов. Если это правда, то мы можем ожидать 200 мкФ, верно? Тогда наша постоянная времени станет

.

Это означает, что теперь потребуется около 10 секунд, чтобы увидеть, как параллельные конденсаторы заряжаются до напряжения питания 4.5В.

Для доказательства начнем с нашей исходной схемы на 10 кОм; последовательно подключены резистор и один конденсатор емкостью 100 мкФ, как показано на первой схеме этого эксперимента. Мы уже знаем, что конденсатор заряжается примерно за 5 секунд. Теперь подключите второй конденсатор параллельно. Убедитесь, что показания измерителя близки к нулю (разрядите через резистор, если он не показывает нулевое значение), и переведите переключатель на батарейном блоке в положение «ON». Нужно много времени, не правда ли? Разумеется, мы увеличили размер электронного бензобака, и теперь на его заполнение уходит больше времени.Чтобы убедиться в этом, попробуйте добавить третий конденсатор емкостью 100 мкФ и понаблюдайте, как он заряжается в течение долгого времени.

Катушки индуктивности серии

и параллельные

Катушки индуктивности серии

и параллельные

Случаи, когда катушки индуктивности должны быть добавлены последовательно или параллельно, довольно редки, но не редкость. В любом случае, давайте рассмотрим их, чтобы быть полными.

Вкратце, они складываются так же, как и резисторы, то есть они складываются со знаком плюс, когда соединены последовательно, и с превышением произведения при параллельном соединении.Сложность возникает, когда они размещаются близко друг к другу, чтобы иметь взаимодействующие магнитные поля, намеренно или нет. По этой причине предпочтительнее иметь один компонент, чем два или более, хотя большинство индукторов экранированы для предотвращения взаимодействия магнитных полей.

В любом случае достаточно сказать, что они добавляют, как резисторы. Дополнительная информация о катушках индуктивности выходит далеко за рамки этого руководства.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы знакомы с основами последовательных и параллельных цепей, почему бы не ознакомиться с некоторыми из этих руководств?

• Делители напряжения – Одна из самых простых и повторяющихся схем – это делитель напряжения.Это схема, которая действительно основана на концепциях, рассмотренных в этом руководстве.
• Что такое Ардуино? – Теперь, когда у вас есть основы схем, вы можете перейти непосредственно к изучению микроконтроллеров с одной из самых популярных платформ: Arduino.
Основы переключателя
• – В этом руководстве мы говорили о некоторых наиболее основных элементах схемы, но это не был один из них. Переключатели являются важным компонентом практически в каждом электронном проекте.Узнайте все о переключателях в этом руководстве
• Шитье проводящей нитью – схемы не обязательно должны состоять из макетов и проводов. Электронный текстиль использует токопроводящую нить для вшивания светильников и другой электроники в одежду или другую ткань.

Максимальный ток сварочного кабеля | IEWC.com

Просмотреть эту страницу как PDF>

Требуемые сечения кабеля:

• Для кабелей для дуговой сварки
• Длина в футах для всей цепи * ТОЛЬКО для вторичного напряжения
  (Не используйте эту таблицу для приложений с напряжением 600 В)

А	100 ‘	150 ‘	200 ‘	250 ‘	300 ‘	350 ‘	400 ‘
100	4	4	2	2	1	1/0	1/0
150	4	2	1	1/0	2/0	3/0	3/0
200	2	1	1/0	2/0	3/0	4/0	4/0
250	1	1/0	2/0	3/0	4/0	–	–
300	1/0	2/0	3/0	4/0	–	–	–
350	1/0	3/0	4/0	–	–	–	–
400	2/0	3/0	–	–	–	–	–
450	2/0	4/0	–	–	–	–	–
500	3/0	4/0	–	–	–	–	–
550	3/0	4/0	–	–	–	–	–
600	4/0	–	–	–	–	–	–

* Общая длина цепи включает как сварочные, так и заземляющие провода (при падении напряжения 4 В) при рабочем цикле 60%.

Эти значения допустимой нагрузки по току основаны на температуре меди 60 ° C (140 ° F), температуре окружающей среды 40 ° C (104 ° F) и коэффициенте нагрузки текучести примерно 32% для кабеля 2 AWG, примерно 23% для кабеля 3 / Кабель 0 AWG и выше для меньших размеров.

Обычно используемые размеры кабелей варьируются от 2 AWG до 3/0 AWG. Фактически при эксплуатации коэффициент нагрузки может быть намного выше, чем указано, без перегрева кабеля, поскольку температура окружающей среды, как правило, будет существенно ниже 40 ° C.

Рекомендуемая амплитуда тока для линейных приложений 600 В:

AWG	АМПЕР	AWG	АМПЕР
4/0	315	1	170
3/0	275	2	150
2/0	235	3	130
1/0	200	4	110
–	–	6	85

Согласно стандартам: ICEA S-19-81
NEMA WC-3 Часть 8, Приложение J

Амплитуды для переносного кабеля, продолжительного режима (температура окружающей среды 40 ° C)

.