Портал ТОЭ

2.13 Энергетические расчёты электрических цепей. Потенциальная диаграмма

Рассмотрим пассивный двухполюсник:

Мгновенная мощность имеет постоянную составляющую и гармоническую, изменяющуюся с двойной частотой:

Полную мощность можно рассматривать, как модуль комплексной величины, называемой полной комплексной мощностью :

Мощности можно изобразить на комплексной плоскости в виде треугольника мощностей:

Активная мощность измеряется ваттметром.

* – генераторные зажимы обмоток тока и напряжения ваттметра.

Из закона сохранения энергии следует: в любой цепи соблюдается баланс как мгновенных, так и полных мощностей, т.е. сумма всех отдаваемых мощностей равна сумме всех получаемых.

Для цепи постоянного тока уравнения баланса иное:

В этом случае баланс заключается в равенстве лишь активных мощностей.

Мощность источника ЭДС:

Мощность источника тока:

Мощности приёмников определяются по формулам:

Потенциальная диаграмма – это графическое изображение потенциалов точек любого контура в зависимости от сопротивлений его участков (для цепи постоянного тока сопротивления можно отложить по одной оси абсцисс в отличие от цепи переменного тока, для которой строится топографическая диаграмма комплексных потенциалов).

Сайт находится в разработке, некоторые страницы могут быть недоступны.

Новости

07.07.2016
Добавлен калькулятор для решения систем нелинейных алгебраических уравнений: перейти.

30.06.2016
На сайте реализован адаптивный дизайн, страницы адекватно отображаются как на больших мониторах, так и на мобильных устройствах.

Спонсор

РГРОнлайн.ru – мгновенное решение работ по электротехнике онлайн.

Источник

Что такое электрическая схема, ветвь, узел, контур.

Электрическая схема представляет собой графическое изображение электрической цепи. Она показывает, как осуществляется соединение элементов в рассматриваемой электрической цепи.

Простым языком электрическая схема это упрощенное изображение электрической цепи.

Для отображение электрических компонентов (конденсаторов, резисторов, микросхем и т. д.) в электрических схемах используются их условно графические обозначения.

Для отображения электрических соединений (дорожек, проводов, соединения между радиоэлементами) применяют простую линию соединяющие два условно графических обозначения. Причём все ненужные изгибы дорожек удаляют.

В состав электрической схемы входят: ветвь и условно графические обозначение электрических элементов так же могут входить контур и узел.

Ветвь – участок цепи состоящий из одного или нескольких элементов вдоль которого ток один и тот же.

Ветви присоединённые к одной паре узлов называются параллельными.

Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям называется контуром. На верхнем рисунке, контурами можно считать ABD; BCD; ABC.

Узел – место соединения трёх и более ветвей.

Точки К и Е не являются узлами.

Источник

Параллельное соединение сопротивлений

Параллельным соединением резисторов (или приемников энергии, ветвей, сопротивлений) называется такое, при котором к одним и тем же двум узлам электрической цепи (рисунок 1) присоединены несколько резисторов (ветвей).

Рис. 1 Изображение параллельного соединения трех резисторов

Проводимость при параллельном соединении

Сопротивление при параллельном соединении:

Для трёх параллельно соединенных сопротивлений

Для двух параллельно соединенных сопротивлений

Для ветвей с одинаковым сопротивлением где n количество ветвей

Ток при параллельном соединении

Мощность при параллельном соединении

Доказательство

Так как резисторы присоединены к одним и тем же узлам, то каждый из них находится под одинаковым напряжением U. Согласно закону Ома токи в сопртивлениях определяются по формулам

Из этих формул следует, что токи в параллельных ветвях с сопротивлениями распределяются прямо пропорционально проводимостям ветвей или обратно пропорционально их сопротивлениям. Ряд параллельно соединенных резисторов можно заменить эквивалентным с сопротивлением R, значение которого должно быть таким, чтобы при том же напряжении на выводах ток в эквивалентном резисторе был равен сумме токов в отдельных ветвях:

т. е. эквивалентная проводимость параллельного соединения резисторов равна сумме проводимостей всех параллельных ветвей. Следовательно, эквивалентное сопротивление будет меньше самого малого из параллельно соединенных резисторов.
Формула (1) дает возможность определить и эквивалентное сопротивление параллельного соединения резисторов. Например, при трех ветвях эквивалентная проводимость

и эквивалентное сопротивление

Для двух резисторов

Если сопротивление ветвей одинаково R1 = R2 = R3, то можно воспользоваться формулой

в общем случае при соединении n резисторов с одинаковым сопротивлением R1 эквивалентное сопротивление равно

Мощности параллельно соединенных резисторов равна сумме мощностей всех резисторов

Источник

Что такое электрическая мощность

Современный человек постоянно сталкивается в быту и на производстве с электричеством, пользуется приборами, потребляющими электрический ток и устройствами, вырабатывающими его. При работе с ними всегда надо учитывать их возможности, заложенные в технических характеристиках.

Транспортировка или передача больших электрических мощностей в промышленных целях выполняется по высоковольтным линиям электропередач.

Преобразование электрической энергии осуществляется на трансформаторных подстанциях.

Потребление электричества происходит в бытовых и промышленных устройствах различного назначения. Одним из распространенных их видов являются лампы накаливания различных номиналов.

Определение мгновенной электрической мощности

В теоретической электротехнике для вывода основных соотношений между током, напряжением и мощностью используются их представления в виде мгновенных величин, которые фиксируются в какой-то определенный временной момент.

Если за очень короткий промежуток времени ∆t единичный элементарный заряд q под действием напряжения U перемещается из точки «1» в точку «2», то он совершает работу, равную разности потенциалов между этими точками. Разделив ее на промежуток времени ∆t, получим выражение мгновенной мощности для единичного заряда Pe(1-2).

Поскольку под действием приложенного напряжения перемещается не только единичный заряд, а все соседние, оказавшиеся под влиянием этой силы, количество которых удобно представить числом Q, то для них можно записать мгновенную величину мощности PQ(1-2).

Выполнив простые преобразования получим выражение мощности Р и зависимость ее мгновенного значения p(t) от составляющих произведения мгновенного тока i(t) и напряжения u(t).

Определение электрической мощности постоянного тока

В цепях постоянного тока величина падения напряжения на участке цепи и протекающего по нему тока не изменяется и остается стабильной, равной мгновенным значениям. Поэтому определить мощность в этой схеме можно перемножением этих величин или делением совершенной работы А на период времени ее выполнения, как показано на поясняющей картинке.

Определение электрической мощности переменного тока

Законы синусоидального изменения токов и напряжений, передаваемых по электрическим сетям, накладывают свое влияние на выражение мощности в таких цепях. Здесь действует полная мощность, которая описывается треугольником мощностей и состоит из активной и реактивной составляющих.

Электрический ток синусоидальный формы при прохождении по линиям электропередач со смешанными видами нагрузок на всех участках не изменяет форму своей гармоники. А падение напряжения на реактивных нагрузках сдвигается по фазе в определенную сторону. Понять влияние приложенных нагрузок на изменение мощности в цепи и ее направление помогают выражения мгновенных величин.

При этом сразу обратите внимание на то, что направление прохождения тока от генератора к потребителю и передаваемой мощности по созданной цепи — это совершенно разные вещи, которые в отдельных случаях могут не только не совпадать, но и направлены в противоположные стороны.

Рассмотрим эти взаимосвязи при их идеальном, чистом проявлении для разных видов нагрузок:

Выделение мощности на активной нагрузке

Будем считать, что генератор вырабатывает идеальную синусоиду напряжения u, которая прикладывается к чисто активному сопротивлению цепи. Амперметр А и вольтметр V замеряют ток I и напряжение U в каждый момент времени t.

На графике видно, что синусоиды тока и падения напряжения на активном сопротивлении совпадают по частоте и фазе, совершая одинаковые колебания. Мощность же, выражаемая их произведением, колеблется с удвоенной частотой и всегда остается положительной.

p=u∙i=Um∙sinωt∙Um/R∙sinωt=Um 2 /R∙sin 2 ωt=Um 2 /2R∙(1-cos2ωt).

Если перейти к выражению действующего напряжения, то получим: p=P∙(1-cos2ωt).

Далее проинтегрируем мощность за период одного колебания Т и сможем заметить, что приращение энергии ∆W за этот промежуток увеличивается. С дальнейшим течением времени активное сопротивление продолжает потреблять новые порции электроэнергии, как показано на графике.

На реактивных нагрузках характеристики потребляемой мощности отличаются, имеют другой вид.

Выделение мощности на емкостной нагрузке

В схеме питания генератора заменим резистивный элемент конденсатором с емкостью С.

Соотношения между током и падением напряжения на емкости выражаются зависимостью: I=C∙dU/dt=ω∙C ∙Um∙cosωt.

Перемножим значения мгновенных выражений тока с напряжением и получим значение мощности, которая потребляется емкостной нагрузкой.

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙Um∙cosωt=ω∙C ∙Um 2 ∙sinωt∙cosωt=Um 2 /(2X_c)∙sin2ωt=U 2 /(2X_c)∙sin2ωt.

Здесь видно, что мощность совершает колебания относительно нуля с удвоенной частотой приложенного напряжения. Суммарное ее значение за период гармоники, как и приращение энергии, равно нулю.

Это означает, что энергия перемещается по замкнутому контуру цепи в обе стороны, но никакой работы не совершает. Подобный факт объясняется тем, что при нарастании напряжения источника по абсолютной величине мощность положительна, а поток энергии по цепи направляется в емкость, где происходит накопление энергии.

После того как напряжение переходит на падающий участок гармоники, из емкости начинается возврат энергии в контур к источнику. В обоих этих процессах полезная работа не совершается.

Выделение мощности на индуктивной нагрузке

Теперь в схеме питания заменим конденсатор индуктивностью L.

Здесь ток через индуктивность выражается соотношением:

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙(-Um/ωL∙cosωt)=-Um 2 /ωL∙sinωt∙cosωt=-Um 2 /(2X_L)∙sin2ωt=-U 2 /(2X_L)∙sin2ωt.

Полученные выражения позволяют увидеть характер изменения направления мощности и приращения энергии на индуктивности, которые совершают такие же бесполезные для выполнения работы колебания, как и на емкости.

Выделяемую на реактивных нагрузках мощность называют реактивной составляющей. Она в идеальных условиях, когда у соединительных проводов нет активного сопротивления, кажется безобидной и не создает никакого вреда. Но в условиях реального электроснабжения периодические прохождения и колебания реактивной мощности вызывают нагрев всех активных элементов, включая соединительные провода, на который затрачивается определенная энергия и снижается величина приложенной полной мощности источника.

Основное отличие реактивной составляющей мощности состоит в том, что она вообще не совершает полезной работы, а ведет к потерям электрической энергии и превышению нагрузок оборудования, особенно опасных в критических ситуациях.

По этим причинам для устранения влияния реактивной мощности используются специальные технические системы ее компенсации.

Выделение мощности на смешанной нагрузке

В качестве примера используем нагрузку на генератор с активно емкостной характеристикой.

На приведенном графике не показаны для упрощения картины синусоиды токов и напряжений, но следует учесть, что при активно-емкостном характере нагрузки вектор тока опережает напряжение.

После преобразований получим: p=P∙(1- cos 2ωt)+Q ∙sin2ωt.

Эти два слагаемые в последнем выражении являются активной и реактивной составляющими мгновенной полной мощности. Только первая из них совершает полезную работу.

Приборы измерения мощности

Для анализа потребления электроэнергии и расчета за нее используются приборы учета, которые давно получили название «счетчики». Их работа основана на измерении действующих величин тока и напряжения и автоматическом перемножении их с выводом информации.

Счетчики отображают потребляемую мощность с учетом времени работы электроприборов по нарастающему принципу от момента включения электросчетчика под нагрузку.

Для замера в цепях переменного тока активной составляющей мощности используются ваттметры, а реактивной — варметры. Они имеют разные обозначения единиц измерения:

Чтобы определить полную мощность потребления, необходимо по формуле треугольника мощностей вычислить ее величину на основе показаний ваттметра и варметра. Она выражается в своих единицах — вольт-амперах.

Принятые обозначения единиц каждой помогают электрикам судить не только о ее величине, но и о характере составляющей мощности.

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

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Расчет электрических нагрузок

2018-03-08 Статьи Комментариев нет

Сегодня речь пойдет о том, как правильно выполнить расчет потребляемой мощности электроэнергии для частного дома, что такое установленная и расчетная мощность нагрузки и для чего вообще нужны все эти расчеты.

Расчет электрических нагрузок производится по двум основным причинам.

Во первых имея представление, какая выделенная мощность нужна для вашего дома, вы можете обратиться в свою энергосбытовую компанию с целью получения именно той мощности, которая вам необходима. Правда надо учитывать наши реалии, далеко не всегда вам пойдут на встречу. В сельской местности зачастую электросети находятся в весьма плачевном состоянии и действует жесткий лимит на выделяемую электроэнергию, поэтому в лучшем случае вам выделят не более 15 кВт, а порой даже этого не добиться.

Во вторых расчетная мощность всех потребителей является основным показателем при выборе номинальных токов защитных и коммутационных аппаратов, а также при выборе необходимого сечения проводников.

Итак, выполнив расчет электрических нагрузок всех наших потребителей, мы узнаем суммарную расчетную мощность (расчетный ток). Под этим понятием подразумевается мощность, равная ожидаемой максимальной нагрузке сети за 30 минут.

Для того, чтобы правильно выполнить расчет нам необходимо знать установленную мощность всех электроприемников и расчетные коэффициенты.

Установленная мощность — это сумма номинальных мощностей всех устройств-потребителей электроэнергии в доме. Значение номинальной мощности берется из паспортных данных на электрооборудование и не является фактической мощностью потребления.

Расчетные коэффициенты, которые необходимо учитывать при расчетах — коэффициент спроса Кс, коэффициент использования Ки и коэффициент мощности cos φ.

Коэффициент спроса — это отношение совмещенного получасового максимума нагрузки электроприемников к их суммарной установленной мощности. То есть он вводится с учетом того, что в любой момент времени не все электроприборы будут потреблять свою полную мощность.

где Рр – расчетная электрическая нагрузка, кВт;
Ру – установленная мощность электроприемников, кВт.

Коэффициент использования — это отношение фактически потребляемой мощности к установленный мощности за определенный период времени.

Ки = Р/Ру

Коэффициент мощности cosφ — это отношение активной мощности, потребляемой нагрузкой к ее полной мощности.

cosφ = Р/S

где P – активная мощность, кВт;
Ру – полная мощность, кВА.

Все коэффициенты принимаются из таблиц соответствующих нормативных документов. Также ниже в таблице указана паспортная (номинальная) мощность отдельных электропотребителей.

Для примера предположим, что у нас есть дачный домик с двумя комнатами, кухней и прихожей. Питание дома однофазное. Для дальнейших расчетов составим таблицу со всеми имеющимися в доме электропотребителями.

Далее переходим уже непосредственно к расчету мощности с учетом всех коэффициентов. Все однотипные электроприемники, такие как розеточная сеть, освещение, объединим в группы и сложим их номинальную мощность. Остальные приемники посчитаем отдельно.

Для определения расчетной активной мощности необходимо номинальную (установленную) мощность умножить на коэффициенты спроса и использования — Pр = Pу * Кс * Ки.

Полную мощность находим, разделив расчетную активную мощность на коэффициент мощности — S = Pp/cos φ.

Расчетный ток для однофазной сети определяется по формуле Ip = Pp/U*cos φ или Ip = S/U. Для трехфазной сети формула будет иметь такой вид Ip = Pp/1,73*U*cos φ или Ip = S/1,73*U.

Для того, чтобы примерно прикинуть какая мощность нужна для дома, можно и не делать таких подробных расчетов. Достаточно сложить установленную мощность потребителей, которые будут использоваться и умножить это значение на коэффициент спроса.

Правда надо учитывать, что это значение будет очень приблизительное и в дальнейшем его придется корректировать.

Источник