Меню

Как правильно составить баланс мощностей



Уравнение баланса мощностей электрической цепи

date image2014-02-09
views image17152

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Правильность расчета электрической цепи проверяется составлением баланса мощностей.

В электрической цепи всегда сохраняется баланс мощностей: мощность, выработанная источником питания, равна мощности, потребляемой приемниками электрической энергии. Это положение вытекает из закона сохранения энергии.

Мощность источников электрической энергии:

Мощность, потребляемая приемниками электрической энергии:

Составим для электрической схемы баланс мощностей:

При составлении баланса мощностей следует обратить внимание на направление тока и ЭДС источника питания: если направления тока и ЭДС совпадают, то их произведение учитывается со знаком «+» (источник питания), а если не совпадают — со знаком «-» (фактически, это не источник питания, а приемник электрической энергии – аккумуляторная батарея, работающая в режиме заряда и др.).

Источник

Баланс мощностей для цепей постоянного тока — понятное объяснение

Баланс мощностей: сумма мощностей, выделяемых источниками, равна сумме мощностей, потребляемых приемниками.

А теперь давайте рассмотрим по порядку и на конкретных примерах , что такое баланс мощностей и как он составляется для различных цепей постоянного тока (о балансе мощностей цепи переменного тока, мы поговорим позже).

Чтобы было более понятно, сразу рассмотрим пример.

Имеется схема цепи, изображенная на рисунке 1. Дано значение ЭДС E и сопротивление резистора R. Требуется составить баланс мощностей для данной цепи.

Для начала нужно определить ток:

Следующим шагом определим мощности источника и приемника . Поскольку это цепь постоянного тока (в цепи действует постоянный источник напряжения), то мощность, отдаваемая источником и мощность, потребляемая приемником, (в данной схеме цепи, приемник только один – это резистор R ) будет активной .

Определим активную мощность, отдаваемую источником напряжения E:

Pист=I·E=1·10=10 (Вт) (Единица измерения активной мощности «Ватт»)

Активная мощность обозначается буквой P. Индекс “ист” сокращенно от “источников”.

Читайте также:  Как определить мощность зарядки для смартфона

Определяем активную мощность приемника:

Рисунок 2 - Формула активной мощности приемника

Для определения активной мощности источника, применяется формула произведения тока I через источник на величину E источника. Для определения активной мощности приемника, применяется формула произведения квадрата тока через приемник (в данном случае приемником является резистор R) на сопротивление этого резистора. Если ранее было известно напряжение резистора, то можно применить формулу для нахождения активной мощности приемника:

Pпр=Ur·I (Индекс “пр” сокращенно от “приемников”).

Таким образом, в источниках напряжения (ЭДС) происходит генерация электрической энергии , а в элементе R происходит потребление энергии . Электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. резистор R потребляет электрическую энергию, отдаваемую источником E.

Отсюда следует правило баланса мощностей:

Для нашей задачи, схема цепи которой изображена на рисунке 1, запишем баланс активных мощностей :

10 (Вт)=10 (Вт) . Баланс выполняется .

Для расчета электрических цепей и проверки правильности найденных токов, делаем проверку баланса мощностей. Если полученная мощность приемников отличается от полученной мощности источников, то баланс мощностей нарушается . Это говорит о том, что токи в цепи найдены неверно. Погрешность баланса мощностей может составлять до 3%.

Т. е отличие между Pист и Pпр не должно превышать 3%. Для определения погрешности, пользуются следующей формулой:

Рисунок 3 - Погрешность баланса мощностей

В данном случае, погрешность равна нулю и баланс выполняется .

Рассмотрим следующий пример.

Требуется составить баланс мощностей для цепи, изображенной на рисунке 4.

Рисунок 4 - Электрическая схема цепи для составления баланса мощностей

Для начала определим ток в цепи. Резисторы R1 и R2 включены последовательно. Следовательно, общее сопротивление цепи, запишется как:

Тогда ток по закону Ома:

Рисунок 5 - Ток по закону Ома для цепи, изображенной на рисунке 4

Так как все ЭДС и сопротивления известны, а ток в цепи мы нашли, определим активную мощность источников и приемников.

Рисунок 6 - Активная мощность приемников для цепи, изображенной на рисунке 4

Активная мощность, потребляемая резисторами, составляет 20 (Вт) Определим активную мощность источников.

Читайте также:  Мощность солнечной батареи от освещенности

Pист=I·E1+I·E3-I·E2=1·10+1·30-1·20=20 (Вт)

Активная мощность, отдаваемая всеми источниками ЭДС, составляет 20 (Вт)

Запишем баланс мощностей для данной цепи:

Рисунок 7 - Баланс мощностей для цепи, изображенной на рисунке 4

Баланс мощностей выполняется, погрешность равна нулю.

В левой части равенства получили сумму мощностей, потребляемых приемниками, а в правой части равенства получили сумму мощностей, генерируемых источниками. В данном случае ЭДС E2 работает как приемник, например, аккумулятор в режиме зарядки .

Если действие ЭДС E и тока через Eсовпадают по направлению, то произведение E·I берется со знаком “+”, если не совпадает, то “-“. В нашей цепи I и E2 направлены навстречу друг другу, поэтому произведение I·E2 взяли с минусом.

Баланс мощностей с источниками тока, мы рассмотрим в следующих статьях.

Если понравилась статья, подписывайтесь на канал и не пропускайте новые публикации.

Источник

Как правильно составить баланс мощностей



Как составить баланс мощностей

Закон сохранения энергии гласит, что энергия никуда не исчезает. Она только меняет один вид на другой, сохраняя свое количество. Закон справедлив и для электрических цепей, поэтому энергия, отдаваемая источниками, равна энергии, потребляемой в резистивных сопротивлениях. Отсюда вытекает равенство выражений мощностей источников и мощностей в сопротивлениях, которое называют уравнением баланса мощностей. Составление этого уравнения важная задача, позволяющая проверить правильность расчетов токов и напряжений в электрической цепи

Инструкция

  1. Определите мощности всех источников электрической цепи. Мощность, отдаваемая источниками напряжения Ри = ЕI, где Е – действующее значение ЭДС источника, а I – значение тока, протекающее через этот источник.
  2. Найдите алгебраическую сумму мощностей отдаваемых источниками. Если действительное (положительное) направление тока через источник совпадает с направлением ЭДС, то мощность такого источника положительная. Если направление тока через источник противоположно направлению ЭДС, то мощность такого источника отрицательная. Для нахождения алгебраической суммы мощностей, сложите положительные мощности и от полученной суммы отнимите все отрицательные мощности источников.
  3. Определите мощности в резистивных сопротивлениях. Мощность в резистивном сопротивлении Рн = (I^2)*R, где I – ток в резисторе, R – его сопротивление. Мощность в резисторе всегда является положительной, поскольку мощность, затрачиваемая на нагрев, не зависит от направления тока.
  4. Найдите арифметическую сумму мощностей, рассеиваемых в резистивных сопротивлениях цепи. Для нахождения этой суммы сложите найденные значения мощностей, потребляемых на каждом резисторе.
  5. Сравните сумму мощностей, отдаваемых источниками с суммой мощностей, потребляемых сопротивлениями. Если электрическая схема рассчитана правильно, оба значения полученных сумм будут равны между собой. Выполнено условие баланса. Полученное равенство – уравнение баланса мощностей для заданной электрической схемы.

Полезный совет

При расчете баланса мощностей, источник с произвольной формой напряжения требуется заменять источником постоянного напряжения.

Источник

Расчет электрической цепи и лабораторные работы по электротехнике

Баланс мощностей

Для проверки правильности результатов расчета электрической схемы составляется баланс электрических мощностей. В соответствии с законом

сохранения энергии в любой отдельно взятой электрической цепи мощность, развиваемая источниками в этой цепи, равна мощности, расходуемой в приемниках энергии. При этом следует иметь в виду, что при определенных условиях некоторые источники, действующие в цепи, не генерируют, а, наоборот, потребляют энергию. Следовательно, суммарную мощность источников, действующих в цепи, находят в виде алгебраической суммы мощности отдельных источников. Со знаком “плюс” берется мощность источников, генерирующих энергию (рисунок 3.22, а, б), а со знаком “минус” – мощность источников, потребляющих энергию (рисунок 3.22, в, г). На рисунках буквой А обозначен активный двухполюсник, внутренняя схема которого представляет совокупность источников энергии и резисторов, соединенных между собой определенным образом.

Мощность источника напряжения равна произведению ЭДС E источника и проходящего по нему тока I (P = ЕI), а мощность источника тока определяется произведением напряжения UJ на его зажимах и генерируемого источником тока J (P = UJJ). На рисунке 3.22, а, б мощность источников берется с положительным знаком, а на рисунке 3.22, в, г – с отрицательным.

Таким образом, мощность источников, действующих в цепи, находят по формуле

(3.20)

В резисторах электрическая энергия необратимо превращается в тепловую. Мощность, потребляемая всеми резисторами в цепи, равна сумме мощностей каждого резистора:

Pнагр = (3.21)

Относительную ошибку вычислений находят по формуле

(3.22)

Составим баланс мощностей для примера 3.4. Найдем напряжение UJ на зажимах источника тока по второму закону Кирхгофа для контура b-c-d-b:

UJ = E5 – R5I5 + R3I3 = 118,325 В.

Из полученных в результате расчета значений токов следует, что энергию генерируют источники ЭДС E1, E4 и источник тока J, в то время как источник ЭДС E5 является ее потребителем. Таким образом, мощность, развиваемая источниками,

Pист = E1I1 + E4I4 – E5I5 +UJJ = 404,935 Вт.

Мощность, выделяемая в сопротивлениях резисторов (мощность нагрузки),

Pнагр = 404,92 Вт.

Относительная ошибка вычислений

Вывод: расчет токов схемы выполнен правильно, т. к. баланс мощностей выполняется.

В схеме можно предварительно произвести эквивалентные преобразования, позволяющие исключить из нее ветви с источниками токов и, следовательно, уменьшить число контуров.

В этом случае система контурных уравнений (3.19) может быть записана в матричной форме:

(3.23)

где ; ; ;

– квадратная матрица сопротивлений электрической цепи порядка n;

– матрица-столбец искомых контурных токов;

– матрица-столбец контурных ЭДС.

Решение матричного уравнения (3.23) находим в следующей форме:

. (3.24)

При расчете многоконтурных электрических цепей матричная форма записи позволяет использовать при решении системы уравнений ЭВМ.

Пример 3.5 Рассчитать токи в схеме на рисунке 3.23 с параметрами E1 = 12 В, E5 = 8 В, J = 2 A, r01 = 1 Ом, r05 = 1,2 Ом, R1 = 11 Ом, R2 = 8 Ом, R3 = 14 Ом, R4 = 5 Ом, R5 = 6,8 Ом, R6 = 6 Ом методом контурных токов. Построить потенциальную диаграмму для контура a-b-c-d-a.

Решение. Подключим источник тока J параллельно сопротивлениям R2 и R4 (рисунок 3.24, а), распределение токов в узлах a, b и c при этом останется прежним. Заменим параллельное соединение источников тока J и сопротивлений R2 и R4 эквивалентным последовательным соединением ЭДС Е2 = R2J = 16 В и Е4 = R4J = 10 В с соответствующими сопротивлениями R2 и R4 (рисунок 3.24, б).

В результате эквивалентных преобразований получим схему на рисунке 3.25. Токи в ветвях с сопротивлениями R2 и R4 этой схемы будут отличаться от токов в исходной схеме, поэтому обозначим их и .

Выберем независимые контуры и направим в них контурные токи I11, I22 и I33. Запишем систему уравнений относительно неизвестных контурных токов в матричной форме и найдем ее решение.

,

где R11 = R1 + r01 + R2 + R3 = 34 Ом;

R22 = R2 + R4 + r05 + R5 = 21 Ом;

R33 = R3 + R6 + r05 + R5 = 28 Ом;

R12 = R21 = – R2 = – 8 Ом;

R13 = R31 = R3 = 14 Ом;

R23 = R32 = r05 + R5 = 8 Ом;

E11 = E1 – E2 = – 4 В;

E22 = E2 + E4 – E5 = 18 В;

E33 = – E5 = – 8 В.

Решение системы линейных алгебраических уравнений выполним методом Крамера. Найдем определитель матрицы сопротивлений

1,012∙104 Ом3,

а также следующие определители:

Находим контурные токи:

Токи ветвей схемы 3.25:

I1 = I11 = 0,674 A; = – I11 + I22 = 0,842 A; I3 = – I11 – I33 = 0,382 A;

= I22 = 1,516 A; I5 = – I22 – I33 = – 0,46 A; I6 = – I33 = 1,056 A.

Вернемся к исходной схеме и определим токи во второй и четвертой ветвях по первому закону Кирхгофа:

I2 = I3 – I5 – J = – 1,158 А; I4 = I1 + I2 = – 0,484 А.

Проверим правильность результатов расчета по балансу электрических мощностей. Найдем напряжение UJ на зажимах источника тока:

UJ = – R2I2 – R4I4 = 11,684 В.

Истинные направления токов I2 и I4 противоположны предварительно выбранным.

Из проведенных расчетов следует, что источник ЭДС E1 и источник тока J функционируют в режиме генерирования энергии, в то время как источник ЭДС E5 ее потребляет.

Мощность источников Pист = E1I1 – E5I5 + UJJ = 27,776 Вт.

Мощность нагрузки

Pнагр = 27,777 Вт.

Построим потенциальную диаграмму, т. е. распределение потенциалов узлов, в том числе и устранимых m и n вдоль контура a-b-c-d-a (рисунок 3.26) в зависимости от сопротивлений участков, входящих в этот контур. Выделим из схемы 3.23 этот контур и укажем действительные направления токов в ветвях. Ток на любом участке схемы определяется не абсолютными значениями потенциалов точек, к которым этот участок присоединен, а их разностью. Следовательно, потенциал одной из точек схемы можно принять равным нулю. Примем, например, потенциал узла а равным нулю (φа = 0) и найдем потенциалы остальных точек контура:

φb = –R2I2 = – 9,264 В; φn = φb + R5I5 = – 6,136 В; φc = φn + E5 + r05I5 = 2,416 В;

φd = φc–R6I6 = – 3,92 В; φm= φd + E1– r01I1 = 7,406 В; φa = φm – R1I1 = – 0,008 В.

Потенциальная диаграмма представлена на рисунке 3.27.

Понятие проводимости приобретает особый смысл в том случае, если ветвь содержит активные и реактивные элементы. На ветви, изображенной на рис.2.22, определим ее активную и реактивную проводимости:

Рис.2.22. Участок цепи с активно-индуктивным сопротивлением

. 58(2.49)

Из векторной диаграммы (рис.2.21) можно выделить треугольник токов (рис. 2.23).

Рис.2.23. Векторный треугольник токов

Разделив стороны векторного треугольника токов на вектор напряжения, получим скалярный треугольник проводимостей (рис. 2.24).

Рис.2.24. Скалярный треугольник проводимостей

Источник

Читайте также:  Мощность солнечной батареи от освещенности