Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Иллюстрация « эталонных направлений » переменных тока ( i ), напряжения ( v ) и мощности ( p ), используемых в соглашении о пассивных знаках. Если положительный ток определяется как протекающий через клемму, которая имеет положительное напряжение, тогда положительная мощность представляет собой электрическую мощность, протекающую в устройство ( большая стрелка ).

В электротехнике соглашение о пассивных знаках ( PSC ) - это соглашение о знаках или произвольное стандартное правило, повсеместно принятое сообществом электротехников для определения знака электроэнергии в электрической цепи . [1] Конвенция определяет электрическую мощность , вытекающая из схемы в качестве электрического компонента , как положительные, так и мощность , передаваемая в цепь из компонента как отрицательные. [1] Таким образом, пассивный компонент, потребляющий электроэнергию, например прибор или лампочка, будет иметь положительныйрассеивание мощности, в то время как активный компонент, источник энергии, такой как электрический генератор или аккумулятор , будет иметь отрицательное рассеивание мощности. [2] Это стандартное определение мощности в электрических цепях; он используется, например, в программах моделирования компьютерных схем, таких как SPICE .

Чтобы соответствовать соглашению, направление переменных напряжения и тока, используемых для расчета мощности и сопротивления в компоненте, должно иметь определенную взаимосвязь: переменная тока должна быть определена таким образом, чтобы положительный ток поступал на положительный вывод напряжения устройства. [3] Эти направления могут отличаться от направлений фактического протекания тока и напряжения.

Соглашение [ править ]

Соглашение о пассивном знаке гласит, что в компонентах, в которых обычная переменная тока i определяется как входящая в устройство через клемму, которая является положительной, как определено переменной напряжения v , [2] [4] мощность p и сопротивление r определяются как [5] [6] [7]

     и     

В компонентах, в которых ток i определен таким образом, что положительный ток поступает в устройство через клемму отрицательного напряжения, мощность и сопротивление задаются выражением

   и   

С этими определениями пассивные компоненты (нагрузки) будут иметь p > 0 и r > 0, а активные компоненты (источники питания) будут иметь p <0 и r <0.

Объяснение [ править ]

Источник питания (активный компонент)
Стрелки E обозначают направление электрического поля.

Активные и пассивные компоненты [ править ]

В электротехнике мощность представляет собой скорость потока электроэнергии, поступающей в данное устройство ( электрический компонент ) или контрольный объем или из него . Мощность - это величина со знаком ; отрицательная сила просто представляет силу, текущую в противоположном направлении от положительной энергии. Простой компонент (показанный на этих схемах в виде прямоугольника) подключается к цепи двумя проводами, по которым электрический ток проходит через устройство. С точки зрения потока мощности электрические компоненты в цепи можно разделить на два типа: [2]

  • В нагрузке или пассивном компоненте, таком как лампочка , резистор или электродвигатель , электрический ток ( обычный ток , поток положительных зарядов) проходит через устройство под действием электрического поля E в направлении более низкого электрического потенциала , от положительной клеммы к отрицательной. Так работа выполняется по зарядам на компоненте; потенциальная энергия вытекает из зарядов; и электрическая энергия перетекает из схемы в компонент, где она преобразуется в другую форму энергии, такую ​​как тепло или механическая работа.
  • В источнике или активном компоненте, таком как батарея или электрический генератор , ток принудительно перемещается через устройство в направлении большего электрического потенциала от отрицательного к положительному выводу напряжения. Это увеличивает потенциальную энергию электрических зарядов, поэтому электрическая энергия перетекает из компонента в цепь. Работа должна осуществляться на движущихся зарядов какого - либо источника энергии в компоненте, чтобы заставить их двигаться в этом направлении против противостоящей силы электрического поля Е .

Некоторые компоненты могут быть источником или нагрузкой, в зависимости от проходящего через них напряжения или тока. Например, аккумуляторная батарея действует как источник, когда она используется для подачи энергии, но как нагрузка, когда она перезаряжается. Конденсатор или катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки , когда он хранит энергию в электрическом или магнитном поле от внешней цепи, соответственно, но в качестве источника , когда он выпускает во внешнюю цепь накопленную энергию от электрического или магнитного поля.

Поскольку она может течь в любом направлении, есть два возможных способа определить электрическую мощность; два возможных опорных направления : либо мощность, поступающая в электрический компонент, либо мощность, вытекающая из компонента, могут быть определены как положительные. [2] Что бы ни было определено как положительное, другое будет отрицательным. Соглашение о пассивном знаке произвольно определяет мощность, поступающую в компонент ( вне цепи), как положительную [2], поэтому пассивные компоненты имеют «положительный» поток мощности.

В цепи переменного тока ( переменного тока ) направление тока и напряжения переключается с каждым полупериодом тока, но определения, приведенные выше, все еще применимы. В любой данный момент в нереактивных пассивных компонентах ток течет от положительного вывода к отрицательному, тогда как в нереактивных активных компонентах он течет в другом направлении. Кроме того, компоненты с реактивным сопротивлением ( емкостью или индуктивностью)) временно накапливают энергию, поэтому они действуют как источники или поглотители в различных частях цикла переменного тока. Например, в конденсаторе, когда напряжение на нем увеличивается, ток направляется на положительный вывод, поэтому компонент накапливает энергию из цепи в своем электрическом поле, в то время как при уменьшении напряжения ток направляется из цепи. положительный вывод, поэтому он действует как источник, возвращая накопленную энергию в схему. В установившейся цепи переменного тока вся энергия, запасенная в реактивных сопротивлениях, возвращается в течение цикла переменного тока, поэтому чистое реактивное сопротивление, конденсатор или катушка индуктивности, не потребляет и не производит полезную мощность, поэтому не является ни источником, ни нагрузкой.

Справочные направления [ править ]

Поток мощности p и сопротивление r электрического компонента связаны с переменными напряжения v и тока i определяющим уравнением для мощности и законом Ома :

Как и мощность, напряжение и ток - это величины со знаком. У протекания тока в проводе есть два возможных направления, поэтому при определении переменной тока i необходимо указать направление, которое представляет положительный поток тока, обычно стрелкой на принципиальной схеме. [8] [9] Это называется опорным направлением для тока i . [8] [9] Если фактический ток имеет противоположное направление, переменная i будет иметь отрицательное значение.

Точно так же при определении переменной v, представляющей напряжение между двумя выводами, вывод, который является положительным при положительном напряжении, должен быть указан, обычно со знаком плюс. [9] Это называется опорное направление или опорный терминал для напряжения V . [8] [9] Если клемма, отмеченная как положительная, действительно имеет более низкое напряжение, чем другая, тогда переменная v будет иметь отрицательное значение.

Чтобы понять соглашение о пассивном знаке, важно отличать опорные направления переменных v и i , которые могут быть назначены по желанию, от направления фактического напряжения и тока , которое определяется схемой. [9] Идея PSC в том , что путем присвоения опорного направления переменных v и я в компоненте с правильным соотношением поток мощности в пассивных компонентах, рассчитанный по формуле. (1) будет положительным, а поток мощности в активных компонентах будет отрицательным. При анализе схемы не обязательно знать, производит ли компонент или потребляет энергию; опорные направления могут быть назначены произвольно, направления для токов и полярности для напряжений, затем PSC используется для расчета мощности в компонентах. [2] Если мощность выходит положительной, то компонент представляет собой нагрузку, потребляющую электроэнергию и преобразующую ее в какой-либо другой вид энергии. Если мощность выходит отрицательной, компонент является источником, преобразующим какую-либо другую форму мощности в электрическую.

Соглашения о знаках [ править ]

Вышеупомянутое обсуждение показывает, что выбор опорных направлений переменных напряжения и тока в компоненте определяет направление потока мощности, которое считается положительным. Справочные направления отдельных переменных не важны, важно только их отношение друг к другу. Есть два варианта:

  • Пассивный знак конвенция : опорное направление текущего переменный (стрелкапредставляющее направление положительного тока) точки в положительный справочном терминал переменного напряжения. Это означаетчто если напряжение и ток переменных имеют положительные значения, ток течет через устройство от положительного к отрицательному полюсу, делая работу на компоненте, какпроисходит в пассивной компоненте. Таким образом, мощность, поступающая в компонент от линии, определяется как положительная; переменная мощности представляет собой рассеиваемую мощностьв компоненте. Следовательно
    • Активные компоненты (источники питания) будут иметь отрицательное сопротивление и отрицательный поток мощности.
    • Пассивные компоненты (нагрузки) будут иметь положительное сопротивление и положительный поток мощности.
Это обычно используемое соглашение.
  • Активный знак конвенция : ссылка направление текущего переменный (стрелкапредставляющее направление положительного тока) точки в отрицательной клемму опорной переменного напряжения. Это означаетчто если напряжение и ток переменные имеют положительные значения, ток течет через устройство от отрицательной к положительной клемме, такработа делается на ток, и мощность потоков из компонента. Таким образом, мощность, вытекающая из компонента, определяется как положительная; переменная мощности представляет произведенную мощность. Следовательно:
    • Активные компоненты будут иметь положительное сопротивление и положительный поток мощности.
    • Пассивные компоненты будут иметь отрицательное сопротивление и отрицательный поток мощности.
Это соглашение используется редко, за исключением особых случаев в энергетике.

На практике нет необходимости назначать переменные напряжения и тока в цепи, чтобы соответствовать требованиям PSC. Компоненты, в которых переменные имеют «обратную» взаимосвязь, в которой текущая переменная входит в отрицательную клемму, все же можно заставить соответствовать PSC, изменив знак определяющих соотношений (1) и (2), используемых с ними. [5] Ток, входящий в отрицательную клемму, эквивалентен отрицательному току, входящему в положительную клемму, поэтому в таком компоненте [5] [7]

, и

Сохранение энергии [ править ]

Одним из преимуществ определения всех переменных в цепи в соответствии с PSC является то, что это позволяет легко выразить сохранение энергии . Поскольку электрическая энергия не может быть создана или уничтожена, в любой данный момент каждый ватт мощности, потребляемой компонентом нагрузки, должен быть произведен каким-либо компонентом источника в цепи. Следовательно, сумма всей мощности, потребляемой нагрузкой, равна сумме всей мощности, произведенной источниками. Поскольку с PSC рассеиваемая мощность в источниках является отрицательной, а рассеиваемая мощность в нагрузках положительна, алгебраическая сумма всей рассеиваемой мощности во всех компонентах в цепи всегда равна нулю [7]

Цепи переменного тока [ править ]

Поскольку соглашение о знаках касается только направления переменных, а не направления фактического тока , оно также применяется к переменному току.(AC) цепи, в которых направление напряжения и тока периодически меняет местами. В цепи переменного тока, даже если направление напряжения и тока во второй половине цикла меняется на противоположное, в любой данный момент оно подчиняется PSC: в пассивных компонентах мгновенный ток течет через устройство от положительного к отрицательному выводу, в то время как в Активные компоненты он протекает через компонент от отрицательной клеммы к положительной. Поскольку мощность является произведением напряжения и тока, а также обратного направления напряжения и тока, два изменения знака взаимно компенсируются, и знак потока мощности не изменяется в обеих половинах цикла.

Альтернативная конвенция в энергетике [ править ]

На практике выходная мощность источников питания, таких как батареи и генераторы, не указывается в отрицательных числах, как того требует соглашение о пассивных знаках. [2] Ни один производитель не продает «генератор на 5 киловатт». [2] Стандартной практикой в ​​электрических цепях является использование положительных значений мощности и сопротивления источников питания, а также нагрузок. Это позволяет избежать путаницы в значении «отрицательной силы» и особенно « отрицательного сопротивления ». [2] Чтобы мощность как для источников, так и для нагрузок была положительной, вместо PSC необходимо использовать отдельные условные обозначения для источников и нагрузок. Они называются " соглашениями о нагрузке генератора ".[10] [11][12] которые используются в электроэнергетике

  • Условные обозначения генератора - в исходных компонентах, таких как генераторы и батареи, переменные V и I определены в соответствии с указанным выше соглашением об активных знаках ; текущая переменная определяется как входящая в отрицательную клемму устройства. [11]
  • Соглашение о нагрузке - в нагрузках переменные определяются в соответствии с обычным соглашением о пассивных знаках; текущая переменная определяется как входящая в положительную клемму. [11]

Используя это соглашение, положительный поток мощности в компонентах источника - это произведенная мощность , а положительный поток мощности в компонентах нагрузки - это потребляемая мощность . Как и в случае с PSC, если переменные в данном компоненте не соответствуют применимому соглашению, компонент все равно может быть приведен в соответствие, используя отрицательные знаки в определяющих уравнениях (1) и (2).

   и   

Это соглашение может показаться предпочтительным для PSC, поскольку мощность P и сопротивление R всегда имеют положительные значения. Однако его нельзя использовать в электронике , потому что невозможно однозначно классифицировать некоторые электронные компоненты как «источники» или «нагрузки». Некоторые электронные компоненты могут действовать как источники энергии с отрицательным сопротивлением в некоторых частях своего рабочего диапазона и как поглотители энергии с положительным сопротивлением в других частях или даже в других частях цикла переменного тока. Потребляемая мощность или производство компонента зависит от его вольт-амперной характеристики . Будет ли компонент действовать как источник или нагрузка, может зависеть от текущего i.или напряжение v в нем, которое неизвестно до тех пор, пока схема не будет проанализирована. Например, если напряжение на клеммах перезаряжаемой батареи меньше, чем ее напряжение холостого хода, она будет действовать как источник, а если напряжение больше, она будет действовать как нагрузка и перезарядка. Поэтому необходимо, чтобы переменные мощности и сопротивления могли принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Крейт, Фрэнк ; Д. Йоги Госвами (2005). Справочник по машиностроению CRC, 2-е изд . CRC Press . С. 5.5–5.6. ISBN 0849308666.
  2. ^ a b c d e f g h i Глиссон, Тилдон Х. (2011). Введение в анализ и проектирование цепей . США: Спрингер. С. 114–116. ISBN 978-9048194421.
  3. Перейти ↑ Eccles, William J. (2011). Прагматическая электротехника: основы . Издатели Morgan & Claypool. С. 4–5. ISBN 978-1608456680.
  4. ^ Трейлор, Роджер Л. (2008). «Расчет рассеиваемой мощности» (PDF) . Конспект лекции - ECE112: Теория цепей . Департамент избранных. and Computer Eng., Oregon State Univ . Проверено 23 октября 2012 года .
  5. ^ a b c Джамид, Хаусейн А. (2008). «Классные заметки, класс 2, стр.5» (PDF) . Открытый учебный курс, King Fahd Univ. нефти и полезных ископаемых, Саудовская Аравия . Проверено 23 октября 2012 года .
  6. ^ Шаттак, Дэйв (2011). «Набор № 5 - Введение в анализ цепей» (PPT) . ECE 1100: Введение в электротехнику и вычислительную технику . Каллен инженерный колледж, Univ. Хьюстона . Проверено 25 марта 2013 года . , п. 17
  7. ^ a b c Прасад, Шалини (2010). «Обзор основных концепций» (PDF) . Примечания к классу ECE 221: Анализ электрических цепей . Департамент электротехники и вычислительной техники, Portland State Univ. Архивировано из оригинального (PDF) 16 сентября 2012 года . Проверено 25 марта 2013 года . , стр.13-16
  8. ^ a b c О'Мэлли, Джон (1992). Обзор основных схем Шаума, 2-е изд . McGraw Hill Professional. С. 2–4. ISBN 0070478244.
  9. ^ a b c d e Кумар, К. С. Суреш (2008). Электрические схемы и сети . Pearson Education India. С. 26–28. ISBN 978-8131713907.
  10. ^ Гловер, Дж. Дункан; Мулукутла С. Сарма; Томас Джеффри Оверби (2011). Анализ и проектирование энергосистем, 5-е изд . Cengage Learning. С. 53–54. ISBN 978-1111425777.
  11. ^ a b c Лукман, Дедек (март 2002 г.). «Минимизация потерь в модифицированном алгоритме анализа потоков нагрузки в промышленной энергосистеме» . Магистерская диссертация . Кафедра электротехники и телекоммуникаций, Univ. веб-сайта Нового Южного Уэльса . Проверено 13 января 2013 года .[ постоянная мертвая ссылка ] , стр.7
  12. ^ "Соглашение о знаках потока мощности, стр.12" . Учебное пособие по фазорным, однофазным и трехфазным цепям, EE2751: Электрические энергетические системы . Департамент электротехники, Гонконгский политехнический университет. Веб-сайт. Январь 2009 . Проверено 13 января 2013 года .