Может ли кпд быть отрицательным: Может ли кпд быть отрицательным

Содержание

Может ли кпд быть отрицательным

В электрических двигателях КПД — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника.

В тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

В электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Для вычисления КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты, и других аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД тепловых электростанций достигает 35-40%[источник?] , двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением — 40-50% , динамомашин и генераторов большой мощности — 95%[источник?] , трансформаторов — 98%[источник?] . КПД процесса фотосинтеза составляет обычно 6-8%[источник?] , у хлореллы он достигает 20-25%[источник?] . У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики КПД имеется верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса) , который совершает рабочее вещество. Наибольшим КПД обладает цикл Карно.

Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и другие виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных КПД, или КПД ступеней.

В технической литературе КПД иногда определяют таким образом, что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять КПД отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный КПД установки меньше единицы, рассмотренный КПД h=Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы. Например, тепловой КПД кондиционеров в среднем равен 300-400%.

В тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

КПД это аббревиатура от «Коэфициент полезного действия». Независимо от того, подразумеваете ли вы чисто физическое значение этого термина или спрашиваете в связи с появлением «КПД вопросов», это соотношение энергии полезного эффекта к затраченной на работу устройства энергии. Для двигателей это соотношение энергии, которая была потрачена на перемещение, к энергии топлива для работы двигателя. Для обогревателя — отношение тепловой энергии к той, что была подана на вход обогревателя. В зависимости от того, насколько строгим определением КПД мы пользуемся, КПД иногда может достигать значений больше единицы. Это значит, что полезная энергия больше затраченной и устройство способно забирать часть энергии из внешней среды. В более строгих расчетах энергию из внешней среды также учитывают как затраченную и в таком случае КПД в идеальном случае может только приближаться к единице. С другой стороны, энергия не принимает отрицательных значений. Поэтому если вы специально не выделяете такой особый КПД, который учитывал бы «вредный» эффект устройства, то КПД никогда не будет отрицательным. Если суммарный полезный эффект отсутствует или компенсируется вредным, то КПД будет нулевым.

Здесь, наверно, имеется в виду КПД вопросов на «Большом вопросе». Это число, которое помогает понять, в какой степени вопросы того или иного автора востребованы в поисковых системах. Рассчитывается оно таким образом: количество заходов (за сутки) на тот или иной вопрос из того или иного поисковика делится на общее число вопросов, заданных этим автором. Например, если автор задал 100 вопросов и на 5 из них было, скажем, по 2 захода из поисковых систем (т.е. всего 10 заходов за сутки), то 20:100=0.2. Таким образом, КПД за эти сутки равен 0.2. На «Большом Вопросе» для каждого автора публикуется его КПД, среднее за 10 суток. Каждые 10 суток значение КПД обновляется. Подробнее читайте .

В тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

Может ли КПД быть больше единицы? Ответ обоснуйте.

КПД равное 1 ето вечный двигатель что невозможно тема с уроков физики класс за 9 или 10… А больше 1 ето уже неисчерпаемый источник энергии получается. . Сможете обосновать возможность его существования? Закон сохранения энергии как писали выше никто не отменял еще. . ))))

Не может, так как по определению кпд это отношение полезной работы к полной выраженное в процентах, и полезная работа всегда меньше полной, то есть числитель дроби меньше знаменателя, и дробь всегда меньше единицы

Не может быть. Нарушение закона сохранения энергии

КПД может быть больше единицы. посади в огороде семя любого фрукта или овоща и сколько получится плодов во столько раз и увеличится кпд. школа делает из всех учеников дураков со своими неправильными определениями. вся вселенная имеет самовосстанавливающуюся электроатомную структуру.

может ли КПД механизма быть равным или больше 100%? ответ поясните.

Нет, поскольку это означает, что какой-то из источников энергии не указан.
Пример: солнечные батареи, если не считать свет; тороидальный монополярный генератор Тесла, если не считать магнитное поле земли.

Так же возможны причины:
— не учтены потери мощности.
— не учтены рассеивания тепловой энергии, трение, проч.

КПД больше 100 не может быть никак . В принцепи, человек ещё не дошел до таких технологий, чтобы создать двигатель с кпд 100 % . Теоритически это возможно, полностью убрав трение, силу тяжести, и даже такие мелочи как сопротивление воздуха при вращении вала .
На данный момент люди уже распологают двигателями, кпд которых около 90 % .

Не может, в противном случае мы бы уже давно пользовались вечными двигателями.
Но может быть очень близко к 100% при определенных условиях, сверхнизкие температуры, вакуум и прочее

100% КПД — это значит что механизм производит столько же энергии сколько и потребляет, т. е. если взять энергию механизма выработанную на 100 % КПД и снова отправить на этот механизм и так до бесконечности — получится ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (а такого наука не знает) . Любой механизм это сопряжение каких-то деталей, где обязательна сила трения, какого-нибудь сопротивления и т. д. Наука не знает механизмов с КПД 100%, тем более больше!! ! Учись Андрей лучше. . может человеком станешь.

Нет, так как это противоречит важнейшему закону физики, ЗАКОНУ СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. Энергия не может взяться ниоткуда.
Равным тоже быть не может, так как все потери исключить невозможно, поэтому КПД всегда меньше 100%.

Нет, т. к. он показывает отношение полезной энергии к затраченной, А затраченная всегда больше полезной

Есть механизм который имеет кпд 100% и это холодильник

КПд больше 1 часто . Это тот же рычаг та же лебедка это сила инерции при большом разгоне . Когда тело например ротот электромотора набирает огромные оброты то сила тпения ничтожна мала и сила сопротивления воздуха также за счет этого тело как бы теряет вес . И поэтому его КПД намного превышает 1 . Физики говорят васе наоборот . То есть сила трения . НО какая сила трения например если ракета стартанула с огромной скоростью она стала почти невесома . А нам нагло врут что бы дурачить людей на счетчиках .

может ли кпд быть равным 100% ? почему?

Ни у одного реального устройства не может быть КПД 100%, так как неизбежны потери энергии (на трение, излучение и т. д.)

да, если КПБ равен 99%

*Коэффициент Полного Бездействия

Если взять электрический нагреватель, то его кпд можно считать равным 100 % — вся подводимая энергия преобразуется в тепло.

Кпд не может быть = 100 % Т. к. кпд это отношение полезной работы ко всей затраченной, а это всегда меньше 1

Вечный двигатель пока ещё не изобрели, поэтому КПД не может быть равен 100%.

Может ли КПД быть 100%, а если нет, то где предел? Это и о КПД на «Ответах»…

В технике не может, а на ответах может. Если ответов мало то КПД может быть 100%. Я не видел ни у кого в личном кабинете чтоб КПД было 100%, видел только 80%
Предел это 100% процентов конечно же.

наверное 100 проц

Лампа накаливания 15% кпд
Трансформатор 98-99 Кпд это максимум что есть
если будет кпд 100% то можно говорить что это вечный двигатель.

нет никогда, кпд это полезная деятельность

Тут у нас есть участники и с кпд 100% (все ответы являются ЛО) и чуть ниже. Правда они нас перестали посещать…

Оптимизация повысительного насосного оборудования в системах водоснабжения

Оптимизация повысительного насосного оборудования в системах водоснабжения

О. А. Штейнмиллер, к.т.н., генеральный директор ЗАО «Промэнерго»

Проблемы при обеспечении напоров в водопроводных сетях российских городов, как правило, однородны. Состояние магистральных сетей привело к необходимости снижения давления, вследствие чего возникла задача компенсировать падение напора на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей. Развитие городов и увеличение высотности домов, особенно при уплотнительной застройке, требуют обеспечения потребных напоров для новых потребителей, в том числе за счет оснащения повысительными насосными установками (ПНУ) домов повышенной этажности (ДПЭ). Подбор насосов в составе повысительных насосных станций (ПНС) производился с учетом перспектив развития, параметры подачи и напора завышались. Распространен вывод насосов на потребные характеристики дросселированием задвижками, приводящий к перерасходу электроэнергии. Замена насосов вовремя не производится, большинство из них работает с низким КПД. Износ оборудования обострил необходимость реконструкции ПНС для повышения КПД и надежности работы.

Совокупность указанных факторов приводит к необходимости определе¬ния оптимальных параметров ПНС при имеющихся ограничениях входных напоров, в условиях неопределенности и неравномерности фактических расходов. При решении такой задачи встают вопросы сочетания последовательной работы групп насосов и параллельной работы насосов, объединенных в пределах группы, а также совмещения работы параллельно соединенных насосов с частотным регулированием привода (ЧРП) и, в конечном счете, подбора оборудования, обеспечивающего потребные параметры конкретной системы. Следует учитывать значимые изменения последних лет в подходах к подбору насосного оборудования — как в плане исключения избыточности, так и в техническом уровне доступного оборудования.

Особая актуальность указанных вопросов определяется возросшим значением решения проблем энергоэффективности, что получило подтверждение в Федеральном законе РФ от 23.11.2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Вступление указанного закона в силу стало катализатором повсеместного увлечения стандартными решениями снижения энергопотребления, без оценки их эффективности и целесообразности в конкретном месте внедрения. Одним из таких решений для коммунальных предприятий стало оснащение ЧРП имеющегося насосного оборудования в системах подачи и распределения воды, зачастую морально и физически изношенного, обладающего избыточными характеристиками, эксплуатируемого без учета фактических режимов.

Анализ технико-экономических результатов любой планируемой модернизации (реконструкции) требует времени и квалификации персонала. К сожалению, руководители большинства муниципальных водоканалов испытывают дефицит и того и другого, когда в условиях постоянного крайнего недофинансирования приходится оперативно осваивать чудом доставшиеся средства, выделенные для технического «перевооружения».

Поэтому, осознавая, каких масштабов достигла вакханалия бездумного внедрения ЧРП на насосах повысительных систем водоснабжения, автор решил представить этот вопрос для более широкого обсуждения специалистами, занимающимися вопросами водоснабжения.

Основными параметрами насосов (нагнетателей), определяющими диапазон изменения режимов работы насосных станций (НС) и ПНУ, состав оборудования, конструктивные особен¬ности и экономические показатели, являются напор, подача, мощность и ко¬эффициент полезного действия (КПД). Для задач повышения напора в водо¬снабжении важна связь функциональных параметров нагнетателей (подача, напор) с мощностными:

где р — плотность жидкости, кг/м3; д — ускорение свободного падения, м/с2;

О — подача насоса, м3/с; Н — напор насоса, м; Р — давление насоса, Па; N1, N — полезная мощность и мощность насоса (поступающая к насосу через передачу от двигателя), Вт; Nb N2 — входная (потребляемая) и выходная (выдаваемая для передачи) мощности двигателя.

КПД насоса nh учитывает все виды потерь (гидравлических, объемных и механических), связанных с преобразованием насосом механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости. Для оценки насоса в сборе с двигателем рассматривается КПД агрегата na, определяющий целесообразность эксплуатации при изменении рабочих параметров (напора, подачи, мощности). Значение КПД и характер его изменения существенно определяются назначением насоса и конструктивными особенностями.

Конструктивное разнообразие насосов велико. Опираясь на принятую в России полную и логичную классификацию, основанную на различиях в принципе действия, в группе динамических насосов выделим лопастные насосы, используемые на сооружениях водо¬снабжения и канализации. Лопастные насосы обеспечивают плавную и непрерывную подачу при высоких КПД, имеют достаточную надежность и дол¬говечность. Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим потоком перекачиваемой жидко¬сти, различия механизма взаимодей¬ствия в силу конструкции приводят к отличию эксплуатационных показате¬лей лопастных насосов, которые разделяются по направлении потока на центробежные (радиальные), диагональные и осевые (аксиальные).

С учетом характера рассматривае¬мых задач наибольший интерес представляют центробежные насосы, в которых при вращении рабочего колеса на каждую часть жидкости массой т, находящейся в межлопастном канале на расстоянии г от оси вала, будет действовать центробежная сила Fu:

где w — угловая скорость вала, рад./с.

Методы регулирования рабочих параметров насоса

таблица 1

чем больше частота вращения п и ди¬аметр рабочего колеса D.

Основные параметры насосов — подача Q, напор Я, мощность N, КПД I] и частота вращения п — находятся в определенной зависимости, которая отражается характеристическими кри¬выми. Характеристика (энергетическая характеристика) насоса — графически выраженная зависимость основных энергетических показателей от пода¬чи (при постоянной частоте вращения рабочего колеса, вязкости и плотности среды на входе в насос), см. рис. 1.

Основной характеристической кри¬вой насоса (рабочей характеристикой, рабочей кривой) является график зависимости развиваемого насосом напора от подачи H=f(Q) при постоянной частоте вращения п = const. Максималь¬ному значению КПД qmBX соответствуют подача Qp и напор Нр в оптимальной режимной точке Рхарактеристики Q-H (рис. 1-1).

Если основная характеристика имеет восходящую ветвь (рис. 1-2) — интервал от Q = 0 до 2б, то она называется восходящей, а интервал [0; Q2] — областью неустойчивой работы с вне¬запными изменениями подачи, сопровождаемыми сильным шумом и гидравлическими ударами. Характеристики, не имеющие возрастающей ветви, называются стабильными (рис. 1-1), режим работы — устойчивый во всех точках кривой. «Стабильная кривая необходима, когда требуется использовать два или несколько насосов одновре¬менно» [3], что из экономических соображений весьма целесообразно в насосных приложениях. Форма основной характеристики зависит от коэффициента быстроходности насоса ns — чем он больше, тем круче кривая.

При стабильной пологой характеристике напор насоса при изменении подачи изменяется незначительно. Насосы с пологими характеристиками необходимы в системах, где при постоянном напоре требуется регулирование подачи в широких пределах, что соответст¬вует задаче повышения напора в оконечных участках водопроводной сети

— на квартальных ПНС, а также в составе ПНУ местных подкачек. Для рабочей части характеристики Q—H распространена зависимость:

где а, b — подбираемые постоянные коэффициенты (a>>0, b>>0) для данно¬го насоса в пределах характеристики Q—H, имеющей квадратичный вид.

В работе применяются последовательное и параллельное подключение насосов. При последовательной установке суммарный напор (давление) больше, чем развивает каждый из на¬сосов. Параллельная установка обеспечивает расход больше, чем каждый насос отдельно. Общая характеристика и основные соотношения для каждого способа приведены на рис. 2.

При работе насоса с характеристикой Q—H на трубопроводную систему (прилегающие водоводы и дальнейшая сеть) требуется напор для преодоления гидравлического сопротивления системы — суммы сопротивлений отдельных элементов, которые оказывают сопротивление потоку, что сказывается в итоге на потерях напора. В общем можно утверждать:

где ∆Н — потери напора на одном элементе (участке) системы, м; Q — расход жидкости, проходящий через этот элемент (участок), м3/с; k — коэффициент потерь напора, зависящий от вида элемента (участка) системы, C2/М5

Характеристика системы — зависимость гидравлического сопротивления от расхода. Совместная работа насоса и сети характеризуется точкой материального и энергетического равновесия (точкой пересечения характеристик сисистемы и насоса) — рабочей (режимной) точкой с координатами (Q,i/i), соответствующими текущей подаче и напору при работе насоса на систему (рис. 3).

Различают два типа систем: закрытые и открытые. В закрытых системах (отопления, кондиционирования и т.п.) объем жидкости постоянен, насос необходим для преодоления гидравлического сопротивления составляющих (трубопроводов, устройств) при технологически необходимом перемещении носителя в системе.

Характеристика системы — парабола с вершиной (Q,Н) = (0, 0).

В водоснабжении интерес представляют открытые системы, транспортирующие жидкость из одной точки в другую, в которых насос обеспечивает потребный напор в точках разбора, преодолевая потери на трение в системе. Из характеристики системы ясно — чем меньше расход, тем ниже потери на трение АНТ и, соответственно, потребляемая мощность.

Различают два типа открытых систем: с насосом ниже точки разбора и выше точки разбора. Рассмотрим от¬крытую систему 1-го типа (рис. 3). Для подачи из резервуара № 1 на нулевой отметке (нижний бассейн) в верхний резервуар № 2 (верхний бассейн) насос должен обеспечить геометриче¬скую высоту подъема Н, и компенсировать потери на трение АНТ, зависящие от расхода.

Характеристика системы

— парабола с координатами (0; ∆Н,).

В открытой системе 2-го типа (рис. 4)

вода под влиянием перепада высот (h2) доставляется потребителю без насоса. Разница высот текущего уровня жидкости в резервуаре и точки разбора (h2) обеспечивает некий расход Qr. Обусловленный перепадом высот напор недостаточен для обеспечения потребного расхода (Q). Поэтому насос должен добавить напор Н1 чтобы полностью преодолеть потери на трение ∆Н1 Характеристика системы — парабола с началом (0; -h2). Расход зависит от уровня в резервуаре — при его понижении высота Н, уменьшается, характеристика системы сдвигается наверх и расход снижается. Система отражает задачу недостатка входного давления в сети (подпор, эквивалентный Яг) для обеспечения подачи необходимо¬го количества воды всем потребителям с требуемым напором.

потребности си¬стемы меняются во времени (меняет¬ся характеристика системы), встает вопрос о регулировании параметров насоса с целью соответствия теку¬щим требованиям. Обзор методов из¬менения параметров насоса приве¬ден в табл. 1.

При дроссельном регулировании и регулировании байпасом может про¬исходить как снижение, так и увеличение потребляемой мощности (зависит от характеристики мощности центробежного насоса и положения рабочих точек до регулирующего воздействия и после него). В обоих случаях итоговый КПД значительно снижается, относительная потребляемая мощность на единицу подачи в систему увеличивается, происходит непроизводительная потеря энергии. Метод коррекции диаметра рабочего колеса обладает рядом преимуществ для систем со стабильной характеристикой, при этом срезка (или замена) колеса позволяет вывести насос на оптимальный режим работы без существенных начальных затрат, а КПД уменьшается незначительно [2]. Однако метод неприменим оперативно, когда условия потребления и, соответственно, подачи непрерывно и существенно меняются в течение работы. Например, когда «насосная водопроводная установка подает воду непосредственно в сеть (насосные станции 2-го, 3-го подъемов, станции подкачки и т.п.)» [6] и когда целесообразно частотное регулирование электропривода с помощью преобразователя частоты тока (ПЧТ), обеспечивающее изменение частоты вращения рабочего колеса (скорости насоса).

Основываясь на законе пропорциональности (формулы пересчета), можно по одной характеристике Q—H построить ряд характеристик насоса в диапазоне изменения частоты вра¬щения (рис. 5-1). Пересчет координат (QA1, HA) некой точки А характеристики Q—H, имеющей место при номинальной частоте вращения n, для частот n1

n2…. ni, приведет к точкам А1, А2…. Аi принадлежащим соответствующим характеристикам Q—Н1 Q—h3…., Q—Hi

(рис. 5-1). А1, А2, Аi-, образуют так называемую параболу подобных режимов с вершиной в начале координат, описываемую уравнением:

Парабола подобных режимов — геометрическое место точек, определяющих при различных частотах вращения (скоростях) режимы работы насоса, подобные режиму в точке А. Пересчет точки В характеристики Q—H при частоте вращения n на частоты n1 n2 ni, даст точки В1, В2, Вi определяющие соответствующую параболу подобных режимов (0B1B) (рис. 5-1).

На основе исходного положения (при выводе так называемых формул пересчета) о равенстве натурного и модельного КПД предполагается, что каждая из парабол подобных режимов является линией постоянного КПД. Это положение — основа использования в насосных системах ЧРП, представляемого многими едва ли не единственным способом оптимизации режимов работы насосных станций. В действительности при ЧРП насос не со¬храняет постоянства КПД даже на параболах подобных режимов, так как с увеличением частоты вращения п возрастают скорости потока и пропорционально квадратам скоростей гидравлические потери в проточной части насоса. С другой стороны, механические потери сказываются сильнее при малых значениях скорости, когда мощность насоса мала. КПД достигает максимума при расчетном значении частоты вращения п0. При других n, меньших или больших n0, КПД насоса будет уменьшаться по мере увеличения отклонения n от n0. С учетом характера изменения КПД при изменении скорости, отмечая на характеристиках Q—Н1, Q—h3, Q—Нi точки с равными значениями КПД и соединяя их кривыми, получим так называемую универсальную характеристику (рис. 5-2), определяющую работу насоса при переменной частоте враще¬ия, КПД и мощности насоса для любой режимной точки.

Кроме снижения КПД насоса следует учесть снижение КПД двигателя вследствие работы ПЧТ, имеющее две составляющие: во-первых, внутренние потери ПЧТ и, вовторых, потери на гармониках в регулируемом электродвигателе (обусловлены несовершенством синусоидальной волны тока при ЧРП). КПД современного ПЧТ при номинальной частоте переменного тока составляет 95-98% [1], при функциональном снижении частоты выходного тока КПД ПЧТ снижается (рис. 5-3).

Потери в двигателях на гармониках, производимых при ЧРП (варьируемых от 5 до 10%), приводят к нагреву двигателя и соответствующему ухудшению характеристик, в результате КПД двигателя падает еще на 0,5-1% [1].

Обобщенная картина «конструктивных» потерь КПД насосного агрегата при ЧРП, приводящих к росту удельного энергопотребления (на примере насоса ТРЕ 40-300/2-S), представлена на рис. 6 — снижение скорости до 60% от номинальной уменьшает ла на 11% относительно оптимального (при рабочих точках на параболе подобных режимов с максимальным КПД). При этом потребление электроэнергии снизилось с 3,16 до 0.73 кВт, т.е. на 77% (обозначение P1, [(«Грундфос») соответствует N1, в (1)]. Эффективность при снижении скорости обеспечивается уменьшением полезной и, соответственно, потребляемой мощности.

Вывод. Снижение КПД агрегата в связи с «конструктивными» потерями приводит к росту удельного энергопотребления даже при работе вблизи точек с максимальным КПД.

В еще большей степени относительные энергозатраты и эффективность регулирования скорости зависят от условий эксплуатации (типа системы и параметров ее характеристики, положения рабочих точек на насосных кривых относительно максимума КПД), а также от критерия и условий регулирования. В закрытых системах характеристика системы может быть близка к параболе подобных режимов, проходящей через точки максимальных КПД для различных частот вращения, т.к. обе кривые однозначно имеют вершину в начале координат. В открытых си¬стемах водоснабжения характеристика системы имеет ряд особенностей, приводящих к существенному различию ее вариантов.

Во-первых, вершина характеристики, как правило, не совпадает с началом координат из-за различной статической составляющей напора (рис. 7-1). Стати¬ческий напор чаще положителен (рис. 7-1, кривая 1) и необходим для подъема воды на геометрическую высоту в системе 1-го типа (рис. 3), но может быть и отрицательным (рис. 7-1, кри¬вая 3) — когда подпор на входе в си¬стему 2-го типа превышает потребный геометрический напор (рис. 4). Хотя нулевой статический напор (рис. 7-1, кривая 2) также возможен (например, при равенстве подпора потребному ге¬ометрическому напору).

Во-вторых, характеристики большинства систем водоснабжения постоянно изменяются во времени. Это относится к перемещениям вершины характеристики системы по оси напора, что объясняется изменениями величины подпора или величины потребного геометрического напора. Для ряда систем водоснабжения в си¬лу постоянного изменения количества и расположения фактических точек потребления в пространстве сети происходит смена положения диктующей точки в поле [Q;H], означающая новое состояние системы, которая описывается новой характеристикой с другой кривизной параболы.

В итоге очевидно, что в системе водоснабжения, работа которой обеспечивается одним насосом, как правило, затруднительно регулировать скорость насоса в однозначном соответствии с текущим водопотреблением (т.е. чет¬ко по актуальной характеристике си¬стемы), сохраняя положение рабочих точек насоса (при таком изменении скорости) на фиксированной параболе подобных режимов, проходящей через точки с максимальным КПД.

Особенно существенно снижение КПД при ЧРП в соответствии с характеристикой системы проявляется в случае значительной статической напорной составляющей (рис. 7-1, кривая 1). Так как характеристика системы не совпадает с параболой подобных режимов, то при снижении скорости (за счет снижения частоты тока с 50 до 35 Гц) точка пересечения характеристик системы и насоса ощутимо сместится влево. Соответствующее смещение на кривых КПД приведет в зону меньших значений (рис. 7-2, «малиновые» точки).

Таким образом, потенциалы энер¬госбережения при ЧРП в системах во¬доснабжения существенно разнятся. Показательна оценка эффективности ЧРП по удельной энергии на перекачку

1 м3 (рис. 7-3). В сравнении с дискретным управлением типа D регулирование скорости имеет смысл в системе типа С — с относительно малым геометрическим напором и значительной динамической составляющей (потерями на трение). В системе типа В геометрическая и динамическая составляющие значительны, регулирование скорости эффективно на определенном интервале подач. В системе типа А с большой высотой подъема и малой динамической составляющей (менее 30% от потребного напора) применение ЧРП сточки зрения энергетических затрат нецелесообразно. В основном задача повышения напора на конечных участках водопроводной сети решается в системах смешанного типа (типа В), что требует предметного обоснования применения ЧРП для повышения энергоэффективности.

Регулирование скорости в принципе позволяет расширить диапазон рабочих параметров насоса вверх от номинальной характеристики Q—H. Поэтому некоторые авторы [7] предлагают так подбирать оснащенный ПЧТ насос, чтобы обеспечить максимальное время его работы на номинальной характеристике (с максимумом КПД). Соответственно, с помощью ЧРП при снижении подачи скорость насоса снижается относительно номинальной, а при увеличении — возрастает (при частоте тока выше номинала). Однако кроме необходимости учитывать мощность электродвигателя отметим, что производители насосов обходят молчанием вопрос практического применения длительной работы насосных двигателей с частотой тока, существен¬но превышающей номинальную.

Весьма привлекательна идея управления по характеристике системы, снижающего избыточные напоры и соответствующий перерасход энергии. Но определять потребный напор по текущему значению меняющегося расхода затруднительно в силу многообразия возможных положе¬ний диктующей точки в сиюсекундном состоянии системы (при изменении количества и расположения мест потре¬бления в сети, а также расхода в них) и вершины характе¬ристики системы на оси напора (рис. 8-1). До массового применения средств КИПиА и передачи данных возможна лишь «аппроксимация» управления по характеристике на основе частных для сети предположений, задающих набор диктующих точек или ограничивающих сверху характери¬стику системы в зависимости от расхода [4]. Пример та¬кого подхода — 2-позиционное регулирование (день/ночь) выходного давления в ПНС и ПНУ.

Принимая во внимание значительную изменчивость по расположению вершины характеристики системы и по текущему положению в поле [Q;H] диктующей точки, а также ее неопределенности на схеме сети, приходится сделать вывод, что на сегодняшний день в большинстве простран¬ственных систем водоснабжения применяется управление по критерию постоянного давления (рис. 8-2, 8-3). Важно, что при снижении расхода Q частично сохраняются избыточные напоры, которые тем больше, чем левее рабочая точка, а снижение КПД при уменьшении частоты вращения рабочего колеса, как правило, усилится (в случае соответ¬ствия максимума КПД точке пересечения характеристики насоса при номинальной частоте и линии установленного постоянного давления).

Признавая возможности сокращения потребляемой и полезной мощности при регулировании скорости с целью лучшего соответствия потребностям сестемы, необходимо определять реальную эффективность ЧРП для конкретной системы, сопоставляя или сочетая этот способ с другими действенными методами снижения энергозатрат, и в первую очередь с соответствующим уменьшением номиналов подачи и/или напора в расчете на один насос при увеличении их количества.

Показателен пример схемы параллельно и последовательно соединенных насосов (рис. 9), обеспечивающей значительное количество рабочих точек в широком диапазоне напоров и подач [6].

При повышении напора на участках сетей водоснабжения, приближенных к потребителям, встают вопросы сочетания последовательной работы групп насосов и параллельной работы насосов, объединенных в пределах одной группы. Применение ЧРП поставило также вопросы оптимального совмещения работы ряда параллельно соединенных насосов с частотным регулированием

При совмещении обеспечивается высокая комфортность водоснабжения для потребителей за счет плавного пуска/ останова и стабильного напора, а также снижение установочной мощности — зачастую количество резервных насосов не меняется, а номинальное значение потребляемой мощности в расчете на один насос снижается. Также снижаются мощность ПЧТ и его цена.

По сути рассмотрения ясно, что совмещение (рис. 10-1) позволяет перекрыть необходимую часть рабочей зоны поля [Q; Н]. Если подбор оптимален, то на большей части рабочей зоны, и в первую очередь на линии контролируемого постоянного давления (напора), обеспечивается максимальный КПД большинства насосов и насосной установки в целом. Предметом обсуждения совместной работы параллельно соединенных насосов в сочетании с ЧРП зачастую становится вопрос о целесообразности оснащения каждого насоса своим ПЧТ.

Однозначный ответ на этот вопрос будет недостаточно точен. Конечно, правы утверждающие [5], что оснащение каждого насоса ПЧТ увеличивает возможное пространство расположения рабочих точек для установки. Могут быть правы и считающие [8], что при работе насоса в широком диапазоне подач рабочая точка не находится в оптимуме КПД, а при работе 2 таких насосов с пониженной скоростью общий КПД будет выше (рис. 10-2). Этой точки зрения придерживаются поставщики насосов, оснащенных встроенными ПЧТ.

По нашему мнению, ответ на этот вопрос зависит от конкретного вида характеристик системы, насосов и установки, а также от расположения рабочих точек. При управлении по постоянному давлению увеличение пространства расположения рабочих точек не требуется, и поэтому установка, оснащенная одним ПЧТ в щите управления, будет работать аналогично установке, каждый насос которой оснащен ПЧТ. Для обеспечения более высокой технологической надежности возможно установить в шкаф второй ПЧТ — резервный.

При правильном подборе (максимум КПД соответствует точке пересечения основной характеристики насоса и линии постоянного давления) КПД одного насоса, работающего на номинальной частоте (в зоне максимума КПД), будет выше общего КПД двух таких же насосов, обеспечивающих ту же рабочую точку при работе каждого из них с пониженной скоростью (рис. 10-3). Если рабочая точка лежит за пределами характеристики одного (двух и т.д.) насоса, то тогда один (два и т.д.) насос будет работать в «сетевом» режиме, имея рабочую точку на пересечении характеристики насоса и линии постоянного давления (с максимальным КПД). А один насос будет работать с ПЧТ (имея при этом более низкий КПД), и его скорость будет определяться текущим требованием системы по подаче, обеспечивая соответствующую локализацию рабочей точки всей установки на линии постоянного давления.

Целесообразно так подбирать насос, чтобы линия постоянного давления, определяющая и рабочую точку с максимальным КПД, пересекалась с напорной осью как можно выше относительно линий характеристик на¬соса, определенных для пониженных скоростей. Это корреспондируется с отмеченным выше положением о применении при решении задач повышения напора в оконечных участках сети насосов со стабильными и пологими характеристиками (по возможности с более низким коэффициентом быстроходности ns).

При условии «один насос рабочий…» весь диапазон подачи обеспечивается одним насосом (рабочим в данный момент) с регулируемой скоростью, поэтому большую часть времени насос рабо¬тает с подачей меньше номинальной и, соответственно, при более низком КПД (рис. 6, 7). В настоящее время присутствует строгое намерение заказчика ограничиться двумя насосами в составе установки (один насос рабочий, один — резервный) с целью снижения первоначальных затрат.

Эксплуатационные затраты влияют на выбор в меньшей степени. При этом нередко заказчик с целью «перестраховки» настаивает на применении насоса, номинальное значение подачи которого превышает расчетный и/или замеренный расход. В та¬ом случае выбранный вариант будет не соответствовать реальным режимам водопотребления на значительном интервале времени суток, что приведет к перерасходу электроэнергии (из-за более низкого КПД в наиболее «частом» и широком диапазоне подачи), снизит надежность и долговечность работы насосов (из-за частого выхода на минимум 2„ин допустимого диапазона подачи, для большинства насосов — 10% от номинального значения), уменьшит комфортность водоснабжения (из-за периодичности функции останова и старта). В результате признавая «внешнюю» обоснованность аргументов заказчика, приходится принять как факт избыточность большинства вновь устанавливаемых повысительных насосов на внутренних системах водоснабжения, что приводит к очень низкому КПД насосных агрегатов. Использование ЧРП при этом дает лишь часть возможной экономии в эксплуатации.

Тенденция применения двух насосных ПНУ (один — рабочий, один — резервный) широко проявляется в новом жилищном строительстве, т.к. ни проектные, ни строительно-монтажные организации практически не заинтересованы в эксплуатационной эффективности инженерного оборудования возводимого жилья, главным критерием оптимизации является закупочная цена при обеспечении уровня контрольного параметра (например, подачи и напора в единственной диктующей точке). Большинство новых жилых домов, с учетом возросшей этажности, оснащается ПНУ. Возглавляемая автором компания («Промэнерго») осуществляет поставки ПНУ как производства «Грундфос», так и своего производства на базе насосов «Грундфос» (известных под наименованием МАНС). Статистика поставок «Промэнерго» в этом сегменте за 4 года (табл. 2) позволяет отметить абсолютное преобладание двух насосных ПНУ, особенно среди установок с ЧРП, которые в основном будут ис¬пользованы в системах хозяйственнопитьевого водоснабжения, и в первую очередь жилых зданий.

По нашему мнению, оптимизация состава ПНУ, как в части затрат на электроэнергию, так и в части надежности работы, ставит вопрос об увеличении количества рабочих насосов (при снижении подачи каждого из них). Эффективность и надежность могут быть обеспечены только сочетанием ступенчатого и плавного (частотного) регулирования.

Анализ практики повысительных насосных систем с учетом возможностей современных насосов и методов регулирования, принимая во внимание ограниченность ресурсов, позволил предложить в качестве методического подхода оптимизации ПНС (ПНУ) концепцию периферийного моделирования подачи воды в контексте сокращения энергоемкости и стоимости жизненного цикла насосного оборудования [9]. Для рационального выбора параметров насосных станций с учетом структурной взаимосвязи и полирежим- ного характера функционирования периферийных элементов системы пода¬чи воды разработаны математические модели. Модельное решение позволяет обосновать подход к выбору числа нагнетателей в составе ПНС, в основе чего лежит исследование функции стоимости жизненного цикла в зависимости от числа нагнетателей в соста¬ве ПНС. При исследовании по модели ряда действующих систем установлено, что в большинстве случаев оптимальное число рабочих насосов в составе ПНС составляет 3-5 единиц (при условии применения ЧРП).

Литература

1. Березин С.Е. Насосные станции с погружными насосами: расчет и конструирование/С.Е. Бере¬зин. — М.: Стройиздат, 2008.

— 160 с.

2. Карелин В.Я. Насосы и насосные станции/В.Я. Карелин, А.В. Минаев.

— М.: Стройиз-дат, 1986. — 320 с.

3. Карттунен Э. Водоснабжение II: пер. с финского/Э. Карттунен; Ассоциация инженеров-строителей Финляндии RIL г.у. — СПб.: Новый жур¬нал, 2005 — 688 с.

4. Кинебас А.К. Оптимизация подачи воды в зоне влияния Урицкой насосной станции Санкт-Петербурга/ А.К. Кинебас, М.Н. Ипатко, Ю.В. Рук- син и др.//ВСТ. — 2009. — № 10, ч. 2. — с. 12-16.

5. Красильников А. Автоматизирован¬ные насосные установки с каскадно-частотным управлением в систе¬мах водоснабжения [Электронный ресурс]/А. Красильникова/Строи¬тельная инженерия. — Электрон, дан. — [М.], 2006. — № 2. — Ре¬жим доступа: http://www.archive- online.ru/read/stroing/347.

6. Лезнов Б.С. Энергосбережения и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках/ Б.С. Лезнов. — М.: Энергоатом- издат, 2006. — 360 с.

7. Николаев В. Потенциал энерго¬сбережения при переменной нагрузке лопастных нагнетателей/В. Нико- лаев//Сантехника. — 2007. — № 6. — с. 68-73; 2008. — № 1. — с. 72-79.

8. Промышленное насосное оборудование. — М.: ООО «Грундфос», 2006. — 176 с.

9. Штейнмиллер О.А. Оптимизация насосных станций систем водоснабжения на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей: автореф. дис. … канд. техн. наук/ О.А. Штейнмиллер. — СПб.: ГАСУ, 2010. — 22 с.

Как КПД может быть отрицательный???, Tania30 — Advego.com

Тип текста: ЛюбойКопирайтингРерайтинг без источникаПеревод

Язык: ЛюбойRussian — РусскийEnglishGermany — DeutschSpanish — EspañolFrench — FrançaisChinese — 中国Ukrainian — УкраїнськаJapanese — 日本のPortuguese — PortuguêsPolish — PolskiItalian — ItalianoTurkish — TürkArabic — العربيةVietnamese — tiếng ViệtKorean — 한국의Urdu — اردوPersian — فارسیHindi — हिन्दीDutch — HollandskFinnish — suomalainenAnother language — другой язык

Тематика: ЛюбаяБез тематикиIT, софтАвиация, военная техника, ГОАвто, мотоАзартные игры, казино, покерБытовая техникаДизайн и предметы интерьераДомашние животныеДомашние растения, цветы, растительный мирЗакон и ПравоИгрушки, товары для детейИнтернет-маркетинг, SEO, SMM, создание сайтовИстория, религия, традиции и обрядыКиноКомпьютерные игры, видеоигры и приставкиКрасота и здоровье, питание, диеты, фитнесКулинарияКультура и искусствоЛандшафтный дизайн и архитектураМатериалы 18+Мебель и аксессуарыМедицина, лечение и профилактика болезнейМобильные игры и приложенияМода и СтильМузыкаНаука, открытия, высокие технологииНедвижимостьНепознанное: фэн-шуй, астрология, гороскопыОбразование, учеба, тренингиОтдых, активные игры, охота и рыбалкаОтношения, знакомства, личная жизньПолиграфия, рекламная продукция, маркетингПолитика: аналитика и обзорыПраздники и торжества, свадьбаПрирода и экологияПромышленность и оборудованиеПсихологияРабота и карьера, фрилансРемонт и обустройствоРукоделие, хобби, handmadeСад и огород, сельское хозяйствоСемья, воспитание детей, беременность и родыСобственный бизнес, ForexСпорт и спортивный инвентарь, велотехникаСтихи и поздравленияСтроительный инструмент и материалы, садовая техникаСтроительство домов, дачное хозяйствоТуризм, достопримечательностиУслуги и сервисФинансы, банки и кредиты, экономикаФототехника, искусство фотографииЭлектроника: гаджеты, мобильные телефоны, компьютеры, телевизорыЮмор

принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated

17 декабря 2019

Александр Русу (г. Одесса)

Общий КПД импульсного преобразователя в электронных приборах малой мощности с автономным питанием снижается в основном за счет тока утечки схемы управления. Свести этот ток практически к нулю помогут интегральные DC/DC из новой серии nanoPower производства Maxim Integrated.

На сегодняшний день найти или изготовить самостоятельно высококачественный преобразователь постоянного напряжения мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт не представляет особой сложности. Однако питание оборудования, потребляемая мощность которого измеряется микроваттами, уже является серьезной технической проблемой, ведь при таких уровнях потребления увеличивается относительная величина «накладных расходов» в виде затрат энергии на работу схемы управления, что приводит к ощутимому снижению КПД преобразователя в целом. Кроме этого, практически во всех современных устройствах, питающихся от батарей, активно используются энергосберегающие режимы, в которых все неиспользуемые в данный момент системы отключаются от источника энергии. А это еще больше ужесточает требования к узлам питания, ведь теперь они должны иметь еще и минимально возможный ток утечки в выключенном состоянии.

При этом количество устройств с батарейным питанием с каждым годом постоянно увеличивается, а требования к ним ужесточаются. Поэтому большинство ведущих производителей электронных компонентов регулярно предлагают инженерам новые решения в этой области.

Не осталась в стороне и компания Maxim Integrated, которая не так давно представила линейку микросхем nanoPower, отличающихся сверхмалым энергопотреблением. На сегодняшний день в этой линейке присутствуют малопотребляющие операционные усилители, компараторы, датчики температуры и другие узлы, активно использующиеся в самых разнообразных радиотехнических устройствах. Конечно же, Maxim Integrated не оставил без внимания и сектор DC/DC преобразователей напряжения, разработав в рамках данного направления целые семейства специализированных микросхем с ультрамалым энергопотреблением.

Сравнение линейного и импульсного способов преобразования

Самой популярной схемой преобразователей постоянного напряжения можно назвать понижающую, ведь в реальной аппаратуре задача уменьшения напряжения возникает намного чаще, чем увеличения или изменения его полярности. Но уменьшить входное напряжение можно двумя способами: импульсным и линейным. Поскольку каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, а значит – и свои области применения, то разработчику необходимо их изучить.

Фундаментальную разницу между линейным и импульсным способами уменьшения напряжения можно понять из рисунка 1. Линейный стабилизатор работает по принципу резистивного делителя напряжения. Его регулирующий элемент (транзистор VT1) функционирует в активном режиме, обеспечивая такое падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера, чтобы выходное напряжение V_OUT на нагрузке R_LOAD находилось в заданных пределах. Поскольку через транзистор VT1 протекает весь ток нагрузки I_OUT, КПД данной схемы будет напрямую зависеть от разницы напряжений между входом и выходом (формула 1):

$$\eta =\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}=\frac{I_{OUT}\times V_{OUT}}{I_{OUT}\times V_{IN}}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где Р_IN и P_OUT – соответственно, входная и выходная мощности преобразователя.

Рис. 1. Сравнение линейного и импульсного способов уменьшения напряжения

И теперь становится очевидным главный недостаток линейных стабилизаторов – чем больше разница напряжений между входом и выходом, тем меньше его КПД, причем практически вся «лишняя» мощность выделяется на регулирующем элементе VT1, что требует установки его на радиатор, размеры которого порой превосходят размеры всех остальных элементов устройства.

До недавнего времени линейные стабилизаторы строились на основе биполярных кремниевых транзисторов, у большинства из которых падение напряжения между коллектором и эмиттером физически не могло быть меньше 1 В. Для стабилизаторов с относительно высоким выходным напряжением (более 5 B) такое падение напряжения было еще вполне приемлемым, однако в современных микроконтроллерных устройствах напряжение питания которых может быть меньше 1 В, использование биполярных транзисторов в таком режиме недопустимо.

В свое время это привело к созданию линейных стабилизаторов, использующих в качестве регулирующих элементов полевые транзисторы, которые, как известно, лишены такого ограничения. Эти стабилизаторы в русскоязычной литературе получили название «стабилизаторы с низким падением напряжения», или LDO-стабилизаторы/регуляторы (Low-Drop Out Regulator). Поскольку при малой разнице напряжений между входом и выходом КПД LDO-стабилизаторов не уступает импульсным преобразователям, а их масса, габариты и уровень электромагнитных помех при этом намного меньше, они до сих пор активно используются в современной технике.

В импульсных преобразователях активный режим полупроводниковых компонентов не используется принципиально. В рассматриваемом примере (рисунок 1) транзистор VT1 работает в ключевом режиме, периодически подключая нагрузку R_LOAD к источнику питания на время t_ON. Это означает, что выделение мощности на силовых полупроводниковых компонентах теоретически может быть сколько угодно малым и не зависит от соотношения напряжений между входом и выходом, что является главным преимуществом данных схем. К сожалению, от такого способа преобразования появляется и главный недостаток – пульсирующий характер выходного напряжения с высоким содержанием высокочастотных гармоник.

Поскольку использовать подобное напряжение для питания потребителей в большинстве случаев не представляется возможным, то на выходе импульсных преобразователей необходимо устанавливать фильтры, уменьшающие пульсации выходного напряжения. Причем в этих фильтрах должны обязательно использоваться реактивные элементы, способные накапливать энергию (активный фильтр на полупроводниковых транзисторах для этой цели не подойдет). А это означает, что импульсный преобразователь просто физически не может быть миниатюрным, ведь энергетическая емкость реактивных компонентов прямо пропорциональна массе и объему использованного в них магнитного или диэлектрического материала.

Если сравнить достоинства и недостатки линейных и импульсных преобразователей (таблица 1), то окажется, что они взаимно компенсируют друг друга. Поэтому на практике очень часто используются гибридные системы: импульсный преобразователь формирует некоторое промежуточное напряжение невысокой стабильности с относительно высоким уровнем пульсаций, а окончательная точная регулировка уже осуществляется с помощью линейных LDO-стабилизаторов.

Таблица 1. Сравнение импульсного и линейного способов преобразования

Метод	Импульсный	Линейный
Соотношение входного и выходного напряжений	Любое	Выходное напряжение не может быть больше входного
Точность стабилизации выходного напряжения	Из-за того что энергия преобразуется «порциями», точность выходного напряжения зависит от характера переходных процессов и метода стабилизации	Теоретически не ограничена. Практически определяется уровнем шумов и стабильностью характеристик используемых компонентов
Уровень пульсаций выходного напряжения	Высокий. При использовании некоторых методов управления (гистерезисных) принципиально не может быть низким	Теоретически может быть сколь угодно малым. Практически ограничен быстродействием используемых компонентов
Уровень электромагнитных помех	Высокий из-за высоких скоростей изменения напряжений и токов	Теоретически может быть сколь угодно малым
КПД	Высокий	Определяется разностью напряжений между входом и выходом
Масса и габариты	Зависят от частоты преобразования. Обычно больше, чем у линейных преобразователей	Зависят от уровня рассеиваемой мощности. При малых мощностях могут быть микроскопическими
Сложность схемы	Сложная	Относительно простая
Стоимость	Относительно высокая	Низкая
Основная сфера применения	Преобразователи с высоким соотношением входного и выходного напряжений, преобразователи рода тока, многоканальные преобразователи и прочие	Стабилизаторы для узлов, требующих прецизионного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций и электромагнитных помех

В современном оборудовании линейные преобразователи в основном используются для питания маломощных узлов, требующих высококачественного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций, а также в приложениях, чувствительных к уровню электромагнитных помех, а импульсные – во всех остальных случаях (по возможности).

Однако у линейных преобразователей есть один серьезный недостаток, который в ряде случаев делает их использование невозможным – выходное напряжение линейного преобразователя принципиально не может быть больше входного. А это означает, что в случаях, когда напряжение необходимо увеличить или изменить его полярность, импульсный способ преобразования является практически безальтернативным.

Принцип работы импульсных преобразователей

На сегодняшний день существует множество импульсных преобразователей постоянного напряжения, отличающихся количеством и типом реактивных компонентов, алгоритмами преобразования и прочими характеристиками. Однако наиболее простыми, а следовательно, и наиболее популярными являются всего четыре схемы: понижающая, повышающая, инвертирующая и обратноходовая (рисунок 2). Эти преобразователи используют одинаковый принцип работы, имеют идентичное количество компонентов и отличаются лишь способом коммутации накопительного дросселя L₁, от режима работы которого и зависят все характеристики схемы.

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Преобразование электрической энергии происходит в два этапа. На первом этапе ключ S₁ замыкается, и к дросселю L₁ прикладывается некоторое напряжение V_L1, под действием которого за время t_ON его ток возрастает на величину dI₁ (формула 2, рисунок 3):

$$dI_{1}=\frac{V_{L1}}{L_{1}}\times t_{ON},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где L₁ – индуктивность обмотки, активной на первом этапе.2\times L_{1}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Поскольку на первом этапе энергия в дросселе увеличивается, то его очень часто называют этапом накопления или заряда дросселя.

После размыкания ключа S₁ на выводах всех обмоток дросселя формируется ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна полярности, присутствовавшей на первом этапе, это означает, что дроссель L₁ теперь становится не потребителем, а источником электрической энергии. Изменение полярности напряжения на обмотках приводит к открытию диода VD1, который и обеспечивает путь протекания тока на втором этапе, называемом этапом возврата, или разряда дросселя.

Поскольку количество энергии в дросселе в момент коммутации ключей не изменяется, то ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S₁ также будет максимальным, однако его величина I_MAX₂ может измениться, ведь он теперь может протекать уже по другому количеству витков (формула 4):

$$E=\frac{I_{MAX2}^2\times L_{2}}{2},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где L₂ – индуктивность обмотки, активной на втором этапе.2\times A_{L},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

где A_L – конструктивный параметр магнитопровода.

После открытия диода напряжение на обмотке дросселя фиксируется на уровне V_L₂, под действием которого ток дросселя за время t_OFF уменьшится на величину dI₂(формула 7):

$$dI_{2}=\frac{V_{L2}}{L_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

В квазиустановившемся режиме, когда отсутствуют какие-либо переходные процессы как в цепях питания, так и в цепях нагрузки, дроссель на втором этапе преобразования должен отдать всю энергию, накопленную на первом интервале. Это означает, что к моменту начала следующего цикла его ток должен быть таким же, как и в начале предыдущего. Для схем с однообмоточным дросселем dI₁= -dI₂, но в общем случае (для обратноходового преобразователя) изменения токов обмоток определяются Законом полного тока (формула 8):

$$dI_{1}\times N_{1}=-dI_{2}\times N_{2}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Подставляя в формулу 8 соотношения 2 и 7, с учетом 6, можно получить основное уравнение 9, связывающее величины напряжений на выводах обмоток дросселя с отношением длительностей основных этапов преобразования:

$$\frac{V_{L1}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{L2}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Формула 9 является основой для получения регулировочной характеристики преобразователя – зависимости выходного напряжения от относительной длительности первого этапа преобразования D = t_ON/(t_ON + t_OFF). Однако для того чтобы получить эти зависимости, далее необходимо рассматривать каждую схему в отдельности.

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь (Step-Down Converter, Buck Converter) обычно имеет только одну обмотку, поэтому N₁ = N₂. На первом этапе преобразования к дросселю приложена разница входного и выходного напряжений (V_L₁ = V_IN – V_OUT), а на втором – только выходное напряжение (V_L₂ = V_OUT), как показано на рисунке 4. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 10:

$$\left(V_{IN}-V_{OUT} \right)\times t_{ON}=-V_{OUT}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Следовательно (формула 11):

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{ON}+t_{OFF}}=V_{IN}\times D\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Принцип работы понижающего преобразователя

Из формулы 11 видно, что выходное напряжение V_OUT понижающего преобразователя не может превышать входное V_IN, иначе левая часть уравнения станет отрицательной, к дросселю на обоих этапах преобразования будет приложено однополярное напряжение, и схема работать не будет.

Повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь (Step-Up Converter, Boost Converter) также обычно строится на основе однообмоточного дросселя (N₁= N₂). На первом этапе преобразования, когда ключ S₁ замкнут, к обмотке дросселя приложено полное напряжение питания (V_L₁= V_IN), а вот на втором есть разница между входным и выходным напряжениями (V_L₁= V_OUT– V_IN), как показано на рисунке 5. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 12:

$$V_{IN}\times t_{ON}=-\left(V_{OUT}-V_{IN} \right)\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Из формулы 12 теперь можно получить уравнение для регулировочной характеристики (формула 13):

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \frac{t_{ON}+t_{OFF}}{t_{OFF}}=V_{IN}\times \frac{1}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

Рис. 5. Принцип работы повышающего преобразователя

Как и в понижающем преобразователе, формула 13 накладывает ограничения на соотношение напряжений V_IN и V_OUT. При V_OUT< V_IN правая часть формулы 13 изменит свой знак, и дроссель перестанет отдавать энергию. Поэтому повышающий преобразователь может только увеличивать входное напряжение.

Инвертирующий и обратноходовой преобразователи

И в инвертирующем (Inverting Converter), и в обратноходовом (Flyback Converter) преобразователях к обмоткам дросселя на первом этапе прикладывается полное входное (V_L₁ = V_IN), а на втором – полное выходное напряжение (V_L₂ = V_OUT), как показано на рисунок 6. Поэтому базовое уравнение для определения их регулировочных характеристик одинаково (формула 14):

$$\frac{V_{IN}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{OUT}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

Рис. 6. Принцип работы инвертирующего и обратноходового преобразователей

Но, поскольку инвертирующие преобразователи обычно строятся на основе однообмоточных дросселей, для которых N₁ = N₂, то их регулировочная характеристика при работе во всех режимах, кроме разрывного, несколько проще (формула 15):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Ключевой особенностью обратноходового преобразователя является возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. В этом случае обмотки дросселя могут иметь разное количество витков (формула 16):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

Для инвертирующего преобразователя, вход и выход которого имеют один общий провод, выходное напряжение V_OUT по абсолютному значению может быть как больше, так и меньше входного V_IN. Однако оно обязательно должно иметь обратную полярность, ведь ни продолжительность первого t_ON, ни второго t_OFF этапов преобразования не могут быть отрицательными. Для обратноходового преобразователя обеспечение двухполярного напряжения на обмотке осуществляется правильной фазировкой обмоток и включением диода VD1. Если это правило будет нарушено, то обратноходовой преобразователь работать не будет (фактически он превратится в прямоходовой, который имеет несколько иной принцип работы).

При использовании в понижающей, повышающей и инвертирующей схемах дросселя с одной обмоткой наибольшая эффективность преобразователя будет в диапазоне 0,1 ≤ V_IN…V_OUT≤ 10. Если же входное напряжение отличается от входного больше чем в 10 раз, тогда, в соответствии с формулой 9, длительность одного из этапов преобразования (t_ON или t_OFF) будет значительно меньше другого (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимости соотношения напряжения на входе и выходе преобразователей (VOUT/VIN) от соотношения длительностей первого и второго этапов (tON/tOFF)

При этом становится сложно как регулировать выходное напряжение, так и фильтровать его, поскольку при малых длительностях t_ON или t_OFF увеличиваются пульсации токов, что в конечном итоге приводит к катастрофическому уменьшению КПД, вплоть до физической невозможности реализации данного режима (необходимая длительность t_ON или t_OFF может оказаться меньше чем время включения/выключения полупроводникового компонента). Поэтому при большой разнице напряжений между входом и выходом используют автотрансформаторное включение дросселей, при котором транзистор или диод подключаются к части обмотки (рисунок 8). В этом случае N₁ ≠ N₂ и формулы 10…15 придется выводить заново из базового соотношения формулы 9.

Рис. 8. Понижающий преобразователь с автотрансформаторным включением дросселя, работающий при большой разнице напряжений (VIN >>VOUT)

Особенности преобразователей nanoPower

Как видно из принципа работы, максимальное значение КПД импульсных преобразователей теоретически не ограничено. Но на практике всегда будут потери из-за неидеальности элементной базы, поэтому реальное значение КПД силовой части у наилучших представителей импульсных преобразователей находится на уровне 98…99%.

Однако при расчете КПД преобразователя в целом следует учитывать также и затраты энергии на работу схемы управления. Если рассмотреть структурные схемы контроллеров, реализующих два наиболее популярных на сегодняшний день метода управления – по напряжению (рисунок 9) и по току (рисунок 10), – то можно увидеть, что для обеспечения выходного напряжения необходимого качества требуется достаточно большое количество узлов. И хоть на сегодняшний день технологии изготовления полупроводниковых микросхем находится на очень высоком уровне, тем не менее, когда мощность силовой части преобразователя ничтожно мала, ток потребления узлов управления может оказаться соизмеримым с током нагрузок.

Рис. 9. Контроллер преобразователя с методом управления по напряжению

Рис. 10. Контроллер преобразователя с методом управления по току

У контроллеров преобразователей постоянного напряжения можно выделить три основных тока, на которые следует обращать внимание при выборе: ток, потребляемый от входной I_QINT, выходной I_QOUT цепи в активном режиме и ток утечки I_SDT, потребляемый микросхемой в выключенном состоянии (рисунок 11). Эти токи, по возможности, должны быть минимальными, ведь чем они меньше – тем выше КПД преобразователя.

Рис. 11. Пути протекания токов IQINT, IQOUT и ISDT микросхемы MAX17222

Из этих параметров наиболее важным для устройств с батарейным питанием является ток утечки I_SDT. И связано это с их спецификой работы, ведь как показывает практика, большую часть времени они находятся либо в спящем (дежурном), либо в выключенном состоянии. Поскольку физически отключить схему управления преобразователя от источника питания в большинстве случаев не представляется возможным, ток утечки I_SDT будет напрямую влиять на время автономной работы.

В интегральных преобразователях постоянного напряжения nanoPower основной технологией уменьшения токов I_QINT, I_QOUT и I_SDT является тщательная проработка схемотехники внутренних узлов контроллера и процессов изготовления интегральных компонентов. Из других методов уменьшения собственного энергопотребления можно также выделить отключение резистивного делителя выходного напряжения, используемого в цепи обратной связи. Все это позволило добиться впечатляющих значений собственного энергопотребления этих узлов. Так, например, для микросхем повышающих преобразователей MAX17220/21/22/23/24/25 ток, потребляемый от цепей нагрузки (I_QOUT), не превышает 300 нА, а токи, потребляемые от источника питания (I_QINT, I_SDT) равны всего 0,5 нА.

Кроме этого, повышающие преобразователи имеют одну специфическую особенность, на которую также необходимо обращать внимание. При использовании в качестве верхнего ключа полупроводниковых диодов или n-канальных MOSFET становится невозможным полное отключение выходного напряжения – при остановке преобразователя на его выходе присутствует напряжение питания, которое приводит к увеличению энергопотребления. Поэтому в микросхемах nanoPower реализована также технология True Shutdown, блокирующая появление напряжения на выходе преобразователей при их отключении.

На сегодняшний день в линейку малопотребляющих преобразователей nanoPower входят микросхемы для наиболее популярных схем преобразователей: понижающего и повышающего типов (таблица 2). Линейка повышающих преобразователей MAX17220…25 (рисунок 12) позволяет обеспечить нагрузку выходным напряжением 1,8…5 В, устанавливаемым путем выбора внешнего резистора R_SEL с шагом 0,1 В. Входное напряжение при этом может находиться в диапазоне 0,4…5,5 В.

Высокая степень интеграции позволила использовать для микросхем MAX17220…25 миниатюрные шестивыводные корпуса WLP и µDFN и обойтись минимальным количеством внешних компонентов. Как видно из рисунка 12, кроме обязательных внешних реактивных элементов – конденсаторов C_IN, C_OUT и накопительного дросселя, которые, во-первых технологически сложно изготовить в интегральном исполнении, а во-вторых, их параметры зависят от конкретного приложения, для работы микросхем требуется единственный внешний прецизионный (с точностью 1%) резистор R_SEL, отвечающий за величину выходного напряжения.

Таблица 2. Характеристики микросхем nanoPower

Наименование	Ток, потребляемый от выходных цепей I_QOUT, нА	Ток, потребляемый в выключенном состоянии I_SDT, нА	Максимальный ток накопительного дросселя, мА	Выходной ток, мА	Корпус	Отладочная плата
MAX38640A	330	5	250	160	WLP/6	MAX38640EVKIT
MAX17220	300	0,5	225	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17222	300	0,5	500	200	WLP/6	MAX17222EVKIT
MAX17223	300	0,5	500	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17224	300	0,5	1000	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17225	300	0,5	1000	205	WLP/6, µDFN/6	MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT

Рис. 12. Структурная схема микросхем MAX17220…25

В микросхемах MAX17220…25 реализован метод управления по току, поэтому величина индуктивности накопительного дросселя во многом определяет величину рабочей частоты преобразователя. Для большинства приложений на основе данных микросхем можно использовать малогабаритные дроссели в корпусе 0603 индуктивностью 2,2 мкГн с максимальным током 225 мА, 500 мА или 1 А. Все это позволяет реализовывать ультракомпактные повышающие преобразователи, занимающие на печатной плате площадь, не превышающую 6,75 мм².

Аналогичными характеристиками обладают и микросхемы понижающих преобразователей MAX38640/41/42/43 (рисунок 13), позволяющие понижать входное напряжение 1,8…5,5 В до величины 0,7…3,3 В (микросхемы с суффиксом А) или до 0,5… 5,0 В (с суффиксом B). Так же, как и в рассмотренных выше повышающих преобразователях, для установки выходного напряжения MAX38640…43 используется единственный прецизионный резистор R_SEL, а сами микросхемы требуют всего четырех внешних компонентов.

Рис. 13. Структурная схема микросхем MAX38640…43

Для ускорения выхода продуктов на рынок компания Maxim Integrated предлагает разработчикам максимальную поддержку, не ограничивающуюся только предоставлением всей необходимой технической документации. Так, например, на официальном сайте компании присутствуют математические модели, с помощью которых можно изучить электрические процессы разрабатываемых схем в специализированных средах разработки: автономной EE-Sim® OASIS Simulation Tool на основе ядра SIMPLIS® и онлайновой EE-Sim Design And SimulationTool. Обе среды ориентированы на разработку импульсных источников питания и позволяют на основе предлагаемых шаблонов собрать виртуальный аналог разрабатываемой схемы менее чем за 5 минут.

Кроме этого, для оценки реальных возможностей микросхем nanoPower компания Maxim Integrated предлагает специализированные отладочные платы. Так, например, для микросхем MAX17220…25 доступна отладочная плата MAX17222EVKIT (рисунок 14), состоящая из двух независимых частей, содержащих одну и ту же микросхему MAX17222, но изготовленную в разных корпусах: µDFN и WLP. В каталогах Maxim Integrated присутствует также аналогичная отладочная плата MAX17220EVKIT с установленными микросхемами MAX17220 (в двух вариантах корпусов) и MAX38640EVKIT с установленной микросхемой MAX38640A в корпусе WLP.

Рис. 14. Внешний вид отладочной платы MAX17222EVKIT

Заключение

Питание от батарей является далеко не тривиальной задачей, ведь для обеспечения максимально возможного времени автономной работы необходима тщательная проработка не только силовой части, но и узлов управления. Однако, как показывает практика, эти задачи целиком и полностью ложатся на плечи производителей электронных компонентов, ведь, как видно из материалов данной статьи, конечным разработчикам остается лишь адаптировать готовые решения под конкретное приложение.

Дополнительные материалы:

Статьи:

Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

•••

Наши информационные каналы

Определение КПД циклического процесса

Задача С3 для подготовки к ЕГЭ по физике по теме «Первый закон термодинамики. КПД циклических процессов».

Цикл тепловой машины, рабочим веществом которой является один моль идеального одноатомного газа, состоит из изотермического расширения, изохорного охлаждения и адиабатического сжатия. В изохорном процессе температура газа понижается на ?Т, а работа, совершённая газом в изотермическом процессе, равна А. определите КПД тепловой машины.

Перед решением задачи, необходимо изобразить те процессы, которые происходят с газом на каждом участке. В итоге получается замкнутый цикл, состоящий из изотермы 1-2, изохоры 2-3, адиабаты 3-1.Чтобы рассчитать КПД замкнутого цикла, воспользуемся хорошо известной формулой.Согласно этой формуле, наша задача состоит в том, чтобы определить количество теплоты, получаемое газом за цикл от нагревателя, и количество теплоты, отдаваемое газом холодильнику.

А для этого расписываем первый закон термодинамики сначала в общем виде, а потом для каждого участка.Для изотермического процесса 1-2 имеем (количество теплоты, переданное газу идёт только на совершение газом работы. Внутренняя энергия газа не изменяется):То есть количество теплоты, полученное рабочим телом он нагревателя за цикл Q₁ =Q₁₂ численно равно работе газа при изотермическом процессе.

Газ отдаёт теплоту холодильнику на участке 2-3 , на котором идёт изохорное охлаждение газа. Количество теплоты, отданное газом численно равно изменению внутренней энергии на этом участке (работа при изохорном процессе не совершается). Для Q₂ =Q₂₃ имеем.На участке 3-1 газ энергию не отдаёт и не получает: по условию это адиабатный процесс (по определению — процесс, происходящий без теплообмена с внешней средой).

Подставляя Q₁=Q₁₂ и Q₂= Q₂₃ в формулу для определения КПД и упрощая, получаем итоговый ответ задачи в общем виде.Важно! Ход решения задачи хорошо согласуется с алгоритмом для решения задач по этой теме, который я предлагаю повторить.

Внимание! Тексты других задач части С вы можете найти на этой странице.

Вы можете оставить комментарий, или поставить трэкбек со своего сайта.

Написать комментарий

Частотные преобразователи — структура, принцип работы

Внимание! Приведенная ниже информация носит теоретический характер. Если Вам необходимо решить конкретную задачу или разобраться как и какое оборудование следует применить в Вашем случае, воспользуйтесь бесплатной консультацией связавшись с нами одним из указанных вверху данной страницы или на странице «Контакты» способов, либо заполните опросный лист. Инженер службы технической поддержки направит Вам рекомендации на указанный Вами адрес электронной почты.

Частотные преобразователи – это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
С с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
- Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше).
- Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах, относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорных действует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая не энергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

Сделать заказ на частотный преобразователь

Когда стартаперу можно уходить в отпуск?

Близится середина лета, а с ним — разгар отпускного сезона. Должен ли фаундер брать отпуск в течение первого года существования проекта? Есть ли вообще место отдыху на начальной стадии развития стартапа? Мы решили узнать, что об этом думают российские венчурные инвесторы.

Алексей Соловьев, управляющий директор Prostor Capital

Успех стартапа от этого не зависит. Если человек в состоянии так организовать работу, чтобы в его отсутствие никто не расслаблялся, все выполняли свои функции, работа продолжалась и дисциплина соблюдалась, да пусть хоть четыре раза в год в отпуск уходит. Хороший фаундер должен доверять своей команде и уметь делегировать полномочия. Если человек работает круглые сутки без перерывов на обед, сон и отпуск, это, безусловно, его личный выбор, возможно, для него так удобнее, но это никак не гарантирует успех его начинаний. Успех проекта зависит от абсолютно других вещей. К тому же полуживой фаундер, доводящий до истощения себя и свою команду, вряд ли сможет зажигать и мотивировать, а, в конечном счете, и достигать результатов.

Александр Журба, сооснователь Sapfir Capital

Нет, фаундер должен сходить в отпуск до начала проекта, а затем быть готовым к тому, что ему придется 3-5 лет впахивать без отдыха. Вести сбалансированную жизнь при запуске нового бизнеса могут позволить себе основатели 45+ лет, запускающие бизнес на свои деньги, когда у них в жизни и так в целом все хорошо, и которые при этом сразу со старта собрали очень сильную автономную команду. Остальным придется свыкнуться с мыслью, что отпуска не будет. Отдыхать, конечно, при этом нужно — если не высыпаться работоспособность снижается значительно.

Впрочем, каждый сам себе хозяин, и если инвестора устраивает, что из его денег кто-то оплачивает себе отпуск на пляже, то никто не вправе этому мешать.

Дмитрий Масленников, основатель частной венчурной компании MetaBeta

Как учил меня мой папа, отдых — это просто смена вида деятельности. Поэтому у предпринимателя, на мой взгляд, не может быть отпуска, как минимум, потому что у него нет работы — у него есть любимое дело, которым он занимается все время, пока не спит. Хотя даже, когда спит, его подсознание работает над поставленными сознанием задачами, а утром подкидывает готовые решения. А где он в это время находится и чем именно занимается, кроме непосредственного «делания стартапа» не имеет особого значения.

Ну и две самые важные мысли: первая — работа ценится по результату, и если предприниматель может показывать хорошие результаты, то какая разница инвестору или членам Совета директоров брал ли он «отпуск»? Вторая — стартап для жизни, а не жизнь для стартапа, и в жизни, опять же, на мой взгляд, есть намного более важные вещи, чем любой стартап, например, семья, друзья, дети и любимые люди вокруг.

Виктор Осыка, Associate в Almaz Capital

Талантливые, многообещающие фаундеры — это, как правило, взрослые люди, способные сами отвечать на такие вопросы. Это все сугубо индивидуально, зависит от обменных процессов организма и устройства психики. В целом, увлеченные люди в первый год действительно мало отдыхают — у них это получается естественным образом, и душевных сил обычно сперва много. Умение переключаться хотя бы пару раз в год — это очень важно, потому что биологически мозг начинает работать иначе, и силы тоже перегруппируются, как следствие, КПД может возрастать в разы. Но это, повторюсь, очень индивидуально и каждому свое.

Алексей Тельнов, инвестиционный директор iTech Capital

Наличие краткосрочного отпуска в первый год существования проекта не является показателем немотивированности основателей, вопрос в их продуктивности в течение рабочего времени и в построении бизнес-процессов внутри компании.

Тем более, отпуск для большинства фаундеров — вещь весьма условная и подразумевает только смену обстановки, а, учитывая, что большинство задач сейчас решаются удаленно, то основатели не выключаются из рабочего процесса ни на день. Безусловно, будет вызывать вопросы ситуация, когда фаундер в течение первого года проекта, уходя в отпуск, выключает все средства коммуникации на несколько недель и не интересуется происходящим в его бизнесе, но такие ситуации единичны.

По-моему мнению, не менее важная тема — это вопрос компенсации фаундеров как наемных сотрудников компании в первые годы существования проекта и после поднятия инвестиций, когда основатель/СEO/CTO, являясь акционерами, хотят кратное повышение своих зарплат/бонусов. Но это тема для отдельной дискуссии.

Александр Лазарев, партнер Maxfield Capital

На мой взгляд, постановка вопроса, когда сам факт отдыха ставится под сомнение, в корне не верна. В любой ситуации, какой бы напряженной и сложной она ни была, человеку необходимо находить время на себя. В молодой компании большую часть стресса всегда испытывают ее основатели. Это неизбежно. Длительное напряжение может сильно вымотать любого человека, оно снижает его работоспособность, когнитивные способности в целом. Однако на первых этапах, когда процессы еще не отлажены, выкроить время на полноценный отпуск бывает крайне сложно. С другой стороны, нам повезло, мы живем во времена, когда происходит переосмысление организации рабочего времени и пространства. Сейчас можно вести дела удаленно. Конечно, это требует серьезной самоорганизации, но это во многом и отличает успешных руководителей. Если найти время на отпуск в плотном графике запусков и новых проектов не получается, может помочь переключение деятельности на другие активности. Классический пример — это спорт. Я считаю, основатель должен отдыхать, заставлять себя переключаться на время от проекта, но каким образом он это делает, беря отпуск или занимаясь спортом, уже частности.

Константин Виноградов, Associate в Runa Capital

Все зависит от проекта и амбиций самого фаундера — если он создает стартап с большим потенциалом масштабирования в «горячей» рыночной нише, то даже пара недель, проведенных вдали от проекта и команды, могут нанести значительный потенциальный урон или замедлить рост проекта в будущем. Уникальные возможности не будут ждать, когда вы вернетесь с Бали.

В современном мире именно скорость развития является одним из главных факторов венчурного проекта, поэтому отдых СЕО стартапа, особенно на ранних стадиях, когда значительная часть процессов компании завязана на него, является отрицательным фактором для инвестора. По отношению к отдыху в ранние периоды развития бизнеса ярко различаются амбициозные фаундеры, которые почти круглосуточно строят настоящие венчурные компании (20х+ для инвестора) и те, кто больше про lifestyle-бизнес — быть таким абсолютно нормально, но это истории не про венчурный капитал и завоевание мира.

На мой взгляд, лучше всего отдыхать либо до создания своего бизнеса, либо в тот момент, когда бизнес-процессы в компании уже выстроены и есть эффективная команда менеджеров.

Является ли отрицательная температура в цикле Карно контрпримером второго начала термодинамики?

Чтобы решить эту проблему, мы можем просто провести вывод эффективности Карно, учитывая возможность того, что $ T_H $ может быть отрицательным. Почему-то я никогда не могу думать о тепловых двигателях без диаграммы. Вот схема работы обычного теплового двигателя, использующего резервуары с положительной температурой:

Рис. 1: Обычный тепловой двигатель.

Двигатель забирает количество тепла $ Q_ \ text {in} $ из резервуара при температуре $ T_H $ и выводит количество работы $ W $, а также отклоняет количество тепла $ Q_ \ text {out}. $ в резервуар при температуре $ T_C $.

Первый закон гласит, что $ Q_ \ text {in} = W + Q_ \ text {out} $. Второй закон гласит, что общее количество энтропии должно увеличиваться. Энтропия горячего резервуара падает на $ \ frac {1} {T_H} Q_ \ text {in} $, а энтропия холодного резервуара увеличивается на $ \ frac {1} {T_C} Q_ \ text {out} $.(Работа $ W $ не влияет на полную энтропию. Работа — это энергия без какой-либо энтропии).

Таким образом, общее изменение энтропии составляет $ \ frac {1} {T_C} Q_ \ text {out} — \ frac {1} {T_H} Q_ \ text {in} $ или $ \ frac {1} {T_C} ( Q_ \ text {in} -W) — \ frac {1} {T_H} Q_ \ text {in} $. Эффективность максимальна, когда она установлена на ноль, что приводит к КПД Карно

$ W_ \ text {max} = \ left (1- \ frac {T_C} {T_H} \ right) Q_ \ text {in}. $

Теперь представим, что $ T_H $ отрицательное значение, и посмотрим, как изменится эта картина.

Первое, что следует отметить, это то, что теперь, когда мы удаляем тепло из горячего резервуара, его энтропия все еще изменяется на $ — \ frac {1} {T_H} Q_ \ text {in} $. Но теперь это положительное изменение из-за отрицательного знака $ T_H $. Вы можете думать о $ \ frac {1} {T} = \ frac {\ partial S} {\ partial U} $ как о величине, на которую изменяется энтропия системы при добавлении небольшого количества тепла. Энергия, хранящаяся в резервуаре с отрицательной температурой, «хочет» превратиться в тепло в том смысле, что удаление тепла увеличивает его энтропию, а не уменьшает ее.

Теперь мы все еще можем провести те же рассуждения, что и раньше, и мы по-прежнему получаем

$ W_ \ text {max} = \ left (1- \ frac {T_C} {T_H} \ right) Q_ \ text {in}, $

, и, как вы указываете, это будет больше 1. Но обратите внимание, что в этом случае $ Q_ \ text {out} = Q_ \ text {in} -W_ \ text {out} <0 $. В вашем примере, где $ \ eta = 2 $, у нас есть $ Q_ \ text {out} = -Q_ \ text {in} $.

В ответе Кости предполагается, что $ Q_ \ text {out} $ должно быть положительным, поэтому он приходит к выводу, что двигателя с такой эффективностью не может быть.Но я хочу использовать другой подход, принимая его за чистую монету: самый эффективный двигатель в этой ситуации — это тот, который действительно забирает тепло из холодного резервуара:

Рис. 2: Сверхэффективный тепловой двигатель, работающий с резервуаром с отрицательной температурой. Обратите внимание, что он забирает тепло из обоих резервуаров .

Теперь мы можем в некоторой степени понять, что эффективность больше единицы. Если $ \ eta> 1 $, это означает, что $ W $ больше, чем $ Q_ \ text {in} $.Но это нормально, потому что в этой ситуации часть энергии поступает из холодного резервуара. Со вторым законом проблем нет, потому что мы вывели его, явно задав для увеличения энтропии значение 0.

Я хочу вернуться и прояснить то, на что я намекал ранее: вы можете забирать тепло из резервуара с отрицательной температурой и превращать его непосредственно в работу, вопреки утверждению Кельвина. То есть такой двигатель возможен:

Фиг.3: Тепловой двигатель, который преобразует тепло отрицательной температуры непосредственно в работу.

Но это не противоречит второму закону. Вышеупомянутый механизм не является максимально эффективным и производит количество энтропии $ — \ frac {1} {T} Q $, которое снова является положительным, поскольку $ T $ отрицательно.

Вы не можете использовать его для создания вечного двигателя, потому что температура резервуара с отрицательной температурой будет снижаться по мере удаления из него тепла, пока его температура не достигнет минус бесконечности (что будет происходить за конечное время), после чего он переключится на положительный и продолжит уменьшаться.Это, вероятно, звучит довольно нелогично, поэтому см. Раздел ниже.

Итак, результатом всего этого является то, что да, $ \ eta $ может быть больше 1, если $ T_H <0 $, но это не контрпример ко второму закону и не позволяет построить вечный двигатель. Утверждение Кельвина было написано до того, как стало известно об отрицательных температурах, как вы говорите, и, чтобы сделать его верным для таких систем, его нужно изменить так, чтобы «невозможен процесс, в котором единственным результатом является поглощение тепла из резервуара с положительная температура и ее полное превращение в работу.«

Почему температура понижается до $ — \ infty $, а затем становится положительной?

В предыдущей версии этого ответа я сказал, что вы не можете создать вечный двигатель, потому что вам нужно потрудиться, чтобы создать резервуар с отрицательной температурой. Это отчасти правда, но я думаю, что приведенный ниже аргумент — лучший аргумент.

Начнем с того, что $$ \ frac {1} {T} = \ frac {\ partial S} {\ partial U}, $$ где $ U $ — внутренняя энергия системы, а $ S $ — ее энтропия. Для большинства систем кривая $ S (U) $ выглядит примерно так:

Фиг.4: Кривая $ S (U) $ для типичного объекта с конечной теплоемкостью.

Вы можете видеть, что по мере удаления тепла из системы (уменьшение $ U $) наклон $ 1 / T $ увеличивается (т.е. $ T $ уменьшается) до тех пор, пока в некоторой точке с конечным $ U $ (энергия основного состояния) энтропия становится равной нулю, а наклон становится бесконечным (или $ T $ становится равным нулю). Основной результат статистической механики состоит в том, что кривая $ S (U) $ должна иметь вогнутую форму , а это означает, что $ 1 / T $ всегда не должна возрастать с увеличением $ U $.Обычно и $ S $, и $ U $ не ограничены.

Однако для некоторых систем (тех, где можно использовать инверсию населенности) может удерживаться только конечное количество энергии, и для этих систем кривая выглядит примерно так:

Рис. 4: Кривая $ S (U) $ для системы, которая может иметь отрицательную температуру.

Вы можете видеть, что эти системы могут иметь отрицательные температуры, а это означает, что внутренняя энергия $ U $ находится справа от пика в $ S $. Когда вы удаляете тепло из такой системы, $ 1 / T $ увеличивается, пока не пройдет через ноль и снова не станет положительным, что соответствует уменьшению $ T $ $ — \ infty $, затем переключению на $ + \ infty $ и продолжению убывания.

Таким образом, когда вы удаляете энергию из резервуара с отрицательной температурой, вы неизбежно приближаете его к тому, чтобы стать нормальным резервуаром с положительной температурой. Это основная причина, по которой вы не можете построить вечный двигатель, используя резервуары с отрицательной температурой: в конце концов идеализация постоянной температуры должна сломаться, и ваш резервуар с отрицательной температурой станет резервуаром с положительной температурой.

И наоборот, чтобы создать резервуар с отрицательной температурой, вы должны вложить в него энергию.Система с горбатой кривой $ S (U) $, показанной на рис.4, обычно начинается при той же (положительной) температуре, что и ее окружение, а это означает, что ее внутренняя энергия $ U $ будет находиться слева от пика в кривая $ S $. Чтобы сделать температуру отрицательной, вам нужно будет вложить в нее энергию с помощью теплового насоса (аналогично рис. 2, но все стрелки указывают в противоположных направлениях). По сути, его нужно нагреть настолько, чтобы его температура стала бесконечной, а затем отрицательной. Таким образом, хотя может показаться довольно чудесным, что тепло с отрицательной температурой может быть преобразовано на 100% в работу без выделения тепла, вы должны иметь в виду, что системы с отрицательной температурой — это нечто особенное, чего (насколько я знаю) не существует. в природе, и вы не можете создать его, не затратив по крайней мере столько работы, сколько вы могли бы извлечь из него с помощью теплового двигателя.

Не должно ли тепло течь из резервуара с отрицательной температурой $ H $ в резервуар с положительной температурой $ C $?

Если бы мы не использовали тепловую машину для извлечения работы, то да, это было бы. Как вы, надеюсь, ясно видите из рисунка 5 выше, отрицательные температуры более высокие, чем положительные. Но дело в том, что мы рассматриваем не просто спонтанный поток тепла, мы рассматриваем наиболее эффективный способ извлечения работы из резервуаров с помощью гипотетической машины.

Было бы полезно снова взглянуть на рис. 1, показывающий нормальный тепловой двигатель. Здесь тепло выходит из горячего резервуара в холодный. Но тепла, поступающего в холодный резервуар, меньше тепла, исходящего из горячего, потому что часть его преобразуется в работу. Если мы увеличим $ T_H $, сохраняя постоянное значение $ Q_ \ text {in} $, тогда движок может работать более эффективно, поэтому $ Q_ \ text {out} $ уменьшится. Если мы сделаем $ T_H $ бесконечным (т.е. $ 1 / T_H = 0 $, поэтому горячий резервуар находится прямо на пике кривой $ S (U) $ выше), то $ Q_ \ text {out} $ станет равным нулю, потому что максимально эффективный тепловой двигатель имеет коэффициент полезного действия 1 и может преобразовывать тепло за $ T_ \ infty $ для работы без выделения тепла.(В некотором смысле работа — это тепла с бесконечной температурой.)

Если мы еще больше увеличим энергию горячего резервуара, так что его температура станет отрицательной (пройдя пик на кривой $ S (U) $), максимально возможный КПД станет больше 1, и $ Q_ \ text {out } $ становится отрицательным. Обратите внимание, что в этом случае тепловая машина отводит тепло от обоих резервуаров .

термодинамика — Понимание эффективности — Physics Stack Exchange

Мне кажется, у вас есть две проблемы, которых нужно остерегаться.Первое — это разница между «работой над системой» и «работой над системой», которые различаются по знаку. Таким образом, вы не должны говорить о «работе, выполняемой процессом», потому что неясно, какой знак вы имеете в виду, поэтому вам придется по существу оборудовать знак вручную (расширение системы действительно «работает» системой, так что это отрицательная «работа» по системе). Вторая путаница, на которую следует обратить внимание, заключается в том, что когда вы выполняете интеграл, чтобы получить, скажем, площадь под кривой PV, если вы идете справа налево, а не слева направо, для этой области необходимо вручную добавить отрицательный знак. к нему.Таким образом, область между кривыми на вашей фигуре на самом деле является отрицательной «работой» системы, так что это положительная «работа» над системой. (Часто лучше просто выяснить логически разумный знак, чем полагаться на формулы, чтобы сказать вам, хотя такие формулы действительно существуют.)

Итак, в результате процесс, который вы показали, оказывает негативное воздействие на окружающую среду, так что это не тепловая машина. Запустите его в обратном направлении, и вы получите тепловой двигатель, об «эффективности» которого можно говорить.Это также должно решить ваши проблемы с тем, почему обратимые процессы более эффективны — они имеют более негативную работу, выполняемую системой, а значит, большую позитивную работу, выполняемую системой в своей среде. Это также означает, что неравенства, которые вы написали, должны рассматривать dW как работу, выполняемую в системе, все они должны быть изменены в обратном направлении, если вы имеете в виду работу, выполняемую системой в ее окружении (это то, что вы хотите, если эффективность является вашей проблемой) . Или, если вы устанавливаете работу, выполняемую системой, как заданное значение и изменяете тепло, которое переходит от горячего к холодному для запуска этого двигателя, то количество тепла на меньше для обратимого процесса (это то, что более высокая эффективность означает), поэтому ваши неравенства будут верны только в том случае, если dQ будет считаться отрицательным (кстати, странная интерпретация его знака).Я бы проверил их еще раз, они кажутся странным способом говорить об эффективности.

температура — Почему второй закон термодинамики препятствует 100% эффективности?

Тот факт, что тепловой двигатель не может быть эффективен на 100%, является следствием утверждения Кельвина-Планка о втором законе, которое можно резюмировать как

Заявление о втором законе Кельвина-Планка «Ни одна тепловая машина не может работать в цикле , передавая тепло с помощью одного теплового резервуара» (я акцентировал внимание на цикле )

СЛЕДСТВИЕ к Kelvin-PLank : Ни один тепловой двигатель не может иметь более высокий КПД, чем цикл Карно, работающий между одними и теми же резервуарами.

Вы, вероятно, знаете, что в обратимом изотермическом расширении Карно тепло, выделяемое высокотемпературным резервуаром, равно работе, совершаемой при расширении. Этот процесс преобразует тепло для работы со 100% эффективностью. Но процесс не является циклом . Чтобы работать в цикле, система должна вернуться в исходное состояние. После обратимого изотермического расширения невозможно вернуться в исходное состояние и выполнить сетевую работу без отвода тепла в резервуар с более низкой температурой.

Вы можете, например, сразу проследить обратимое изотермическое расширение с обратимым изотермическим сжатием и вернуться в исходное состояние. Но отрицательная работа сжатия будет равна работе положительного расширения, если нет чистой работы, выполняемой «циклом».

Для получения чистой работы в цикле Карно необходимо следовать изотермическому расширению с обратимым адиабатическим расширением. Это снижает температуру системы до температуры резервуара с более низкой температурой.Затем обратимое изотермическое сжатие, за которым следует обратимое адиабатическое сжатие, возвращает систему и окружение в их исходное состояние, и чистая работа выполняется. Но эта работа равна теплу, поступающему в систему, за вычетом отбрасываемого тепла для эффективности менее 100%.

Все циклы теплового двигателя должны отводить некоторое количество тепла для эффективности менее 100%. Цикл Карно делает это наиболее эффективно.

Я понимаю это, я думаю, что у меня проблемы с представлением, так это то, как утверждение Δ𝑆≥0 эквивалентно утверждению планки Кельвина.

На самом деле мы можем показать, что единственный способ завершить цикл и получить $ \ Delta S_ {system} = 0 $ — это направить тепло в низкотемпературный резервуар. По определению, термодинамический цикл — это цикл, в котором все свойства системы (энтропия, внутренняя энергия, давление, температура и т. Д.) Возвращаются в исходное состояние.

Итак, давайте перенесем тепло из окружающей среды в систему посредством обратимого изотермического расширения идеального газа. Поскольку для идеального газа $ \ Delta U $ зависит только от температуры, из первого закона $ \ Delta U = 0 $ и $ W = Q $, и теоретически мы имеем полное преобразование тепла для работы со 100% -ным КПД для процесс.Однако во время изотермического расширения энтропия системы увеличилась на $ \ Delta S_ {sys} = + \ frac {Q_H} {T_H} $, где $ Q_H $ — теплопередача от высокотемпературного резервуара $ T_H $.

Чтобы завершить цикл, мы должны вернуть энтропию системы в исходное состояние, то есть мы должны избавиться от энтропии суммы $ \ frac {Q_H} {T_H} $. Теперь вот ключевой момент. Единственный способ передачи энтропии — теплопередача. Это означает, что для возврата системы в исходное состояние мы должны передать тепло $ Q_L $ в низкотемпературный резервуар.Когда мы это сделаем, чистая работа, выполненная в цикле, составит

$$ W_ {net} = Q_ {H} -Q_ {L} $$

КПД $ ζ $ любого цикла — это чистая проделанная работа, деленная на общее добавленное тепло, или

$$ ζ = \ frac {W_ {net}} {Q_H} = \ frac {Q_ {H} -Q_ {L}} {Q_H} $$

Следовательно, для любого цикла

$$ ζ <1 $$

Вышесказанное относится к любому циклу. То, является ли цикл обратимым или нет, определяет максимальную эффективность цикла. Максимальный КПД достигается при обратимом цикле.Для обратимого цикла и $ \ Delta S_ {sys} $, и $ \ Delta S_ {sur} $ равны нулю при $ \ Delta S_ {tot} = 0 $. Для необратимого цикла в системе генерируется дополнительная энтропия, которая должна передаваться в окружающую среду в виде дополнительного тепла, что приводит к $ \ Delta S_ {sur}> 0 $ и сокращает объем работы, который может быть выполнен с тем же тепловложением. .

Наконец, как указано в следствии к Кельвину-Планку, «ни один тепловой двигатель не может иметь более высокий КПД, чем цикл Карно, работающий между одними и теми же резервуарами», что означает, что цикл Карно является наиболее эффективным из всех обратимых циклов.

Я искал более точный математический результат, который показывает, что вы можете не экономить энергию и при этом соблюдать Δ𝑆≥0.

Вы можете экономить энергию и одновременно иметь $ \ Delta S_ {tot} $ ≥0. Бывает, когда цикл необратим.

Первый закон (сохранение энергии) и Второй закон являются полностью независимыми законами. Цикл, в котором процесс (или процессы) необратим, соответствует первому закону, но генерирует энтропию, которая должна передаваться окружающей среде в качестве дополнительного (к обратимому циклу) тепла.Это, в свою очередь, означает, что в необратимом цикле работает меньше поглощаемого тепла, чем в том же цикле, выполняемом обратимо. Поскольку энтропия (и все другие свойства) системы не изменяется в течение полного цикла, тепло, передаваемое в окружающую среду, приводит к $ \ Delta S> 0 $ для окружающей среды.

Надеюсь, это поможет.

Термодинамика

— Когда резервуар с низкой температурой $ T $ с отрицательной температурой (Кельвин), например в решетке Изинга, будет ли КПД идеального теплового двигателя больше единицы?

Да, КПД может быть больше единицы.(По крайней мере, в принципе может — в настоящее время я не знаю ни одной экспериментальной проверки этого.)

Один из способов определения температуры: $$ \ frac {1} {T} = \ frac {\ partial S} {\ partial U}. $$ Это означает, что если $ T $ отрицательно, энтропия увеличивается, когда вы забираете энергию из системы. Поэтому в принципе можно забрать тепло из системы с отрицательной температурой и преобразовать его прямо в работу, не нарушая второй закон. Но это необратимый процесс (он увеличивает энтропию), поэтому теоретически вы можете сделать даже лучше — вы можете взять энергию из примерно другого резервуара (при положительной температуре), чтобы компенсировать увеличение энтропии и в конечном итоге с обратимым процессом.

Если бы вы могли решить (возможно, серьезные) технические проблемы, связанные с этим, вы бы получили тепловой двигатель, который может забирать $ Q $ единиц тепла из резервуара с отрицательной температурой при $ T _- $, и берет $ -Q \ frac {T +} {T _-}> 0 $ единиц тепла из резервуара с положительной температурой и превращает все это в $ W \ left (1- \ frac {T _ +} {T_-} \ right) Q $ единиц работы. Поскольку $ W> Q $ в этом случае, мы можем сказать, что этот двигатель имеет КПД больше 1, не нарушая второй закон.

Кстати, обратите внимание, что $ T _- $ играет роль горячего резервуара в этом двигателе, а не холодного резервуара. Отрицательные температуры выше, чем положительные, что на самом деле является следствием приведенного выше определения.

В своем ответе Гацу совершенно справедливо упоминает споры о существовании отрицательных температур вообще. (Я очень сторонник тех, кто утверждает, что они это делают.) Если бы была экспериментальная демонстрация этого эффекта эффективности, превышающего единицу, то это было бы почти завершением этих дебатов, но, как я уже сказал, я думаю, что технические проблемы вовлеченные в это, вероятно, весьма экстремальны.

Задача расчета энергоэффективности

Эндрю Барбо, старший консультант EDF по чистой энергии, внес свой вклад в эту должность.

«Эффективность хорошая». Это мантра, известная истина, которую разделяют как руководители предприятий, так и защитники окружающей среды, которые устраняют отходы, чтобы увеличить прибыль и уменьшить загрязнение окружающей среды.

Когда дело доходит до электричества, эффективность тоже доказала свою эффективность. В то время как несколько десятилетий назад потребление энергии росло ежегодно более чем на 7 процентов, внедрение недорогих и эффективных лампочек, холодильников, а также интеллектуального отопления и охлаждения в последнее время привело к небольшому снижению энергопотребления, несмотря на экономический подъем и рост населения.

Эффективность может быть хорошей и эффективной, но ее трудно вычислить. Как доказать отрицательный результат? Практически каждый штат ломал голову над одними и теми же вопросами: как и почему не произошло использования электроэнергии. Государства, в которых действуют стандарты энергоэффективности — требования к местным коммунальным предприятиям, побуждающие потребителей сокращать потребление энергии из года в год, — хотят знать, являются ли инвестиции рентабельными. Иллинойс решает этот вопрос с помощью новых подходов к расчету энергоэффективности.

Ставить под сомнение влияние эффективности

На протяжении многих лет некоторые ставили под сомнение достоинства программ повышения энергоэффективности. Особой целью были программы по утеплению на федеральном уровне и уровне штата — инвестиции государственного сектора для изоляции домов с низким доходом с целью снижения затрат на отопление и охлаждение и повышения качества жизни людей, которые в них живут.

Программы также были разработаны для улучшения благосостояния жителей с низкими доходами и обеспечения рабочих мест в целевых сообществах.

В нескольких исследованиях ставился под вопрос, могут ли эти программы быть оправданы только на основе экономии затрат на электроэнергию, но этот запрос упускает из виду более широкую картину: программы также были разработаны для улучшения благосостояния жителей с низкими доходами и обеспечения рабочих мест в целевых сообществах.

Другие интересовались, можно ли измерить влияние стимулов на изменение эффективности. Кэтрин Вольфрам, директор группы экономики, анализа и политики Калифорнийского университета, Энергетического института Беркли в Школе бизнеса Хааса, надлежащим образом описывает, как измерение воздействия программ энергоэффективности требует «определения того, какие изменения энергопотребления могут быть связаны с программа, и что бы произошло в любом случае.”

Итак, важный вопрос для оценки программ повышения энергоэффективности заключается в следующем: существует ли система, позволяющая отделить прямые результаты (повышение энергоэффективности) от сокращений, которые произошли бы в любом случае?

К счастью, в большинстве штатов со зрелыми программами повышения энергоэффективности коммунальных предприятий уже некоторое время решается эта проблема. Комисии государственных коммунальных предприятий, которые регулируют коммунальные предприятия, обычно принимают следующие меры:

Нанимают сторонних оценщиков, чтобы определить, приносят ли программы коммунального обслуживания больше выгод, чем затрат (так называемый тест общей стоимости ресурсов),
Исследование сети — отношения к валовому для усилий по повышению эффективности, определяющие, сколько сбережений коммунальное предприятие может фактически потребовать в кредит в результате своих политических мер, и
Использовать рандомизированные контрольные испытания для сравнения поведения постоянных потребителей с теми, которые получают стимулы для экономии энергии .

И улучшения уже не за горами. Поскольку внедрение интеллектуальных счетчиков распространяется в штатах по всей стране, новые детализированные данные предоставляют коммунальным предприятиям и регулирующим органам возможность получить еще более точную оценку воздействия программ энергоэффективности. Например, наблюдение за получасовыми блоками энергопотребления на территории обслуживания коммунального предприятия может гарантировать регулирующим органам, что будет достигнута экономия.

Существует ли система, позволяющая отделить прямые результаты (повышение энергоэффективности) от сокращений, которые произошли бы в любом случае?

Чтобы вывести эффективность на новый уровень, важно, чтобы регулирующие органы и коммунальные предприятия были уверены в эффективности мер по повышению энергоэффективности.

Эффективность Иллинойса

Фонд защиты окружающей среды уже помог Иллинойсу стать значительно более энергоэффективным, но штат собирается пойти дальше.

Одним из ключевых элементов Закона о рабочих местах в сфере энергетики будущего, который вступил в силу в конце прошлого года, является смещение целей энергоэффективности к усовершенствованному подходу, называемому «кумулятивная постоянная экономия». Это гарантирует, что клиенты увидят преимущества экономии энергии не только на месяцы, но и на десятилетия.В частности, двухпартийное законодательство требует от ComEd, крупнейшего коммунального предприятия штата, добиться к 2030 году долгосрочного сокращения энергопотребления своими потребителями на 21,5%. Другими словами, даже если предыдущая экономия энергии коммунальным предприятием исчезнет, «совокупная постоянная экономия» гарантировать, что коммунальное предприятие будет соответствовать амбициозным долгосрочным целям эффективности. Коммунальное предприятие уже начало обновлять свои варианты энергосбережения в результате принятия Закона о рабочих местах в сфере энергетики в будущем.

[Твитнуть «Доказательство отрицания: проблема расчета энергоэффективности»]

Иллинойс также переходит на стимулируемую, основанную на производительности оценку программ повышения энергоэффективности; коммунальные предприятия потеряют доход — до 200 базисных пунктов, или до 2 процентов, — если подтвержденная экономия их программ не достигнет целевых показателей.И наоборот, это также дает бонус, когда компании превышают эти цели. Такой тарифный план, основанный на производительности, обеспечивает четкий финансовый стимул для коммунальных предприятий для эффективного выполнения своих программ повышения эффективности, а для регулирующих органов — для получения правильных данных.

Если мы хотим сократить потребление энергии — что приведет к значительному сокращению выбросов парниковых газов — нам нужно выйти за рамки прошлых дебатов и перейти к расчетам на основе данных, понимая причинно-следственные связи и мобилизуя стимулы. Внедряя смелые новые подходы, Иллинойс станет частью этих зарождающихся дебатов и анализа, помогая показать, что эффективность — это больше, чем «хорошо» и «эффективно» — она дает реальные, измеримые результаты.

Измерение эффективности в общем наборе производственных возможностей с учетом отрицательных данных

https://doi.org/10.1016/j.ejor.2019.10.027Получить права и контент
Основные моменты
•
Мы определяем общую производственную возможность установлен, чтобы учесть отрицательные данные.
•
Мы измеряем эффективность при наличии отрицательных данных.
•
Предлагаемая модель способна выявлять нереалистичные производственные процессы.
•
Предлагаемая модель наследует сильные и слабые стороны радиальной модели.
Реферат
Обычные модели анализа с охватом данных (DEA) для измерения эффективности разработаны для положительных данных. Однако трудности возникают, когда данные имеют отрицательные значения. Было предложено несколько моделей для расчета эффективности при наличии отрицательных данных. Хотя эффективность можно рассчитать с помощью этих моделей, большинство из них являются необъективными и не имеют основополагающих поддерживающих теорий.В этой статье предлагается обобщенная радиальная модель, определенная на более общем наборе производственных возможностей, которая требует, чтобы только совокупный ввод и совокупный выпуск были положительными. Модель может использоваться для выявления нереалистичных производственных процессов. Он работает в предположении как постоянной, так и переменной отдачи от масштаба. Таким образом, его можно использовать для измерения эффективности масштабирования в дополнение к обычной производственной эффективности. Эта модель также может быть расширена на сетевые системы, и обсуждается простейшее расширение двухступенчатой системы.Свойство традиционной двухступенчатой модели DEA, в которой эффективность системы является продуктом двухступенчатой эффективности, также удовлетворяется обобщенной радиальной моделью. Случай с двадцатью девятью цепочками поставок используется, чтобы продемонстрировать, как предложенная модель может быть применена для расчета эффективности для традиционной системы целого блока (черный ящик) и двухступенчатой системы.
Ключевые слова
Анализ охвата данных
Отрицательные данные
Набор производственных возможностей
Радиальная модель
Двухступенчатая система
Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)
Полный текст
© 2019 Elsevier B.V. Все права защищены.
Рекомендуемые статьи
Ссылки на статьи
Энергоэффективность может негативно повлиять на здоровье населения
Некоторые улучшения энергоэффективности могут стоить жизней из-за увеличения облучения радоном внутри помещений и, как следствие, риска развития рака легких.
Согласно статье в British Medical Journal, повышение энергоэффективности может снизить потребление энергии в доме и выбросы парниковых газов (что может принести много пользы для здоровья).Но улучшения, снижающие скорость воздухообмена, приводят к повышенному воздействию загрязнителей внутри помещений, включая радон.
После курения облучение радоном является наиболее важным фактором риска развития рака легких. В Соединенных Штатах он несет ответственность приблизительно за 15 000-20 000 смертей от рака легких каждый год. В Европе, по оценкам, 9% всех смертей от рака легких можно отнести на счет этого загрязнителя воздуха.
В своей статье «Энергоэффективность дома и риск рака легких, связанный с радоном: модельное исследование» , группа британских исследователей обсуждает сопутствующие последствия изменения способа обмена внутренним и наружным воздухом в домах.Они заявляют, что, хотя проект может быть «хорошим с точки зрения энергоэффективности, температуры в помещении зимой и защиты от внешних загрязнителей, он может увеличить концентрацию загрязняющих веществ, возникающих из источников внутри или под домом».
Сегодня около 1400 случаев рака легких в Соединенном Королевстве вызваны воздействием радона. Джеймс Милнер и его соавторы подсчитали, что проекты по энергоэффективности могут привести к увеличению средней концентрации радона внутри помещений на 56,6%.В результате увеличение воздействия на человека приведет к 278 преждевременным смертельным случаям (потеря 4700 лет жизни) каждый год в Соединенном Королевстве.
Эти риски можно компенсировать за счет внедрения «специальной вентиляции» — другими словами, за счет использования вентиляторов и другого оборудования для тщательного контроля воздухообмена внутри и снаружи помещения. Но использование этих технологий может устранить часть энергосбережения первоначального проекта повышения энергоэффективности.

Может ли кпд быть отрицательным

Может ли КПД быть больше единицы? Ответ обоснуйте.

может ли КПД механизма быть равным или больше 100%? ответ поясните.

может ли кпд быть равным 100% ? почему?

Может ли КПД быть 100%, а если нет, то где предел? Это и о КПД на «Ответах»…

Оптимизация повысительного насосного оборудования в системах водоснабжения

Как КПД может быть отрицательный???, Tania30 — Advego.com

принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated

Сравнение линейного и импульсного способов преобразования

Принцип работы импульсных преобразователей

Понижающий преобразователь

Повышающий преобразователь

Инвертирующий и обратноходовой преобразователи

Особенности преобразователей nanoPower

Заключение

Дополнительные материалы:

Наши информационные каналы

Определение КПД циклического процесса

Написать комментарий

Частотные преобразователи — структура, принцип работы

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Когда стартаперу можно уходить в отпуск?

Является ли отрицательная температура в цикле Карно контрпримером второго начала термодинамики?

термодинамика — Понимание эффективности — Physics Stack Exchange

температура — Почему второй закон термодинамики препятствует 100% эффективности?

Задача расчета энергоэффективности

Измерение эффективности в общем наборе производственных возможностей с учетом отрицательных данных

Основные моменты

Реферат

Ключевые слова

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Энергоэффективность может негативно повлиять на здоровье населения

Добавить комментарий Отменить ответ