Баланс мощностей в электрической цепи онлайн: 9 Баланс мощностей.

Содержание

Электрическая цепь постоянного тока — презентация онлайн

1. Эл.Ц. постоянного тока

Лекция 2

2. Основные законы электрических цепей

Напряжение – разность потенциалов между
крайними точками участка.
a b IR
U ab a b
U ab IR

3. Закон Ома

Участок цепи без ЭДС
U ab IR
U ab a b
I
R
R
Участок цепи с ЭДС
I
( a c ) E U ac E
R
R
! Если направление тока и ЭДС
совпадают, то в формуле
ставят +, если
противоположно, то ставят-.

4. Законы Кирхгофа. I закон Кирхгофа.

Алгебраическая сумма токов в любом узле
электрической цепи равна нулю, или сумма
входящих в узел токов равна сумме токов,
вытекающих из узла.
n
I
k 1
k
0
I1 I 2 I 3 I 4 0

5. Законы Кирхгофа. II закон Кирхгофа.

В любом контуре схемы электрической цепи
алгебраическая сумма напряжений на всех
элементах равна алгебраической сумме Э.Д.С.
m
m
n
k 1
k 1
k 1
U k Rk I k Ek
E4 E1 E3 R1I1 R2 I 2 R3 I 3

6. Соединение сопротивлений

Соединение:
Последовательное
Параллельное
Смешанное
Схема:
Эквивалентное
сопротивление:

7. Мощность в эл. ц. постоянного тока.

Мощностью называется скорость преобразования энергии
одного вида в энергию другого вида

8. Баланс мощностей

З.С.Э. для цепи постоянного тока:
какое количество энергии будет вырабатываться источником
энергии, такое же количество энергии будет потребляться
приемниками энергии.
n
m
p
k 1
k 1
k 1
2
Ek I k U k I k Rk I k

9. Законы Ома и законов Кирхгофа для расчета электрических цепей

Uab=20 В
R1=5 Ом,
R2=3 Ом,
R3=2 Ом,
R4=4 Ом,
R5=7 Ом.
R23 R2 R3 3 2 5
1
1
R45
R
R
5
4
1
R4 R5
2,55
R4 R5
1
R R
1
23 45 1,69
R2345
R23 R45 R23 R45
RЭ=R1+R2345=6,69 Ом
Найти токи в ветвях,
падения напряжений
на каждом из резисторов
I1
U ab
20
2,99, А
RЭ 6,69
U 2345 I1 R2345 2,99 1,69 5,05, В
I2
U 2345
1,01,А
R23
U
I 4 2345 1,26, А
R4
Проверка по I з. Кирхгофа:
I1 I 2 I 4 I 5
I5
U 2345
0,72,А
R5

11. Метод по уравнениям Кирхгофа

Алгоритм:
1. Определить число ветвей (число токов) – n;
2. Определить число узлов – m;
3. Условно задать направление токов в ветвях и
составить (m-1) уравнений;
4. Определить необходимое число уравнений (по II
закону Кирхгофа) и выбрать соответствующее
число замкнутых контуров n-(m-1).
5. Выбрать условное направление обхода контуров,
составить необходимое число уравнений по II
закону Кирхгофа;
6. Решить полученную систему уравнений и
определить все токи. Если в результате токи
получились со знаком +, то направление было
выбрано правильно.
7. Произвести проверку баланса мощностей
1) n=6
2) m=4
3) узел A: I1 + I2 — I6 = 0
узел B: I5 — I1 — I3 = 0
узел С: I4 + I3 — I2 = 0
4) контур I: Е1 — Е2 — Е3 = I1 (r1 + r6) — I2·r2 — I3·r3
контур II: E2 + E4 = I2·r2 + I6·r7 + I4·r4
контур III: E3 + E5 — E4 = I5 (r5 + r8) + I3·r3 — I4·r4
Е1=100 В,
Е2=75 В,
R1=10 Ом,
R2=15 Ом,
R3=20 Ом.
Определить токи в ветвях схемы;
проверку
правильности
решения
произвести
путем
составления
уравнения баланса мощностей цепи.
1.1. Произвольно направим токи во всех ветвях схемы.
1.2. n=3, m=2 (1 уравнение по 1 з. Кирхгофа (m-1), 2 уравнения
по второму (n-(m-1))):
b:
I1 I 2 I 3 0
I1 I 2 I 3 0
I 1 R1 I 2 R2 E1 E 2
I 2 R2 I 3 R3 E 2
ПРОВЕРКА:
n
P
i 1
i
ИСТ
m
PkПР
k 1
I 1 R1 I 2 R2 E1 E 2
I 2 R2 I 3 R3 E 2
I1 = 7,7 A; I2 = 6,5 A; I3 = –1,2 А
E1 I 1 E 2 I 2 I 12 R1 I 22 R2 I 32 R3

13. Метод контурных токов

1 – Выбор направления действительных токов.
2 – Выбор независимых контуров и
направления контурных токов в них.
3 – Определение собственных и общих
сопротивлений контуров, контурных эдс
4 – Составление уравнений и нахождение
контурных токов
5 – Нахождение действительных токов
1.
Зададим направления токов в ветвях.
2.
Зададим направления контурных токов.
Рассчитаем собственные и взаимные сопротивления контуров:
R11 = R1 + R2 = 25 Ом;
R22 = R2 + R3 = 35 Ом;
R12 = R21 = –R2 = –15 Ом.
! Взаимное сопротивление R12 = R21 берем со знаком «–», так как контурные токи в нем не
совпадают по направлению.
3.
Е11 = Е1 + Е2 = 175 В;
Е22 = –Е2 = –75 В.
! Контурная э.д.с. Е22 имеет знак «–», так как направление контурного тока I22 не совпадает с
направлением э.д.с. Е2.
4. Система уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа для контурных токов, для
рассматриваемой цепи имеет вид:
I 11 R11 I 22 R12 E11
I 11 R21 I 22 R22 E 22
Решение данной системы дает следующий результат: I11=7,7 A; I22=1,2 А.
5. Найдем реальные токи в ветвях по величине и направлению:
I1 = I11 = 7,7 A;
I2 = I11 – I22 = 6,5 A;
I3 = I22 = 1,2 А.
Проверка правильности расчета
токов может быть произведена
путем составления уравнения
баланса мощностей

15.

Метод наложения

Порядок расчета:
1 – Составление частных схем, с одним источником ЭДС, остальные источники
исключаются, от них остаются только их внутренние сопротивления.
2 – Определение частичных токов в частных схемах.
3 – Алгебраическое суммирование всех частичных токов, для нахождения токов в
исходной цепи.
1) произвольно выберем направление токов:
2) Составим частные схемы
3) Находим токи любым удобным способом для каждой из схем
4) Находим реальные токи:
I1 I1 I1
I 2 I 2 I 2
I 3 I 3 I 3
Если направление частичного тока
совпадает с направлением исходного
тока, то берем со знаком плюс, в
противном случае со знаком минус.

Расчет электрической цепи постоянного тока. Расчетная часть. Общий баланс мощностей

методе контурных токов уравнения составляют только по
второму закону Кирхгофа для условных контурных токов. Количество контурных
токов, как и количество уравнений должно быть равно числу независимых контуров
рассматриваемой цепи.

Порядок расчета методом контурных токов:

1. Произвольно
задают УНП неизвестных реальных токов в ветвях цепи.

2. Произвольно
задают УНП фиктивных контурных токов.

3. Составляют
уравнения по второму закону Кирхгофа относительно контурных токов.

4. Решают эти
уравнения.

5. Проверяют
расчет.

Составим систему уравнений для данной электрической цепи:

Подставим в систему значения сопротивлений и ЭДС:

Решаем данную систему уравнений методом Крамера:

А;

А.

Выражаем реальные токи через известные контурные токи:

А;

А.

3. Сделать проверку по первому закону Кирхгофа.

Сделаем проверку по первому закону Кирхгофа:

, ;

, .

Проверка по первому закону сошлась. Токи ветвей
рассчитаны правильно.

4. Составить баланс мощностей.

Энергетический баланс мощностей
составляют на основании закона сохранения энергии, согласно которому, энергия, выделившаяся в единицу
времени в сопротивлениях схемы в виде тепла, должна быть равна энергии,
вырабатываемой источниками за тот же промежуток времени.

Найдем мощность, вырабатываемую
источником:

Вт.

Найдем мощность, выделившуюся на
нагрузке:

Найдем относительную погрешность
нахождения баланса мощности:

Погрешность нахождения баланса мощности получилась меньше
2%, что соответствует условию нахождения баланса мощности.

5. Рассчитать ток во второй ветви методом эквивалентного
генератора.

В основе метода эквивалентного генератора лежит теорема
об активном двухполюснике или об эквивалентном генераторе. Согласно этой
теореме, сколь угодно сложную цепь относительно зажимов, выделенной ветви,
можно представить активным двухполюсником или эквивалентным генератором. ЭДС
этого генератора численно равна напряжению холостого хода на зажимах,
выделенной ветви, а внутреннее сопротивление — эквивалентному сопротивлению цепи
относительно тех же зажимов.

Порядок расчета методом эквивалентного генератора:

1. Формируют
схему в режиме холостого хода, разрывая ветвь с искомым током.

2. Рассчитывают
напряжение холостого хода между точками обрыва. Необходимые токи при этом
рассчитывают любым известным методом в схеме в режиме холостого хода.

3. Формируют
схему для определения внутреннего сопротивления. При этом источники ЭДС
выводят, учитывая их внутреннее сопротивление.

4. Рассчитывают
эквивалентное сопротивление относительно выделенных зажимов.

5. По закону
Ома для цепи с эквивалентным генератором рассчитывают ток искомой ветви.

Найдем напряжение холостого хода
разомкнутой ветви:

Найдем ток первой и шестой ветви.
Воспользуемся методом свертывания цепи.

Ом,

А,

Рассчитаем внутреннее сопротивление
генератора. Для чего треугольник (рис. 5)

R1-R5-R3
преобразуем в звезду. Получим схему рис. 6.

Ом,

Ом.

По закону Ома найдем ток ветви:

А.

Ток второй ветви, найденный по
методу эквивалентного генератора, равняется току второй ветви, найденному по
методу контурных токов. Следовательно, расчет методом эквивалентного генератора
выполнен, верно.

6. Построить потенциальную диаграмму для любого контура.

Потенциальная диаграмма – это график изменения потенциала
вдоль замкнутого контура или участка цепи. Построим потенциальную диаграмму для
контура a-b-c-d. Заземлим одну из точек или узлов заданного контура. При
этом полагают, что потенциал этой точки равен нулю.

Пусть , тогда

В,

В.

Рассчитаем суммарное сопротивление контура:

Ом.

Построим потенциальную диаграмму.

Рис. 7

2.2. Расчет электрической цепи переменного тока.

Исходные данные:

R1=10 Ом; C2=127
мкФ; R3=40 Ом; R4=50 Ом; L5=0.143 Гн,

В, В.

1. Составить систему уравнений по законам Кирхгофа в
дифференциальной и комплексной формах (решать систему не надо).

Порядок составления полной системы уравнений по законам
Кирхгофа:

1. Произвольно
задают УНП неизвестных реальных токов в ветвях цепи.

2. Записывают
по законам Кирхгофа систему линейных алгебраических уравнений относительно
неизвестных токов.

Дифференциальная форма законов Кирхгофа:

1: ,

2: ,

I: ,

II: ,

III: .

Законы Кирхгофа в комплексной форме:

1: ,

2: ,

I:
,

II: ,

III: .

2. Составить систему уравнений по методу узловых
потенциалов. Решить систему, определить потенциалы узлов и токи ветвей.

Порядок расчета методом узловых потенциалов:

Задают УПН реальных токов в ветвях цепи.
Заземляют один узел, полагая его потенциал равным нулю.
Записывают уравнения относительно неизвестных потенциалов,
используя первый закон Кирхгофа и закон Ома.
Решают эти уравнения.
По закону Ома рассчитывают реальные токи в ветвях цепи.
Проверяют расчет.

Найдем полные сопротивления ветвей:

Ом,

Ом.

Заземлим 3 узел, полагая
потенциал этого узла равным нулю:

Пример решения задачи методом контурных токов

Скачайте приложение для онлайн решения разветвленной цепи. Вам потребуется только нарисовать схему в редакторе программы и задать численные значения элементов.
Программа сама выдаст подробное пошаговое решение как если бы вы сами делали это РГР.

Для электрической цепи рис. 1, выполнить следующее:

Составить уравнения для определения токов путем непосредственного применения законов Кирхгофа. Решать эту систему уравнений не следует.
Определить токи в ветвях методом контурных токов.
Построить потенциальную диаграмму для любого замкнутого контура, содержащего обе ЭДС.
Определить режимы работы активных элементов и составить баланс мощностей.

Значения ЭДС источников и сопротивлений приемников:
E1 = 130 В, Е2 = 110 В, R1 = 4 Ом, R2 = 8 Ом, R3 = 21 Ом, R4 = 16 Ом, R5 = 19 Ом, R6 = 16 Ом.

Смотрите также
Пример решения схемы методом контурных токов № 1
Пример решения схемы методом контурных токов № 2
Пример решения схемы методом контурных токов № 3
Пример решения схемы методом контурных токов № 4
Пример решения схемы методом контурных токов № 5
Посмотреть видео «Метод контурных токов 2» (пример решения конкретной задачи)

Рис. 1. Схема

Решение. Заказать работу! Решить онлайн! (New!!!)

1. Произвольно расставим направления токов в ветвях цепи, примем направления обхода контуров (против часовой стрелки), обозначим узлы.

Рис. 2

2. Для получения системы уравнений по законам Кирхгофа для расчета токов в ветвях цепи составим по 1-му закону Кирхгофа 3 уравнения (на 1 меньше числа узлов в цепи) для узлов 1,2,3:

По второму закону Кирхгофа составим m – (р – 1) уравнений (где m – кол-во ветвей, р – кол-во узлов ), т.е. 6 – (4 – 1) = 3 для контуров I11, I22, I33:

Токи и напряжения совпадающие с принятым направлением обхода с «+», несовпадающие с «-».
Т.е. полная система уравнений для нашей цепи, составленная по законам Кирхгофа:

3. Определим токи в ветвях методом контурных токов. Зададимся направлениями течения контурных токов в каждом контуре схемы и обозначим их I11, I22, I33 (см. рис. 2)

4. Определим собственные сопротивления трех контуров нашей цепи, а так же взаимное сопротивление контуров:

(Ом)
(Ом)
(Ом)
(Ом)
(Ом)
(Ом)

5. Составим систему уравнений для двух контуров нашей цепи:

Подставим числовые значения и решим.

(А)
(А)
(А)

Определим фактические токи в ветвях цепи:
(А) направление совпадает с выбранным
(А) направление совпадает с выбранным
(А) направление совпадает с выбранным
(А) направление тока потивоположно выбранному
(А) направление совпадает с выбранным
(А) направление совпадает с выбранным

6. Проверим баланс мощностей:

(ВА)
Небольшая разница в полученных результатах является результатом погрешности при округлении числовых значений токов и сопротивлений.

7. Построим потенциальную диаграмму контура изображенного на рис. 3. В качестве начальной точки примем узел 1.

Рис.3

Для построения потенциальной диаграммы определим падения напряжения на каждом сопротивлении, входящем в выбранный контур.
(В)
(В)
(В)
(В)
Потенциал увеличивается если обход осуществляется против направления тока, и понижается если направление обхода совпадает с направлением тока. На участке с ЭДС потенциал изменяется на величину ЭДС. Потенциал повышается в том случае, когда переход от одной точки к другой осуществляется по направлению ЭДС и понижается когда переход осуществляется против направления ЭДС.

Рис. 4. Потенциальная диаграмма. ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ!

Решить онлайн! (New!!!)

Практическая работа по дисциплине Электротехника. название Расчёт цепи постоянного тока методом эквивалентного сопротивления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

Наименование работы: Расчёт цепи постоянного тока методом эквивалентного сопротивления.

Цель работы: Определить общий ток и токи в ветвях при смешанном соединении приемников электрической энергии. Определить эквивалентное сопротивление. Проверить баланс мощности рассматриваемой цепи.

Пояснения к работе.

Неразветвленная электрическая цепь это последовательное соединение приемников электрической энергии.

R₁ R₂ R₃

I U₁ U₂ U₃

U I

Последовательным называется такое соединение приемников электрической энергии, при котором по всем элементам протекает один и тот же ток.

U = U₁ + U₂ + U₃

Эквивалентное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений последовательно включенных резисторов : R_экв = R₁ + R₂ + R₃

Эквивалентным называется такое сопротивление, которое будучи включенным вместо данных резисторов, не изменяет режима работы электрической цепи.

Закон Ома для всей замкнутой цепи имеет вид:

I = U/ (R₁ + R₂ + R₃) I = U/R_экв

Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ – уравнение баланса мощностей.

Общая мощность равна сумме мощностей последовательно включенных резисторов.

Мощности на последовательно включенных резисторах распределяются прямо пропорционально сопротивлениям резисторов.

Напряжение на последовательно включенных резисторах распределяется прямо пропорционально сопротивлениям резисторов.

Разветвленная электрическая цепь это параллельное соединение приемников электрической энергии.

I₁ R₁

I I₂ R₂I

I₃R₃

Параллельным называется такое соединение приемников электрической энергии, при котором на зажимах всех элементов имеется одно и то же напряжение.

U = U₁ = U₂ = U₃

Согласно первого закона Кирхгофа: I = I₁ + I₂ + I₃

Обратная величина эквивалентного сопротивления равна сумме обратных величин сопротивлений резисторов, включенных параллельно: 1/R_экв = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

Величина обратная сопротивлению является проводимостью.

G_экв = 1/R_экв G_экв = G₁ + G₂ + G₃

Эквивалентное сопротивление двух резисторов, включенных параллельно, определяется по формуле: R_экв= R₁•R₂/(R₁ + R₂)

Смешанное соединение – это такое соединение, при котором в электрической схеме имеются одновременно участки с последовательно и параллельно включенными элементами. К этим участкам применяются формулы последовательного и параллельного соединения приемников электрической энергии, а данный метод называется методом эквивалентного сопротивления или методом «свертывания».

Задание:

1. В практической работе необходимо определить общий ток и токи в ветвях при смешанном соединении приемников электрической энергии. Определить эквивалентное сопротивление. Проверить баланс мощности рассматриваемой цепи.

2. Начертить принципиальную схему своего варианта.

варианты № 4, 8, 12, 16 варианты № 3, 7, 11, 15

R₁ R₅ R₁

R₂ R₂ R₄

R₆

U U

_{R₃ R₄ R₆ R₃ R₅}

варианты № 1, 5, 9, 13 варианты № 2, 6, 10, 14

R₁

R₂ R₃ R₁ R₃

R₅ R₅

U U

R₄ R₆ R₆ R₂ R₄

варианты № 20, 24, 28, 32 варианты № 19, 23, 27, 31

R₁ R₁

R₂ R₄ R₂ R₃ R₅

U U

R₃ R₅R₆ R₄ R₆

варианты № 17, 21, 25, 29 варианты № 18, 22, 26, 30

R₁ R₁

R₂ R₄ R₅ R₂ R₄

R₅

U U

R₃ R₆ R₆ R₃

3. Переписать из таблицы данные своего варианта.

4. Выполнить расчет, в соответствии с предлагаемым методом, применяя следующие формулы: последовательное соединение — U = U₁ + U₂ + U₃ ; R_экв = R₁ + R₂ + R₃ ; Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ ; I = U/R_экв; параллельное соединение —U = U₁ = U₂ = U₃; I = I₁ + I₂ + I₃;

1/R_экв = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ ; G_экв = 1/R_экв ; G_экв = G₁ + G₂ + G₃ ; R_экв= R₁R₂/(R₁ + R₂).

5. Исходные данные.

Определить все токи цепи, R_экв, U. Составить баланс мощностей.

Вт

Ом

1,2,3,4

0,3

5,6,7,8

150

100

9,10,11, 12

13,14,15,16

17,18,19,20

0,1

300

100

300

100

21,22,23,24

0,4

25,26,27,28

29,30,31,32

120

Образец решения задачи (вариант №32).

I₁ R₁ Дано: R₁= 5 Ом; R₂ = 15 Ом; R₃ = 5 Ом;

_{R₄ = 80 Ом; R₅ = 120 Ом; R₆ = 12 Ом;}

R₂ R₄ I₄ U₂ = 9 В.

I₂= I₃ Определить: I₁, I₂ = I₃, I₄, I₅, I₆, U, R_экв.

R₃ I₅ R₅R₆ I₆

R₅₆ = R₅∙R₆/(R₅ + R₆) = 120∙12 / (120 +12) = 10,9 Ом
R₂₃ = R₂+ R₃ = 15 +5 = 20 Ом

I₁ R₁

_{_{_R₄}}

U R₂₃ I₂₃ I₄= I₅₆

R₅₆

I₁= I₂₃+ I₄ I₄ = I₅ + I₆ = I₅₆

R ₄₅₆= R ₄ + R₅₆= 80 + 10,9 = 90,9 Ом

I₁ R₁

U R₂₃ I₂₃R₄₅₆ I₄= I₅₆= I₄₅₆

R₂₃₄₅₆ = R₂₃∙R₄₅₆/(R₂₃ + R₄₅₆) = 20∙90,9 / (20 + 90,9) = 16,4 Ом

I₁ R₁

U R₂₃₄₅₆ I₁= I₂₃+I₄₅₆

R_экв = R₁+ R₂₃₄₅₆ = 5 + 16,4 = 21,4 Ом
I₂ = U₂/ R₂= 9/15= 0,6 A I₃ = I₂ = 0,6 A
U₃ = I₃ ∙ R₃ = 0,6∙ 5 = 3 B
U₂₃ = U₂ + U₃ = 9 + 3 = 12 B U₂₃ = U₄₅₆ = 12 B
I₄ = U₄₅₆/ R₄₅₆= 12/ 90,9 = 0,13 A
U₄ = I₄∙ R₄ = 0,13 ∙ 80 = 10,6 B
U₅₆ = U₄₅₆ – U₄ = 12 – 10,6 = 1,4 B

U₅ = U₆ = U₅₆ = 1,4 B

I₅ =U₅ / R₅ = 1,4/120 = 0,01 A
I₆ = U₆/ R₆= 1,4/ 12 = 0,12 A

I₄ = I₅ + I₆= 0,01 + 0,12 = 0,13 A

I₁ = I₂ + I₄= 0,6 + 0,13 = 0,73 A
U₁ = I₁∙ R₁ = 0,73 ∙ 5 = 3,7 B
U = U₁ + U₂₃ = 3,7 + 12 = 15,7 B

Проверить баланс мощности:

P₁ = U₁ ∙ I₁ = 3,7 ∙ 0,73 = 2,7 Вт;

P₂ = U₂ ∙ I₂ = 9 ∙ 0,6 = 5,4 Вт;

P₃ = U₃ ∙ I₃ = 3 ∙ 0,6 = 1,8 Вт;

P₄ = U₄ ∙ I₄ = 10,6 ∙ 0,13 = 1,4 Вт;

P₅ = U₅ ∙ I₅ = 1,4 ∙ 0,01 = 0,014 Вт;

P₆ = U₆ ∙ I₆ = 1,4 ∙ 0,12 = 0,168 Вт;

P = U∙I = 15,7∙0,73 = 11,46 ≈ 11,5 Вт

P = P₁ + P₂ + P₃ + P₄ + P₅ + P₆ .

11,5 Вт = 2,7 + 5,4 + 1,8 + 1,4 + 0.01 + 0,17 = 11,48 ≈ 11,5 Вт.

11,5 Вт = 11,5 Вт.

Работа на занятии.

1. В соответствии с принципиальной схемой своего варианта, используя исходные данные, произвести расчет токов во всех ветвях цепи, определить эквивалентное сопротивление. Проверить баланс мощности рассматриваемой цепи.

2. При решении применить предлагаемые формулы и образец решения подобной задачи.

Содержание отчета.

1. Цель работы.

2. Принципиальная электрическая схема.

3. Исходные данные

4. Формулы, необходимые для расчета.

5. Решение задачи.

6. Вывод по работе.

Литература.

1. 1. 1. 1. Ф.Е. Евдокимов. Теоретические основы электротехники.- М.: Высшая школа, 2004.

стр. 64-65, 68-69, 75-76.

1. 1. 1. 1. Конспект лекций. Тема: «Электрические цепи постоянного тока».

1. Определить токи в ветвях с помощью уравнений составленных по законам Кирхгофа. 2. Определить токи во всех ветвях методом контурных токов. 3. Результаты расчета токов, проведенного двумя методами, свести в таблицу и сравнить их между собой. 4. Составить баланс мощностей в расчетной схеме, вычислив отдельно суммарную мощность источников электрической энергии и суммарную мощность нагрузок.Вариант 89

Артикул: 1149933

Раздел:Технические дисциплины (95246 шт.) >
Теоретические основы электротехники (ТОЭ) (12697 шт.) >
Цепи постоянного тока (2676 шт.)

Название:ЗАДАЧА № 1
РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Задание:
1. Определить токи в ветвях с помощью уравнений составленных по законам Кирхгофа.
2. Определить токи во всех ветвях методом контурных токов.
3. Результаты расчета токов, проведенного двумя методами, свести в таблицу и сравнить их между собой.
4. Составить баланс мощностей в расчетной схеме, вычислив отдельно суммарную мощность источников электрической энергии и суммарную мощность нагрузок.
Вариант 89

Описание:
Подробное решение в WORD+файл Mathcad

Поисковые тэги: Законы Кирхгофа, Метод контурных токов (МКТ), Баланс мощностей

Изображение предварительного просмотра:

Процесс покупки очень прост и состоит всего из пары действий:
1. После нажатия кнопки «Купить» вы перейдете на сайт платежной системы, где можете выбрать наиболее удобный для вас способ оплаты (банковские карты, электронные деньги, с баланса мобильного телефона, через банкоматы, терминалы, в салонах сотовой связи и множество других способов)
2. После успешной оплаты нажмите ссылку «Вернуться в магазин» и вы снова окажетесь на странице описания задачи, где вместо зеленой кнопки «Купить» будет синяя кнопка «Скачать»
3. Если вы оплатили, но по каким-то причинам не смогли скачать заказ (например, случайно закрылось окно), то просто сообщите нам на почту или в чате артикул задачи, способ и время оплаты и мы отправим вам файл.

Веб-сайт кабинета физики

Электрические схемы: обзор набора проблем

Этот набор из 34 задач нацелен на вашу способность определять такие величины цепи, как ток, сопротивление, разность электрических потенциалов, мощность и электрическая энергия, на основе словесных описаний и диаграмм физических ситуаций, относящихся к электрическим цепям. Проблемы варьируются по сложности от очень простых и простых до очень сложных и сложных.Более сложные задачи обозначены цветом , синие задачи .

Текущий

Когда заряд течет по проводам электрической цепи , считается, что в проводах присутствует ток. Электрический ток — это измеримое понятие, которое определяется как скорость , с которой заряд проходит через точку в цепи. Его можно определить, измерив количество заряда, протекающего по площади поперечного сечения провода в цепи.Как величина скорости, ток (I) выражается следующим уравнением

I = Q / т

где Q — количество заряда, протекающего через точку за период времени t. Стандартной метрической единицей измерения величины тока является ампер, часто сокращенно Ампер или А. Ток в 1 ампер эквивалентен 1 кулону заряда, проходящего через точку за 1 секунду. Поскольку количество заряда, проходящего через точку в цепи, связано с количеством мобильных носителей заряда (электронов), которые проходят через эту точку, ток также может быть связан с количеством электронов и временем.Чтобы установить связь между током и числом электронов, нужно знать количество заряда на одном электроне.

Q _{электрон} = 1,6 x 10 ^-19 C

Сопротивление

Когда заряд течет по цепи, он встречает сопротивление или препятствие для его прохождения. Как и ток, сопротивление — это измеримый термин. Величина сопротивления, обеспечиваемого сечением провода, зависит от трех переменных — материала, из которого сделан провод, длины провода и площади поперечного сечения провода.Одним из физических свойств материала является его удельное сопротивление — мера способности материала сопротивляться прохождению заряда через него. Значения удельного сопротивления для различных проводящих материалов обычно указаны в учебниках и справочниках. Зная значение удельного сопротивления (ρ) материала, из которого состоит провод, а также его длину (L) и площадь поперечного сечения (A), его сопротивление (R) можно определить с помощью приведенного ниже уравнения.

R = ρ • L / A

Стандартная метрическая единица измерения сопротивления — Ом (сокращенно греческой буквой Ом ).

Основная трудность при использовании приведенного выше уравнения связана с единицами выражения различных величин. Удельное сопротивление (ρ) обычно выражается в Ом • м. Таким образом, длина должна быть выражена в метрах, а площадь поперечного сечения — в метрах ². Многие провода круглые и имеют круглое сечение. Таким образом, площадь поперечного сечения в приведенном выше уравнении можно рассчитать, зная радиус или диаметр провода, используя формулу для площади круга.

A = π • R ² = π • D ²/4

Соотношение напряжение-ток-сопротивление

Величина тока, протекающего в цепи, зависит от двух переменных. Ток обратно пропорционален общему сопротивлению (R) цепи и прямо пропорционален разности электрических потенциалов, приложенной к цепи. Разность электрических потенциалов (ΔV), приложенная к цепи, — это просто напряжение, подаваемое источником энергии (батареи, розетки и т. Д.).). Для домов в США это значение близко к 110–120 вольт. Математическая взаимосвязь между током (I), напряжением и сопротивлением выражается следующим уравнением (которое иногда называют уравнением закона Ома ).

Сила

Электрические схемы — это энергия. Энергия включается в цепь аккумулятором или коммерческим поставщиком электроэнергии.Элементы схемы (свет, обогреватели, двигатели, холодильники и даже провода) преобразуют эту электрическую потенциальную энергию в другие формы энергии, такие как световая энергия, звуковая энергия, тепловая энергия и механическая энергия. Мощность означает скорость, с которой энергия передается или преобразуется устройством или цепью. Это скорость, с которой энергия теряется или приобретается в любом заданном месте в цепи. Таким образом, общее уравнение мощности —

P = ΔE / т

Потеря (или усиление) энергии — это просто произведение разности электрических потенциалов между двумя точками и количества заряда, который перемещается между этими двумя точками за период времени t.Таким образом, потеря (или усиление) энергии равна просто ΔV • Q. Когда это выражение подставляется в вышеприведенное уравнение, уравнение мощности становится

P = ΔV • Q / т

Поскольку отношение Q / t, найденное в приведенном выше уравнении, равно току (I), приведенное выше уравнение также можно записать как

P = ΔV • I

Комбинируя уравнение закона Ома с приведенным выше уравнением, можно получить два других уравнения мощности. Их

P = I ² • R

P = ΔV ² / R

Стандартная метрическая единица измерения мощности — Вт .В единицах измерения ватт эквивалентен усилителю • Вольт, усилителю ² • Ом и вольт ² / Ом.

Затраты на электроэнергию

Коммерческая энергетическая компания взимает с домохозяйств ежемесячную плату за поставленную энергию. В счете за услуги обычно указывается количество энергии, потребленной в течение месяца, в единицах киловатт • часов . Эта единица — единица мощности, умноженная на единицу времени — является единицей энергии.Домохозяйство обычно оплачивает счет на основе количества кВт • ч электроэнергии, потребленной в течение месяца. Таким образом, задача определения стоимости использования конкретного прибора в течение заданного периода времени довольно проста. Сначала необходимо определить мощность и преобразовать ее в киловатты. Затем эту мощность необходимо умножить на время использования в часах, чтобы получить потребляемую энергию в единицах кВт • час. Наконец, это количество энергии должно быть умножено на стоимость электроэнергии из расчета $ / кВт • час, чтобы определить стоимость в долларах.

Эквивалентное сопротивление

Довольно часто в цепи используется более одного резистора. Хотя каждый резистор имеет собственное индивидуальное значение сопротивления, общее сопротивление цепи отличается от сопротивления отдельных резисторов, составляющих цепь. Величина, известная как эквивалентное сопротивление , указывает полное сопротивление цепи.Концептуально эквивалентное сопротивление — это сопротивление, которое один резистор будет иметь, чтобы оказывать такое же общее влияние на сопротивление, как и комбинация резисторов, которые присутствуют. Таким образом, если в схеме есть три резистора с эквивалентным сопротивлением 25 Ом, то один резистор на 25 Ом может заменить три отдельных резистора и оказать влияние на схему, эквивалентное эквиваленту . Значение эквивалентного сопротивления (R _eq) учитывает индивидуальные значения сопротивления резисторов и способ их подключения.

Есть два основных способа включения резисторов в электрическую цепь. Они могут быть подключены последовательно или параллельно . Резисторы, которые соединены последовательно, подключаются последовательно, так что весь заряд, который проходит через первый резистор, также проходит через другие резисторы. При последовательном соединении весь заряд, протекающий по цепи, проходит через все отдельные резисторы. Таким образом, эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов является суммой значений отдельных сопротивлений этих резисторов.

R _экв = R ₁ + R ₂ + R ₃ +… (последовательные соединения)

Параллельно подключенные резисторы подключаются бок о бок, так что заряд, приближающийся к резисторам, разделяется на два или более разных пути. Параллельно подключенные резисторы характеризуются наличием участков разветвления, в которых заряд разветвляется по разным путям. Заряд, который проходит через один резистор, не проходит через другие резисторы.Эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов меньше значений сопротивлений всех отдельных резисторов в цепи. Хотя это может быть не совсем интуитивно понятным, уравнение эквивалентного сопротивления параллельно соединенных резисторов дается уравнением с несколькими взаимными членами.

1 / R _экв. = 1 / R ₁ + 1 / R ₂ + 1 / R ₃ +… (параллельное соединение)

Анализ последовательной цепи

Некоторые проблемы второй половины этого набора относятся к последовательным цепям.Нередко проблема сопровождается рисунком или схемой, показывающей расположение батарей и резисторов. Чертеж и соответствующая принципиальная схема ниже представляют последовательную цепь, питаемую тремя ячейками и имеющую три последовательно соединенных резистора (лампочки).

Если представить себе заряд, покидающий положительный полюс батареи и следующий по своему пути, когда он пересекает полный контур, становится очевидным, что заряд проходит через все резисторы последовательно.Таким образом, он соответствует критериям последовательной цепи. Знание того, что схема является последовательной, позволяет связать общее или эквивалентное сопротивление цепи с отдельными значениями сопротивления с помощью уравнения эквивалентного сопротивления, описанного выше.

R _экв = R ₁ + R ₂ + R ₃ +… (последовательные соединения)

Ток последовательной цепи в резисторах такой же, как и в батарее. Поскольку нет ответвлений в местах, где заряд разделяется на пути, можно сказать, что ток в батарее равен току в резисторе 1, равен току в резисторе 2 и равен току в резисторе 3…. В форме уравнения можно записать, что

I _{аккумулятор} = I ₁ = I ₂ = I ₃ =… (последовательные цепи)

Когда заряд проходит через резисторы в последовательной цепи, происходит падение электрического потенциала, когда он проходит через каждый резистор. Это падение электрического потенциала на каждом резисторе определяется током через резистор и сопротивлением резистора. Это согласуется с уравнением закона Ома, описанным выше (ΔV = I • R).Поскольку ток (I) в каждом отдельном резисторе одинаков, логично заключить, что резисторы с наибольшим сопротивлением (R) будут иметь наибольшую разность электрических потенциалов (ΔV), приложенную к ним.

Разность электрических потенциалов на отдельных резисторах цепи часто обозначается как падения напряжения . Эти падения напряжения последовательно соединенных резисторов математически связаны с электрическим потенциалом или номинальным напряжением элементов или батареи, которые питают цепь.Если заряд приобретает 12 В электрического потенциала при прохождении через батарею электрической цепи, то он теряет 12 В при прохождении через внешнюю цепь. Это падение электрического потенциала на 12 В является результатом серии отдельных падений электрического потенциала, проходящих через отдельные резисторы последовательной цепи. Эти отдельные падения напряжения (разность электрических потенциалов) в сумме дают общее падение напряжения в цепи. В форме уравнения можно сказать, что

ΔV _{аккумулятор} = ΔV ₁ + ΔV ₂ + ΔV ₃ +… (последовательные цепи)

где ΔV _{аккумулятор} — электрический потенциал, накопленный в аккумуляторе, а ΔV ₁, ΔV ₂ и ΔV ₃ — падения напряжения (или разности электрических потенциалов) на отдельных резисторах.

Более подробное и исчерпывающее обсуждение последовательных схем и их анализа можно найти в Учебном пособии по физике.

Анализ параллельных цепей

Самые последние задачи в этом наборе относятся к параллельным цепям. Опять же, нет ничего необычного в том, что проблема сопровождается рисунком или схематической диаграммой, показывающей расположение батарей и резисторов.Чертеж и соответствующая принципиальная схема ниже представляют собой параллельную цепь с питанием от трех ячеек и имеющую три параллельно включенных резистора (лампочки).

Если представить себе заряд, покидающий положительный полюс батареи и следующий по своему пути, когда он пересекает полный контур, становится очевидным, что заряд достигает места разветвления до того, как достигнет резистора. В месте разветвления, которое иногда называют узлом, заряд проходит по одному из трех возможных путей через резисторы. Вместо того, чтобы проходить через каждый резистор, один заряд будет проходить через единственный резистор во время полного цикла вокруг цепи. Таким образом, он соответствует критериям параллельной цепи. Знание того, что схема является параллельной, позволяет связать общее или эквивалентное сопротивление схемы с отдельными значениями сопротивления с помощью уравнения эквивалентного сопротивления, описанного выше.

1 / R _экв. = 1 / R ₁ + 1 / R ₂ + 1 / R ₃ +… (параллельное соединение)

В месте разветвления заряд разделяется на отдельные пути.Таким образом, ток в отдельных путях будет меньше, чем ток вне путей. Общий ток в цепи и ток в батарее равны сумме тока в отдельных цепях. В форме уравнения можно записать, что

I _{аккумулятор} = I ₁ + I ₂ + I ₃ +… (параллельные цепи)

Текущие значения этих отдельных ветвей контролируются двумя величинами — сопротивлением резистора в ответвлении и разностью электрических потенциалов (ΔV), приложенной к ответвлению. В соответствии с уравнением закона Ома, рассмотренным выше, можно сказать, что ток в ветви 1 равен разности электрических потенциалов на ветви 1, деленной на сопротивление ветви 1. Аналогичные утверждения можно сделать и для других ветвей. В форме уравнения можно указать, что

I ₁ = ΔV ₁ / R ₁

I ₂ = ΔV ₂ / R ₂

I ₃ = ΔV ₃ / R ₃

Эклектические разности потенциалов (ΔV ₁, ΔV ₂ и ΔV ₃) на отдельных резисторах часто называют падениями напряжения.Подобно последовательным цепям, любой заряд, покидающий батарею, должен испытывать такое же падение напряжения, как и усиление, которое он обнаруживает при прохождении через батарею. Но в отличие от последовательных цепей, в параллельной цепи заряд проходит только через один резистор. Таким образом, падение напряжения на этом резисторе должно равняться разности электрических потенциалов на батарее. В форме уравнения можно указать, что

ΔV _{аккумулятор} = ΔV ₁ = ΔV ₂ = ΔV ₃ +… (параллельные цепи)

Более подробное и исчерпывающее обсуждение параллельных схем и их анализа можно найти в учебном пособии по физике.

Привычки эффективно решать проблемы

Эффективный решатель проблем по привычке подходит к физической проблеме таким образом, чтобы отражать набор дисциплинированных привычек. Хотя не все эффективные специалисты по решению проблем используют один и тот же подход, все они имеют общие привычки.Эти привычки кратко описаны здесь. Эффективное решение проблем …

… внимательно читает задачу и создает мысленную картину физической ситуации. При необходимости они набрасывают простую схему физической ситуации, чтобы помочь визуализировать ее.
… идентифицирует известные и неизвестные величины и записывает их в организованном порядке, часто записывая их на самой диаграмме. Они приравнивают заданные значения к символам, используемым для представления соответствующей величины (например,г., ΔV = 9,0 В; R = 0,025 Ом; Я = ???).
… строит стратегию решения неизвестной величины; стратегия, как правило, сосредоточена на использовании физических уравнений и во многом зависит от понимания принципов физики.
… определяет подходящую (ые) формулу (ы) для использования, часто записывая их. При необходимости они выполняют необходимое преобразование количеств в правильные единицы.
… выполняет подстановки и алгебраические манипуляции, чтобы найти неизвестную величину.

Подробнее …

Дополнительная литература / Учебные пособия:

Следующие страницы Учебного пособия по физике могут быть полезны для того, чтобы помочь вам в понимании концепций и математики, связанных с этими проблемами.

Набор проблем электрических цепей

Просмотреть набор задач

Электрические схемы Решения с аудиогидом

Просмотрите решение проблемы с аудиогидом:
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34

Баланс между цепями

Как баланс между токами в двух цепях влияет на поле, создаваемое воздушной линией

Фактическое поле, создаваемое воздушной линией, зависит от нескольких факторов.Эта страница иллюстрирует это для одной стандартной линии, линии передачи L12 на 400 кВ с типичными нагрузками. Все наши подробные расчеты полей определяют условия, для которых они были рассчитаны.

Типичная линия передачи имеет две цепи, по одной с каждой стороны опор, каждая с тремя пучками проводов или «фаз». Магнитное поле зависит не только от того, насколько велики токи, протекающие в этих проводниках, но и от того, насколько хорошо сбалансированы разные токи, то есть насколько они почти равны — равны ли токи в каждой из двух цепей или нет? Связанный фактор — равны токи в трех фазах в каждой цепи или нет? — здесь рассматривается.

Как это работает

Важность баланса токов между двумя цепями зависит от фазировки линии. При «непереносимой» фазировке магнитные поля двух контуров усиливают друг друга, и не имеет большого значения, равны они или нет. Но при «транспонированной» фазировке магнитные поля двух цепей частично компенсируют друг друга. Если два тока равны, подавление хорошее, и магнитное поле уменьшается, особенно на больших расстояниях.Но если два тока не равны, подавление будет хуже, а магнитное поле на расстоянии больше.

Это проиллюстрировано на следующем графике, где мы берем одинаковый общий ток, 1000 А, но по-разному распределяем его между двумя цепями линии.

Средняя линия передачи National Grid не имеет идеально сбалансированных токов в двух цепях. (Некоторые линии, где две цепи соединены параллельно между одними и теми же двумя точками, на самом деле имеют почти идеальный баланс, за исключением нечетных недель, когда одна цепь отключается на техническое обслуживание, но для других две цепи обеспечивают питание в разных местах и редко сбалансированный.)

Чтобы учесть это, все подробные расчеты магнитных полей здесь, на этом веб-сайте, намеренно вводят некоторый дисбаланс для транспонированной фазировки — вот почему кривая для «типичного» магнитного поля для 400 кВ и 275 кВ не симметрична, потому что ток на одной стороне линии выше, чем на другой. Точно так же цифры в этой таблице являются средними по ряду фактических линий национальной энергосистемы, поэтому они включают в себя любой дисбаланс, который действительно присутствовал в течение рассматриваемого года в этих линиях.Аналогичным образом, когда SAGE вычисляла среднее расстояние, на котором поля могут упасть до заданного уровня, при этом учитывались несбалансированные нагрузки.

Объяснение электрической мощности — Часть 3: Сбалансированное трехфазное питание переменного тока

Большие трехфазные двигатели и оборудование, которым они управляют, должны одинаково потреблять мощность от каждой из трех фаз сети. Однако этого часто не происходит. Дисбаланс и гармоники могут вызвать нестабильность, а вибрация двигателя снижает как эффективность, так и срок службы. Дисбаланс также может вызвать сбои в работе однофазных нагрузок.Все это может снизить качество вашей электроэнергии, что приведет к штрафным санкциям со стороны вашей электросети.

В этом блоге мы опишем сбалансированные трехфазные системы питания, в которых каждая из фаз потребляет одинаковый ток. В следующих статьях блога, опубликованных позже, мы расскажем о несбалансированной мощности.

В нашем предыдущем блоге было показано, как плавно изменяемые мгновенные кривые тока и мощности могут быть просто представлены одними числами: параметрами. Возможно, наиболее полезными являются активная, реактивная и полная мощности.

Активная мощность выполняет полезную работу, протекает через резистивную часть сети и имеет то же среднее значение, что и мгновенная мощность. Реактивная мощность проходит через индуктивную часть цепи на 90 ° позже и имеет среднее значение, равное нулю. Полная мощность — это общая мощность, которую видит коммунальное предприятие. Коэффициент мощности — это активная полная мощность.

Сбалансированные индуктивные / резистивные нагрузки

Трехфазные резистивные нагрузки просты, поэтому мы сразу перейдем к индуктивным нагрузкам (которые также включают резистивную составляющую).

В сбалансированной системе полная активная / реактивная / полная мощности — это просто сумма их соответствующих фазных мощностей.

Базовая трехфазная система питания с тремя индуктивными нагрузками по 600 ВА. (Красный, зеленый и синий цвета фазы предназначены только для демонстрации и не соответствуют никаким стандартам)

Сумма каждого из напряжений (и токов) в точке звезды всегда равна нулю. В сбалансированной системе ток нейтрали и мощность нейтрали равны нулю. Вы можете думать о сбалансированной трехфазной системе как о трех однофазных системах, подключенных к нейтральной линии.

Формы сигналов напряжения и тока в сбалансированной системе

Формы сигналов трехфазного напряжения и тока

Каждое напряжение отстает от предыдущего на 120 ° (посмотрите на пересечения нуля). Двигатель также снова вносит свой собственный фазовый сдвиг на 30 ° между напряжением и током.

Векторная диаграмма (векторная диаграмма) показывает ту же информацию, что и осциллограммы.

На этой векторной диаграмме показаны только основные значения. Длины линий представляют собой среднеквадратичные значения, а их высота над исходной точкой показывает мгновенные значения.Все вращается со скоростью 60 раз в секунду против часовой стрелки. Опять же, напряжения фаз B и C отстают на 120 ° и 240 °, а фазные токи A, B и C отстают на 30 °, 150 ° и 270 °.

Вы также можете нарисовать векторную диаграмму для каждой гармонической составляющей (но только основная составляющая обычно переносит полезную энергию).

Системы Y и треугольника

Различия между системами Y и Δ

Существуют различия между системами 4-проводной схемы WYE (Y) и 3-проводной схемы треугольника (Δ). Несбалансированность легче всего продемонстрировать в системах Y, поэтому с этого момента мы снова будем в основном их рассматривать.Процедуры расчета дисбаланса в основном одинаковы для Y и Δ, но разница заключается в используемых уравнениях.

Три правила работы схемы | ОРЕЛ

Приветствую новых инженеров. Это прекрасное место для начала — с простой схемы, которая является строительным блоком для каждого элемента электроники в нашем мире. Полностью разобравшись, вы будете готовы начать собственное путешествие по их проектированию и устранению неисправностей.

Строительные блоки схемы

Перед тем, как погрузиться в полную схему, разумно сначала поразмыслить над отдельными частями, составляющими единое целое, такими как поток, нагрузка и проводимость.Мы разбили эти принципы на три основных правила:

Правило 1. Электричество всегда будет течь от более высокого напряжения к более низкому.
Правило 2 — Электричество всегда требует работы.
Правило 3 — Электричество всегда требует дороги.

Правило 1. Все дело в потоке

Каждой электронной схеме нужен источник питания, будь то батарея AA, которую можно вставить в контроллер Xbox One, или что-то с большей силой, например настенная розетка, которая может питать большое количество устройств.Электроэнергия, выходящая из этих источников, измеряется напряжением или вольтами, или просто В.

Да, мы говорим о таком напряжении! Когда он будет достаточно высоким, это может нанести серьезный ущерб.

Независимо от того, откуда течет эта энергия, ее цель всегда одна — переходить из одной области в другую и в процессе выполнять некоторую работу, например, заряжать компьютер или включать свет.

Основным компонентом этого потока энергии является то, что электричество будет всегда течь от более высокого напряжения к более низкому напряжению. Всегда. Это называется потенциалом . Можно сказать, что это потенциальное электричество, которое должно перемещаться из одного района в другой.

Поток высокого (положительного) напряжения в низкое (отрицательное) напряжение.

Как это соотносится с нашим реальным миром? Возьмем для примера простую батарею:

Батарея имеет две стороны, отрицательная сторона — это низкое напряжение, измеряемое при 0 В, положительная сторона — это высокое напряжение, измеряемое при 1,5 В.
Энергия всегда будет вытекать из положительной стороны батареи, чтобы перейти к отрицательной стороне, чтобы найти баланс.
Для этого он должен протекать по чему-то, обычно по медному проводу, и выполнять при этом некоторую работу, например включать свет или вращать двигатель.

В конце концов, все электричество хочет найти равновесие на земле (0 В). Единственный способ сделать это в батарее — сместить положительный полюс на отрицательный. Мы извлекаем выгоду из этого естественного стремления к энергии, размещая некоторые объекты так, чтобы они проходили через них, что позволяет нам включать свет, силовые двигатели и включать и выключать транзисторы в компьютере.

Все это составляет Правило 1 — Электричество всегда будет хотеть течь от более высокого напряжения к более низкому напряжению. Помните это; это никогда не изменится.

Правило 2 — Начало работы

Итак, у вас может быть электричество, которое хочет перетекать с более высокого напряжения на более низкое, но какой в этом смысл? Единственная причина заставить электричество течь — это немного поработать. Этот процесс, когда электричество выполняет работу в цепи, называется нагрузкой .Без нагрузки или работы с электричеством нет смысла иметь электрическую цепь. Нагрузка может быть чем угодно, например:

Spinning Двигатель, вращающий пропеллеры дрона.
Включение светодиода на кабеле для зарядки, чтобы указать, что ваш ноутбук подключен к электросети.
Подключение гарнитуры по беспроводной сети к ноутбуку для прослушивания музыки.

Это сезон, электрическая нагрузка бывает разных форм, одна из которых питает эти светодиоды.(Источник изображения)

Обратите внимание, что все эти нагрузки являются действиями. Электричество всегда заставляет происходить что-то физическое, даже если мы не можем увидеть это собственными глазами. Но почему это называется нагрузкой? Вы можете думать об этом как об обузе для всего, что питает вашу схему. Для вращения двигателя требуется электричество, а это забирает у вашего источника питания энергию, которая у него когда-то была.

Помните Правило 2 — У электричества всегда есть работы, которые необходимо выполнить . Без работы схема бесполезна.

Правило 3 — По пути

Третье и последнее правило — вот что делает возможными первые два правила — электричеству нужен путь, по которому он может двигаться. Этот путь действует как своего рода посредник. Допустим, вы подключаете зарядное устройство ноутбука к розетке, а затем к ноутбуку. Он, очевидно, заряжается, но без этого шнура между компьютером и розеткой ничего бы не произошло.

Это потому, что электричеству нужен путь, по которому можно добраться из одного пункта назначения в другой.И путь всегда одинаковый:

Электроэнергия — Электричество всегда исходит от источника, такого как батарея или розетка.
Journey — Затем он путешествует по тропе, выполняя свою работу по пути.
Пункт назначения — Затем он прибывает в конечный пункт назначения, находя покой в точке с самым низким напряжением.

Этот путь, по которому проходит электричество, состоит из так называемого проводящего материала, который состоит из обычных металлов, таких как медь, серебро, золото или алюминий.Электроэнергетика любит ездить на этой штуке. Электричество также очень избирательно, и оно не мешает путешествовать по дорожкам, сделанным из индуктивных материалов. Сюда входят такие вещи, как резина, стекло и даже воздух.

Видите все эти медные провода? Электричество любит путешествовать по этому проводящему материалу.

Помните Правило 3 — Электричеству всегда нужен путь, чтобы пройти по . Без пути он никуда не денется.

Собираем все вместе — полная схема

Давайте теперь объединим все эти правила в полное определение схемы.

Цепь — это просто путь, по которому может течь электричество.

И прямо здесь, используя эту простую концепцию, мужчины и женщины построили безумно сложные цепи, которые отправили человечество в космос и в глубины наших глубочайших океанов. А пока давайте упростим и соберем нашу первую схему. Вот что вам понадобится, если вы хотите продолжить:

(1) аккумулятор 9 В
(1) Резистор 470 Ом
(1) Стандартный светодиод
(3) Измерительные провода с зажимами типа «крокодил»

Шаг 1 — Добавление источника питания

Возвращаясь к нашему правилу трех, первое гласит, что электричество всегда будет течь от более высокого напряжения к более низкому. Итак, это означает, что нам нужен какой-то источник питания в этой цепи, мы добавим нашу батарею на 9 В.

Начало нашей схемы начинается с батареи 9В.

Правило 1 теперь выполнено. У нас есть какой-то источник питания, у которого высокое напряжение на положительном конце (+) и 0 В на отрицательном конце (-). Но все это электричество будет потрачено зря, если мы не будем с ним что-то делать, поэтому давайте дадим ему немного работы (нагрузку).

Шаг 2. Добавляем немного работы

Теперь мы хотим, чтобы электричество поработало за нас, прежде чем оно успокоится, поэтому давайте включим простой светодиодный индикатор.Скорее всего, вы видели это повсюду: на своей елке, фонариках, лампочках и т. Д. Итак, мы возьмем этот светодиод и поместим его с другой стороны нашей батареи.

Теперь о светодиодах следует упомянуть то, что они очень чувствительны и не могут пропускать слишком много энергии, поэтому нам нужно добавить так называемый резистор. Мы не будем сейчас вдаваться в подробности, но просто знаем, что резистор будет действовать так, как сказано в его названии, — сопротивляться потоку электричества, достаточному для того, чтобы наш светодиод справился с ним. Разместим резистор слева от светодиода.

Добавляем немного работы в нашу схему с помощью светодиода и резистора.

Отлично, Правило 2 выполнено, и у нашего электричества есть над чем поработать. Но у него нет возможности завершить свою работу без пути, давайте добавим это сейчас.

Шаг 3 — Указание пути

Эта деталь проста, нам просто нужно соединить наши зажимы типа «крокодил» между всеми компонентами нашей схемы. Если вы сделаете это правильно, то ваш светодиод будет ярко светить! Помните, что при подключении проводов к батарее всегда подключайте сначала положительный конец, а затем отрицательный.Посмотрите на картинку ниже, чтобы увидеть, как все это должно быть связано вместе.

Теперь у нашего электричества есть проход с добавленными зажимами из крокодиловой кожи

Типы цепей

Теперь, прежде чем вы убежите в дикую природу и построите свои собственные схемы, вам нужно знать о двух способах описания схемы, один из которых может испортить жизнь вашей схемы, они включают:

Замкнутый или открытый контур

Цепь считается замкнутой цепью , когда есть полный путь, по которому может проходить электричество. Это также называется полной схемой. Теперь, если ваша цепь не работает должным образом, это означает, что это разомкнутая цепь . Это может быть вызвано несколькими причинами, в том числе неплотным соединением или обрывом провода.

Вот простой и наглядный способ понять разницу между замкнутой и разомкнутой цепями. Посмотрите на схему ниже и обратите внимание, что это та же самая цепь, которую мы создали выше, только теперь в ней есть переключатель.

Вот схема цепи, которую мы сделали выше.Обратите внимание на добавление переключателя.

Сейчас переключатель поднят, и вы увидите, что электричество не имеет плавного пути, поскольку переключатель разрывает соединение. Это разомкнутая цепь. Но что произойдет, если щелкнуть выключателем?

Теперь наш переключатель срабатывает, замыкая цепь, позволяя электричеству течь к нашему светодиоду!

Ага! Теперь вы только что проложили полный путь для вашего электричества, и ваш светодиод загорится! Это замкнутая схема.

Короткое замыкание

Затем короткое замыкание . Если вы не даете своей схеме никакой работы, но все же обеспечиваете некоторую мощность, приготовьтесь к некоторым проблемам. Посмотрите на нашу схему ниже, мы вынули светодиод, резистор и переключатель, оставив только медный провод и батарею.

Вот цепь, которая скоро превратится в короткое замыкание! Без выполнения каких-либо действий эта батарея скоро сгорит.

Если мы соединим эту штуку вместе в ее физической форме, то аккумулятор и провод сильно нагреются, и в конечном итоге батарея разрядится.Почему так происходит? Когда вы даете электричеству некоторую работу в цепи, такую как зажигание светодиода или вращение двигателя, это ограничивает количество электричества, которое будет проходить через вашу цепь.

Но в ту минуту, когда вы прекращаете работу своей схемы, электричество сходит с ума и бежит по своему пути на полной скорости, и ничто его не сдерживает. Если вы позволите этому случиться в течение длительного периода времени, то обнаружите, что у вас поврежден блок питания, разряженная батарея или, может быть, что-то еще хуже, например, пожар!

Ух ты! Не пытайтесь повторить это дома. Вот здоровенная батарея фонаря на 12 В, замкнутая во имя науки. (Источник изображения)

Итак, если вы когда-либо работали с цепью, и ваш провод или аккумулятор сильно нагревается, тогда немедленно выключите все, и ищите любые короткие замыкания.

Ты сейчас опасен

Итак, молодой мастер электроники, теперь у вас есть вся информация, необходимая для управления скромной схемой. Понимая, как работает схема, вы скоро сможете выполнять проекты любых форм и размеров.Но прежде чем начать собственное путешествие, запомните Руководящее правило троек:

Правило 1. Электричество всегда будет течь от более высокого напряжения к более низкому.
Правило 2 — Электричество всегда требует работы.
Правило 3 — Электричество всегда требует дороги.

И если ваша схема когда-нибудь станет очень горячей, выключите ее! У вас короткое замыкание.

Готовы построить свою первую схему сегодня? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно.

Энергии | Бесплатный полнотекстовый | Управление балансом мощности автономной гибридной энергетической системы на основе двойного накопителя энергии

1. Введение

Одной из важнейших задач современной энергетики является надежное снабжение электроэнергией потребителей в удаленных районах, которые включают некоторые критические нагрузки (например, больницы , радиационные и ядерные установки, а также тяжелая промышленность с проблемами окружающей среды), расположенные очень далеко от центральной электрической сети. В настоящее время основным источником электроэнергии для этих отдаленных районов являются автономные дизель-генераторные установки (ДГУ), которые имеют ряд недостатков: низкий срок службы дизельных двигателей, высокие эксплуатационные расходы на ДГУ из-за технического обслуживания генератора, высокий расход топлива и т. Д. смазочные материалы и загрязнение окружающей среды.Кроме того, эти недостатки в сочетании с плохо развитой транспортной инфраструктурой и резкими изменениями мирового климата обуславливают высокую стоимость электроэнергии и низкую надежность электроснабжения потребителей. Понятно, что использование гибридных систем возобновляемой энергии (HRES) может значительно повысить надежность, экономическую и экологическую эффективность систем электроснабжения децентрализованных потребителей [1]. В целом, в HRES можно использовать самые разные источники энергии, но альтернативные источники энергии, такие как фотоэлектрическая (PV) и ветровая (WT), считаются наиболее широко используемыми для внесетевых областей.Более того, они привлекли больше внимания, потому что энергии Солнца и ветра доступны повсеместно. Кроме того, электростанции на их основе могут располагаться максимально близко к месту конечного потребления энергии, что особенно важно для автономной энергетики. Наиболее сложными с точки зрения энергоменеджмента режимами и в то же время наиболее эффективными с точки зрения расхода горюче-смазочных материалов, эксплуатационных затрат и экологической чистоты являются энергосистемы с высоким уровнем проникновения возобновляемых источников энергии [2 ].Обязательным элементом таких энергетических систем является устройство накопления энергии, которое в значительной степени может быть реализовано для повышения эффективности электростанции за счет поглощения избыточной энергии и доставки ее потребителям во время отсутствия энергии в шине постоянного тока. Аккумуляторные системы хранения энергии (BESS) должны соответствовать требованиям HRES с точки зрения объема и времени хранения энергии, и эти требования являются наиболее широко используемыми для этих систем [3,4]. Можно отметить, что характерной особенностью режимов работы ВРЭС, особенно при высоком проникновении возобновляемых источников энергии, является изменение в широком диапазоне значений генерируемой и потребляемой мощности на разных временных интервалах, что обуславливает наличие пульсаций в токи заряда-разряда BESS.Более того, это может привести к повышению их температуры, кипению электролита и коррозии электродов [5,6]. В [7] представлены результаты экспериментальных исследований по определению ресурса свинцово-кислотных гелевых аккумуляторов в зарядно-разрядных режимах со сглаженными и импульсными токами. По результатам экспериментов было установлено, что при работе аккумулятора в импульсном режиме его гарантированный срок службы сокращается почти в два раза. Аналогичные результаты были получены в [8] для аккумуляторов, выпускаемых под торговой маркой Tesla. В [9] результаты исследований показали, что одной из основных причин выхода из строя свинцово-кислотных, никель-кадмиевых и литий-ионных аккумуляторов, работающих в составе СВРЭС, являются режимы заряда – разряда импульсными токами. Можно заметить, что высокая актуальность этой проблемы определяется тем, что BESS является самым «слабым» звеном HRES с точки зрения срока эксплуатации. Гарантированный срок службы большей части основного силового оборудования HRES (WT, PV, DGS, преобразователи мощности), заявленный их производителями, обычно составляет 15–20 лет.Срок службы БЭСС, как правило, не превышает пяти-десяти лет и только при условии их оптимальной эксплуатации. В то же время финансовые затраты на BESS составляют значительную долю от общей стоимости энергосистемы. Например, в [10] можно отметить, что стоимость BESS составляет 52% от общей сниженной стоимости небольшой фотоэлектрической станции для одного домохозяйства в Индонезии. В работе [11] результаты исследований по оптимизации структуры оборудования HRES, включая WT и PV, предназначенного для электроснабжения объектов со средней потребляемой мощностью, приведены к 5. 6 кВтч / сутки. По результатам исследования можно отметить, что стоимость BESS составляет 38,58% от общей стоимости электростанции. Понятно, что одним из многообещающих способов повышения эффективности HRES, широко обсуждаемых в последние годы [12,13], является использование гибридных систем накопления энергии (HESS) на базе аккумуляторов и суперконденсаторов. Для достижения максимальной эффективности HRES и времени автономной работы предлагаются различные топологии HRES [14,15], а также разрабатываются новые методы мониторинга и управления энергопотреблением [16,17], часто с использованием сложных интеллектуальных алгоритмов [18,19]. ].Следует отметить, что применение HESS устраняет высокочастотные пульсации в токах заряда-разряда аккумуляторов, что положительно сказывается на их сроке службы, но не устраняет низкочастотные колебания мощности, которые инициируются в HRES с высокими уровнями проникновения. стохастических возобновляемых источников энергии может иметь значительную амплитуду. Следовательно, это приводит к тому, что даже при использовании HESS аккумуляторы работают в постоянно чередующихся режимах неполного заряда / разряда, что отрицательно сказывается на их сроке службы.Выбор оптимальной топологии ТВС и системы управления для создаваемой энергосистемы считается важной задачей с учетом конкретной области ее практического применения. С точки зрения базовой архитектуры рассматриваются два основных подхода к построению СВЭС: с сопряжением генерирующих источников на постоянном и переменном токе [20,21,22]. Однозначного ответа на вопрос, какая архитектура лучше, не существует, однако каждая из систем имеет свои достоинства и недостатки и, соответственно, первичную область применения.С другой стороны, система мониторинга и контроля имеет решающее значение для достижения высоких уровней надежности и энергоэффективности HRES [23,24]. Можно заметить, что существует два основных варианта структурной организации систем управления HRES: централизованный и децентрализованный (распределенный) [21,23,25]. Высокая надежность распределенного управления HRES считается одним из его существенных преимуществ, поскольку одиночные сбои не являются критическими. При этом значительно повышается универсальность системы, что позволяет относительно легко вносить изменения в ее конфигурацию и заменять неисправное оборудование.Из анализа известных топологий и систем управления HRES можно отметить, что энергосистемы с высоким уровнем замещения HRES с архитектурой на постоянном токе, распределенной системой управления и аккумуляторными системами накопления энергии являются накопителями энергии. в основном применяется [23,24]. Чтобы распределить нагрузку между генерирующими источниками, можно использовать адаптивную стратегию управления спадом [24,26]. Достоинства этого технического решения — достаточно высокая надежность энергосистемы, высокая скорость и хороший уровень унификации.С другой стороны, это решение имеет ряд недостатков, наиболее существенными из которых являются потребность в преобразователях с согласованными техническими характеристиками, высокая сложность и стоимость преобразовательного оборудования, а также неэффективное использование потенциала первичной возобновляемой энергии. Следует отметить, что последний недостаток особенно актуален для энергосистем, географически расположенных в районах с суровыми климатическими условиями. Этот недостаток связан с тем, что в стандартной схеме строительства ВСЭ баланс мощности в системе регулируется ограничением выходной электрической мощности установок возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а в системах с высоким проникновением возобновляемых источников — безвозвратным. потери энергии будут очень значительными.В целом опыт эксплуатации ТВС в районах с суровыми климатическими условиями показывает, что большая часть вырабатываемой энергии расходуется на систему жизнеобеспечения электростанции: обогрев емкости, технологического оборудования и т. Д. [27].

Основным вкладом данной статьи является предложение технических решений для повышения надежности и эффективности HRES с высокими уровнями проникновения возобновляемых стохастических источников. На основании результатов, полученных в данной работе, можно отметить, что предложен новый оригинальный метод построения и алгоритм управления режимами HRES, повышающий его надежность и энергоэффективность. Более того, можно заметить, что в предлагаемой схеме строительства ВИЭ избыточная энергия, вырабатываемая установками ВИЭ, рассеивается на балластных сопротивлениях, что делает ее полезной для различных бытовых нужд: нагрева воды, отопления и т. Д.

Остальное. статья организована следующим образом. В разделе 2 дается подробное описание предлагаемой топологии и способа управления режимами HRES. Раздел 3 описывает объект и методы исследования. Полученный результат моделирования режимов работы ВРЭС обсуждается в разделе 4.В Заключении резюмируются результаты исследования.

2. Описание предлагаемой архитектуры построения и метода управления режимами гибридных энергетических систем

Эта работа представляет новое техническое решение, которое может обеспечить наиболее эффективное использование потенциала ВИЭ и оптимизацию режимов заряда / разряда BESS. Идея предлагаемого решения заключается в использовании системы пассивной стабилизации напряжения на шине постоянного тока путем подключения к нему суперконденсатора (СК) и управления балансом энергии в системе с помощью двухконтурной системы накопления энергии (DESS). DESS состоит из двух идентичных аккумуляторных батарей (BB), попеременно работающих в режиме заряда / разряда, регулируемой балластной нагрузки (BL) и SC [28]. Предлагаемая обобщенная схема построения HRES представлена на рисунке 1.

Одним из основных компонентов HRES с этим методом построения является шина постоянного тока, которая выполняет функцию сбора и распределения электрической энергии в замкнутой энергетической системе.

Уравнение баланса мощности для шины постоянного тока демонстрируется следующим уравнением:

PDC = Vdc⋅CVDCdt = (PDGS + PWT + PPV + Pdch) — (PL + PBL + Pch)

(1)

Как правило, баланс мощности на шине определяется текущим соотношением генерируемой и потребляемой мощности.Из рисунка 1 можно визуализировать, что возможные источники генерации и мощность нагрузки, которые могут использоваться в HESS: дизельные генераторные установки (PDGS), энергия ветра (PWT) и фотоэлектрические установки (PPV), а также мощность разряда BB. (Pdch). К потребителям энергии относятся: потребительская полезная нагрузка (PL), балластная нагрузка (PBL) и мощность зарядки BB (Pch).

Рассматривая уравнение (1), можно заметить, что неконтролируемая переменная — это количество мощности, потребляемой полезной нагрузкой PL.

Для достижения оптимальной передачи мощности от генератора к нагрузке крайне важно поддерживать как фотоэлектрические, так и ветряные генераторы, а также нагрузку в их соответствующих оптимальных рабочих условиях (т.е., операции слежения за точкой максимальной мощности (MPPT)) [29,30]. Следовательно, следует отметить, что для обеспечения баланса энергии в системе количество генерируемой мощности PWT и PPV считается неуправляемыми переменными. Для управления балансом мощности и стабилизации напряжения на шине постоянного тока предложенная стратегия управления предполагает использование двух основных контролируемых источников питания: PDGS и аккумулятор, работающий в режиме разряда PDGS. С учетом того, что в ВРЭС с высоким проникновением возобновляемых источников энергии возможны режимы, при которых количество электроэнергии, вырабатываемой установками ВИЭ, может значительно превышать потребляемую мощность, балластная нагрузка PBL используется в качестве дополнительного управляемого потребителя энергии в система. Кроме того, второй ББ, подключенный к шине в режиме отбора мощности для зарядки, может рассматриваться как частично управляемый потребитель мощности ПЧ. Из рисунка 2 видно, что упрощенные эквивалентные схемы замены HRES представлены для двух основных режимов стабилизации MODE1 и MODE2. В режиме стабилизации MODE1 (рисунок 2а) видно, что управление балансом мощности в системе обеспечивает разряд BB. Кроме того, в режиме стабилизации MODE2 (рисунок 2b) баланс мощности отображается с помощью DGS.Поскольку управляемые источники питания должны обеспечивать стабилизацию напряжения шины постоянного тока, они должны работать в режиме управляемых источников напряжения; все остальные электростанции являются управляемыми и неуправляемыми источниками тока. В качестве критерия для изменения режимов работы HRES используется значение суммарной остаточной мощности двух BB SOC. Диаграмма перехода между рабочими режимами HRES схематически проиллюстрирована на рисунке 3.

Текущие значения SOC _min и ∑SOC _max определяются на этапе конфигурации системы и зависят от типа использования BESS, Следует оптимизировать соотношение мощностей основных генерирующих источников, условий эксплуатации электростанции, характеристик электрической нагрузки потребителя и в целом.

При рассмотрении HRES приняты следующие значения общей остаточной емкости обоих BB: ∑SOC _мин. = 125% и ∑SOC _макс. = 185% от их номинальной емкости. Выбор этих значений обусловлен тем, что в рассматриваемом проекте используются свинцово-кислотные BESS, что требует ограничения их максимальной глубины разгрузки (DOD) 60–70% от номинальной мощности.

В базовом варианте есть три рабочие зоны напряжения шины постоянного тока, как показано на рисунке 4: буферная зона (ZB), зона высокого напряжения (ZHV) и зона низкого напряжения (ZLV).В зоне ZHV общая выработка электроэнергии установками ВИЭ превышает общую потребляемую мощность, а регулируемая балластная нагрузка используется как стабилизирующий источник в этой зоне в режимах РЕЖИМ1 и РЕЖИМ2. Конструктивно балластная нагрузка представляет собой набор резисторов, подключенных к шине постоянного тока через преобразователь постоянного тока в постоянный. Текущее значение (соответственно мощность) преобразователя регулируется по следующему уравнению:

IBL_ref = VDC − VBL_minVBL_max − VBL_min⋅IBL_max

(2)

Уравнение (2) определяет линейное изменение потребляемой мощности балластной нагрузки от нуля до номинального значения PBL_max в диапазоне напряжений от VBL_min до VBL_max. Для практической реализации системы управления по уравнению (2) необходимо измерить два электрических параметра режима: напряжение шины постоянного тока VDC и входной ток преобразователя IBL.

Красными линиями на рисунке 4 обозначена зона безаварийной работы электростанции. Когда напряжение на шине постоянного тока выходит за пределы заданного напряжения Vcr_min и Vcr_max, режим работы энергосистемы инициируется как авария (авария), которая устраняется средствами аварийной автоматики.В зоне ZLV потребляемая мощность превышает общую выработку электроэнергии установками ВИЭ, а источником стабилизации в режиме MODE1 является BB, который работает в режиме разряда на шину постоянного тока, как показано на рисунке 4a. Величина тока (соответственно мощности) разрядного преобразователя ВВ в РЕЖИМЕ1 регулируется по следующей формуле:

Idch_ref = Vdch_max − VDCVdch_max − Vdch_min⋅Idch_max

(3)

Уравнение (3) определяет линейное изменение генерируемой мощности разряда BB от нуля до номинального значения P _{dch_max} в диапазоне напряжений от V _{dch_max} до V _{dch_min}. Это уравнение использовалось как управляющий входной сигнал для значения напряжения шины постоянного тока V _DC и значения выходного тока преобразователя I _dch.

Буферная зона ZB служит для надежного разделения режимов работы источников управления в системе, кроме того, ее использование позволяет минимизировать (в идеале исключить) количество переходов из зоны ZHV в зону ZLV, что может привести к нестабильному или колебательный режим работы системы управления.

В режиме MODE2, как показано на рисунке 4b, основным регулирующим источником энергосистемы является DGS.Чтобы продлить срок его службы, необходимо минимизировать количество подключений и отключений. Кроме того, в режиме работы ДГУ необходимо обеспечить его нагрузку на уровне не менее 25% от его номинальной мощности. В базовом случае распределения зон рабочего напряжения для режима РЕЖИМ2 приемлем к рассмотрению выбор гарантированного заряда одного ББ, а второй ББ переводится в режим заряда только после того, как первая АКБ будет полностью заряжена. В соответствии с применяемым алгоритмом текущее значение (соответственно мощность) преобразователя ДГС регулируется следующим образом:

IDGS_ref = Vdch_max − VDCVdch_max − Vdch_min⋅ [IDGS_max − IDGS_min] + IDGS_min

(4)

Практическая реализация уравнения (4) и гарантированный заряд одного BB при подключении DGS обеспечивает приемлемый коэффициент нагрузки дизельного двигателя. Это достигается за счет ограничения и сохранения тока DGS, который не ниже некоторого заданного значения IDGS_min, соответствующего минимально допустимой нагрузке дизеля, например 25% от номинальной мощности.Технически это требование реализуется за счет сужения диапазона управления выходным преобразователем DGS за счет ограничения значения рабочего цикла.

Следует отметить, что для реализации предложенных алгоритмов управления необходимо выполнение ряда важных соотношений для обеспечения работы энергосистемы в пределах безопасных рабочих зон:

1. Значение максимально допустимого мощность разряда одного управляющего ББ PBB_dch должна быть выше максимальной электрической нагрузки PL_max: 2. Номинальное (максимальное) значение балластной нагрузки должно удовлетворять следующему уравнению:

PBL_max≥PWT + PPV − PL_min

(6)

Частным случаем этого уравнения является условие, при котором мощность минимальной электрической нагрузки равна нулю PL_min = 0.

3. Номинальная мощность DGS должна обеспечивать покрытие для максимальной электрической нагрузки и требуемой мощности зарядки BB:

PDGS_nom≥PL_max + Pch

(7)

Идея предложенной логики управления режимом HRES заключается в переключении ББ из режима заряда в режим разряда и наоборот в соответствии с установленными пороговыми значениями его остаточной емкости.Соответственно, для практической реализации этой управляющей логики необходим постоянный контроль остаточной емкости каждого ББ в режиме реального времени. Кроме того, необходимо обеспечить контроль общей остаточной емкости ББ ∑SOC, которая является величиной критерия изменения режимов работы энергосистемы, как показано на рисунке 3. Логика предлагаемого метода управления HRES Режимы поясняются на рисунке 5, на котором показана блок-схема алгоритма управления режимами, как на рисунке 5a, и схемы питания для подключения BESS и DGS к шине постоянного тока, как на рисунке 5b.

Одним из возможных вариантов схемотехники контроллера DESS является разделение функций локального и стратегического управления преобразователями. Система управления преобразователем DGS может быть построена по аналогичной схеме. При применении этого подхода сигналы прямого управления ключами преобразователя (Ich_ref, Idch_ref, IDGS_ref) формируются по локальной токовой петле в зависимости от текущих значений напряжения шины постоянного тока и выходного (входного) тока соответствующего преобразователя. а управляющие сигналы, обеспечивающие переключение режимов работы (Gate_BB1, Gate_BB2, DGS_on / off), формируются логическим блоком контроллера в зависимости от текущих значений остаточной емкости BB.

В схеме питания стабилизирующих источников, показанной на рисунке 5b, для большей наглядности управляющие сигналы, генерируемые логическим блоком контроллера, обеспечивают прямое включение / выключение преобразователей BB и DGS за счет использования дополнительных ключей. В реальных схемах построения преобразователей использование дополнительных ключей не требуется, так как процессы включения / выключения преобразователей можно легко обеспечить, контролируя величину коэффициента заполнения транзисторов.

3. Методы и объект исследования

Программный пакет MATLAB / Simulink (2018b, MathWorks, Натик, Массачусетс, США) использовался для данной исследовательской работы как основной исследовательский инструмент, в среде которого, в соответствии с блоком HRES Как показано на рисунке 1, были разработаны и реализованы математические модели всех основных компонентов рассматриваемой технической системы.В рамках комплексной модели HRES можно выделить пять типов моделей: модели первичного энергоносителя (модель ветрового потока и солнечного излучения), модели электростанций (DGS, WT и PV), модели накопителей (SC и BESS), энергия модели потребителей (L (Critical Loads) и BL), а также модели силовых полупроводниковых преобразователей. В работе использованы модели динамических компонентов, построенные на основе уравнений, описывающих физические процессы преобразования энергии. Подробное описание моделей компонентов HRES, использованных в исследовании, приведено в [31,32,33,34,35].Модели компонентов выполнены в виде разделяющих функциональных блоков, что дает возможность строить и исследовать режимы работы HRES произвольной конфигурации [35].

В качестве объекта исследования в данной работе была принята автономная ГРЭС, территориально расположенная в Томской области, состоящая из ВС номинальной мощностью 10 кВт (Vmin = 3 м / с, Vном = 9 м / с), Фотоэлектрическая батарея на базе солнечной батареи из 18 фотоэлектрических модулей Sunway FSM 340M (340M, FSM, Томск, Россия), дизель-генераторной установки Geko 20012 ED-S / DEDA (340M, FSM, Томск, Россия), номинальная мощность 16 кВт, DESS (340М, ФСМ, Томск, Россия) на базе 20 батарей MONBAT 12MVR200 на цепь и суперконденсаторного модуля из трех последовательно соединенных суперконденсаторов МСК-8-112 (340М, ФСМ, Томск, Россия), всего вместимость 2.7 F.

Для моделирования электрической нагрузки HRES был принят характерный суточный график бытовых нагрузок с максимальной мощностью 10 кВт, в то время как значение балластной нагрузки было принято равным 16,2 кВт. Рассматривался фотоэлектрический вариант с жестко закрепленной солнечной панелью, ориентированной на юг и установленной под углом 56,5 ° к горизонту.

4. Результаты и обсуждение

Для проверки работоспособности и апробации предложенных технических решений использовались результаты компьютерного моделирования режимов работы ТВС.План исследований был разработан по результатам серии вычислительных экспериментов, которые проводились для моделирования возможностей статического и динамического режимов HRES в процессе его эксплуатации.

На рисунке 6 показаны результаты моделирования электрической мощности установок ВИЭ (P _PV и P _WT) на суточном интервале времени (86 400 с). Суточные изменения солнечной радиации (G) соответствуют зимнему солнцестоянию со средней облачностью. Скорость ветра (V) задается ступенчатой функцией с амплитудой от 2 м / с до 8 м / с, изменяющейся в модельные времена 10 000 и 50 000 с.

Явная спецификация скорости ветра, которая остается неизменной в течение длительных интервалов времени, позволяет решить две задачи: с одной стороны, значительно снизить требования к вычислительным ресурсам компьютера и тем самым сократить время моделирования; с другой стороны, дает возможность выделить для последующего анализа требуемые режимы работы DESS и всей энергосистемы.

Результаты режимов работы ВРЭС для заданных характеристик первичных энергоносителей представлены на рисунке 7.На этом рисунке показаны графики изменения тока разряда (I _dch), тока заряда (I _ch) и остаточной емкости (SOC) аккумуляторов BB1 и BB2, напряжения на шине (V _DC), втекающего и выходящие токи шины постоянного тока, такие как полный ток от установок RES (I _RES), фактический ток (I _L) и балластные (I _BL) нагрузки и ток DGS (I _DGS). Анализ полученных графиков на рисунке 7 показывает, что мощности, вырабатываемой установками ВИЭ, недостаточно для полного покрытия электрической нагрузки в интервале времени от 0 с до 50 000 с.Это приводит к тому, что за время около 14000 с оба ББ разряжаются ниже допустимого порогового уровня (SOC Рисунок 7 из представленных графиков их остаточной емкости SOC. При общем заряде ББ заданного порогового уровня (∑SOC > 185%), DGS выключается и затем баланс мощности регулируется разрядом BB. В интервалах модельного времени от 50 000 с до 54 000 с и от 73 000 с до конца рассматриваемых суток генерируемые Суммарная мощность установок ВИЭ превышает мощность, потребляемую полезной нагрузкой и перезаряжаемым ББ.В соответствии с заданным алгоритмом, показанным на рисунке 4, стабилизация баланса энергии в системе на этих режимах обеспечивается за счет управления мощностью балластной нагрузки.

Анализ результатов моделирования показывает, что предложенный алгоритм обеспечивает стабильную работу энергосистемы в режимах MODE1 и MODE2. Кроме того, напряжение на шине постоянного тока не выходит за пределы указанных рабочих областей, и все преобразователи работают в штатном режиме.

В качестве наиболее сложных тестов для проверки работоспособности алгоритма управления DESS использовался рабочий режим результатов суточного моделирования HRES с учетом турбулентной составляющей скорости ветра [32].Турбулентная составляющая ветрового потока приводит к появлению широкополосной пульсации выходной мощности WT, что может привести к потере динамической устойчивости энергосистемы. Однако такие условия эксплуатации типичны для HRES и их анализ является обязательным. На рисунках 8 и 9 показаны результаты моделирования суточного режима работы HRES с учетом турбулентной составляющей скорости ветра. В этом вычислительном эксперименте летнее солнцестояние рассматривается при средних условиях облачности, а средняя скорость ветра в течение дня меняется. от 0 м / с до 10 м / с, как показано на рисунке 8, что соответствует всему рабочему диапазону моделируемого WT.Судя по представленным графикам, представленным на Рисунке 9, система управления DESS обеспечивает надежное и эффективное управление балансом мощности в изолированной энергосистеме во всех возможных режимах работы.

Результаты вычислительных экспериментов подтвердили работоспособность предложенной архитектуры и алгоритма управления автономными режимами HRES с высоким проникновением возобновляемых источников.

Достоинствами рассмотренного алгоритма управления DESS являются его относительная простота и универсальность. Данный алгоритм обеспечивает режимы заряда ББ со стабильным током и сводит к минимуму переключение режимов ББ из режима заряда в режим разряда и наоборот, что обеспечивает их безопасность и максимальный срок службы.

Предлагаемая архитектура конструкции HRES позволяет использовать силовые полупроводниковые преобразователи с несовместимыми характеристиками и простой схемотехникой. С точки зрения эксплуатационной надежности HRES достаточно живучий, так как не требуется информационного обмена между преобразователями установок ВИЭ, выход из строя любого преобразователя или генерирующего источника, кроме выходного инвертора, не нарушает общую работоспособность энергообеспечения. система.Простота изменения конфигурации системы обеспечивается добавлением / исключением генераторных установок различных типов и разных производителей на электростанции без необходимости изменения настроек системы управления.

Анализ годового энергобаланса рассматриваемой ВИЭ, географически расположенной в Томской области, показал, что использование ДЭСС с предложенным алгоритмом управления обеспечивает увеличение выработки энергии установками ВИЭ и, как следствие, повышение энергоэффективности на 28% по сравнению со стандартными методами строительства HRES. Следует отметить, что значение данного показателя во многом зависит от энергетического потенциала ВИЭ в месте расположения электростанции, соотношения установленных мощностей и технических характеристик основного энергетического оборудования и нагрузки и может достигать значений до 60%. [36].

В настоящее время изготовлен экспериментальный образец ДЭСС на номинальную мощность 15 кВт на базе аккумуляторного и суперконденсаторного модулей, разработан комплект эскизно-конструкторской документации, программа и методика его исследовательских испытаний.В этом году планируется испытание экспериментального образца DESS в составе испытательного стенда локальной системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, что позволит оценить возможность и эффективность его практического применения в реальных энергосистемах, проверить принятую схему. решения, а также найти технические решения по совершенствованию конструкции.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОДНОФАЗНОЙ ЦЕПИ С ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИМ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ — DOAJ

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОДНОФАЗНОЙ ЦЕПИ С ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИМ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ — DOAJ

Аннотация

Читать онлайн

Введение. Во многих вопросах электротехники используется баланс мощности. Он составляется из усредненных значений мощности, а эквивалентная мощность используется для характеристики мощности переходных процессов. Для учета электроэнергии используются как моно-, так и полигармонические токи и напряжения, активная и реактивная мощность, качество электроэнергии не учитывается. Проблема. В ряде работ заявлено определенное количество силовых компонентов, отражающих показатели количества и качества электрической энергии. Эти составляющие власти подлежат критике.Порядок определения составляющих мощности требует алгоритмизации, как и задача определения показателей, которые будут отражать низкое качество энергии. Цель. Разработка методики определения составляющих мощности в однофазных цепях с полигармоническими током и напряжением, определения показателей передачи электрической энергии. Методология. На основе анализа определенных в известных работах силовых составляющих и порядка их расчета отмечены особенности принятия знака ортогональных составляющих синуса и косинуса в зависимости от сочетания цифр гармоник тока и напряжения. На основе теории рядов Фурье и элементов логической алгебры разработан алгоритм определения составляющих электрической энергии. Результаты. Выделение активной и реактивной мощностей основной гармоники тока и напряжения; активная и реактивная мощность; канонические силовые компоненты; неканонические силовые компоненты и предлагаемые показатели качества передачи электрической энергии. Оригинальность. На основе анализа мощности, представленной тригонометрическим рядом Фурье, предлагается конкретный расчет канонических и неканонических составляющих с использованием ряда показателей передачи электрической энергии, отражающих ее качество.Практическая ценность. Предлагаемые силовые компоненты передачи электрической энергии могут быть использованы в системах технического учета.

Ключевые слова

Опубликовано в

Электротехника и электромеханика

ISSN: 2074-272X (Печать); 2309-3404 (онлайн)
Издатель: Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»
Страна издателя: Украина
Субъектов LCC: Технология: Электротехника. Электроника. Ядерная техника
Сайт: http://eie.khpi.edu.ua/

О журнале

QR-код WeChat

Закрывать

Трехфазная балансировка нагрузки | Sunbird DCIM

Трехфазная балансировка нагрузки происходит, когда нагрузки источников питания, таких как трехфазный стоечный PDU, равномерно распределяются по всем трем фазам (L1 / L2, L2 / L3 и L3 / L1).

Это может быть достигнуто за счет подключения равного количества устройств к розеткам PDU для каждой фазы и использования одинаковой мощности нагрузки на каждой фазе. Некоторые производители предоставляют трехфазные PDU с переменно-фазированным питанием для каждой розетки, а не ветви.

Трехфазная балансировка нагрузки желательна, поскольку несбалансированная система может привести к снижению эффективности, срабатыванию выключателей и сокращению срока службы оборудования.

Преимущества сбалансированного трехфазного питания

Повышенное использование мощностей электрической инфраструктуры верхнего уровня, что приводит к повышению общей эффективности центра обработки данных и может отсрочить капитальные вложения.
Способность поддерживать значительно более высокую удельную мощность по сравнению с однофазной схемой с аналогичной силой тока.
Поддерживайте коэффициент мощности входящей мощности и избегайте штрафов, налагаемых энергокомпанией.
Масштабируемость для будущих требований к нагрузке.
Требуется меньше хлыстов и кабелей, что снижает препятствия для воздушного потока, создает более чистую рабочую среду, а также упрощает установку и обслуживание.
Продлить срок эксплуатации оборудования.

Мониторинг трехфазной мощности с помощью программного обеспечения DCIM

Расчет мощности для трехфазных энергосистем может значительно усложниться, когда нагрузка не сбалансирована.Это происходит, когда ток нагрузки между любыми двумя линиями значительно отличается от тока нагрузки между оставшимися линиями. Когда есть несбалансированная нагрузка, эффективность системы и количество подаваемой мощности будут снижены. Поставщики интеллектуальных стоечных БРП с трехфазным питанием предоставляют локальные измерители нагрузки по току для каждой фазы на БРП, что значительно упрощает мониторинг и балансировку мощности, чем выполнение ручных расчетов.

Для мониторинга энергопотребления и емкости рекомендуется использовать программное обеспечение для управления инфраструктурой центра обработки данных (DCIM).Современное программное обеспечение DCIM имеет предупреждения о трехфазном дисбалансе для всего оборудования предприятия, включая стоечные PDU, напольные PDU, ИБП, RPP, счетчики и шинопроводы.

Электрическая цепь постоянного тока — презентация онлайн

1. Эл.Ц. постоянного тока

2. Основные законы электрических цепей

3. Закон Ома

4. Законы Кирхгофа. I закон Кирхгофа.

5. Законы Кирхгофа. II закон Кирхгофа.

6. Соединение сопротивлений

7. Мощность в эл. ц. постоянного тока.

8. Баланс мощностей

9. Законы Ома и законов Кирхгофа для расчета электрических цепей

11. Метод по уравнениям Кирхгофа

13. Метод контурных токов

15.

Расчет электрической цепи постоянного тока. Расчетная часть. Общий баланс мощностей

Пример решения задачи методом контурных токов

Практическая работа по дисциплине Электротехника. название Расчёт цепи постоянного тока методом эквивалентного сопротивления.

Артикул: 1149933

Веб-сайт кабинета физики

Электрические схемы: обзор набора проблем

Текущий

Сопротивление

Соотношение напряжение-ток-сопротивление

Сила

Затраты на электроэнергию

Эквивалентное сопротивление

Анализ последовательной цепи

Анализ параллельных цепей

Привычки эффективно решать проблемы

Дополнительная литература / Учебные пособия:

Набор проблем электрических цепей

Электрические схемы Решения с аудиогидом

Баланс между цепями

Как баланс между токами в двух цепях влияет на поле, создаваемое воздушной линией

Как это работает

Объяснение электрической мощности — Часть 3: Сбалансированное трехфазное питание переменного тока

Сбалансированные индуктивные / резистивные нагрузки

Формы сигналов напряжения и тока в сбалансированной системе

Системы Y и треугольника

Три правила работы схемы | ОРЕЛ

Строительные блоки схемы

Собираем все вместе — полная схема

Шаг 1 — Добавление источника питания

Шаг 2. Добавляем немного работы

Шаг 3 — Указание пути

Типы цепей

Замкнутый или открытый контур

Короткое замыкание

Ты сейчас опасен

Энергии | Бесплатный полнотекстовый | Управление балансом мощности автономной гибридной энергетической системы на основе двойного накопителя энергии

1. Введение

2. Описание предлагаемой архитектуры построения и метода управления режимами гибридных энергетических систем

3. Методы и объект исследования

4. Результаты и обсуждение

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОДНОФАЗНОЙ ЦЕПИ С ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИМ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ — DOAJ

Аннотация

Ключевые слова

Опубликовано в

QR-код WeChat

Трехфазная балансировка нагрузки | Sunbird DCIM

Преимущества сбалансированного трехфазного питания

Мониторинг трехфазной мощности с помощью программного обеспечения DCIM

alexxlab

Вам также может понравиться

Щиты учета электроэнергии наружной установки: Щит учета электроэнергии уличный ЩУ IP54 на столб, с трехфазным счетчиком 380В и розеткой на 220В

Должностные обязанности электромонтера: Должностная инструкция электромонтера — пример

Добавить комментарий Отменить ответ