ΜΕΓΙΣΤΗ ΘΕΩΡΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Κάντε κλικ ή επιλέξτε τα παρακάτω κυκλώματα Παράδειγμα για να καλέσετε το TINACloud και επιλέξτε τη λειτουργία Interactive DC to Analyze them Online.
Πάρτε μια χαμηλού κόστους πρόσβαση στο TINACloud για να επεξεργαστείτε τα παραδείγματα ή να δημιουργήσετε τα δικά σας κυκλώματα

Μερικές φορές στη μηχανική μας ζητείται να σχεδιάσουμε ένα κύκλωμα που θα μεταφέρει τη μέγιστη ισχύ σε ένα φορτίο από μια δεδομένη πηγή. Σύμφωνα με το θεώρημα της μέγιστης μεταφοράς ισχύος, ένα φορτίο θα λάβει τη μέγιστη ισχύ από μια πηγή όταν η αντίστασή του (R_L) είναι ίση με την εσωτερική αντίσταση (R_I) της πηγής. Εάν το κύκλωμα πηγής έχει ήδη τη μορφή κυκλώματος ισοδύναμου Thevenin ή Norton (πηγή τάσης ή ρεύματος με εσωτερική αντίσταση), τότε η λύση είναι απλή. Εάν το κύκλωμα δεν έχει τη μορφή κυκλώματος ισοδύναμου Thevenin ή Norton, πρέπει πρώτα να το χρησιμοποιήσουμε Thevenin's or Θεώρημα του Norton για να αποκτήσετε το ισοδύναμο κύκλωμα.

Δείτε πώς μπορείτε να ρυθμίσετε τη μέγιστη μεταφορά ισχύος.

1. Βρείτε την εσωτερική αντίσταση, R_I. Αυτή είναι η αντίσταση που βρίσκει κανείς κοιτάζοντας πίσω στους δύο ακροδέκτες φόρτωσης της πηγής χωρίς σύνδεση φορτίου. Όπως έχουμε δείξει στο Θεώρημα Thevenin και Θεώρημα του Norton κεφάλαια, η πιο εύκολη μέθοδος είναι να αντικαταστήσετε τις πηγές τάσης με βραχυκύκλωμα και πηγές ρεύματος με ανοικτά κυκλώματα και, στη συνέχεια, να βρείτε την συνολική αντίσταση μεταξύ των δύο ακροδεκτών φορτίου.

2. Βρείτε την τάση ανοικτού κυκλώματος (U_T) ή το ρεύμα βραχυκυκλώματος (I_N) της πηγής μεταξύ των δύο ακροδεκτών φορτίου χωρίς σύνδεση φορτίου.

Μόλις βρούμε το R_I, γνωρίζουμε τη βέλτιστη αντίσταση φορτίου
(R_Lopt = R_I). Τέλος, μπορεί να βρεθεί η μέγιστη ισχύς

Εκτός από τη μέγιστη ισχύ, ίσως να θέλουμε να μάθουμε μια άλλη σημαντική ποσότητα: το αποδοτικότητα. Η απόδοση ορίζεται από την αναλογία της ισχύος που λαμβάνεται από το φορτίο προς τη συνολική ισχύ που παρέχεται από την πηγή. Για το ισοδύναμο Thevenin:

και για το ισοδύναμο Norton:

Χρησιμοποιώντας τον Διερμηνέα της TINA, είναι εύκολο να σχεδιάσετε P, P / P_max, να h ως συνάρτηση του R_L. Το επόμενο γράφημα δείχνει P / Pmax, η τροφοδοσία είναι ενεργοποιημένη R_L διαιρούμενο με τη μέγιστη ισχύ, P_max, ως συνάρτηση του R_L (για κύκλωμα με εσωτερική αντίσταση R_I= 50).

Τώρα ας δούμε την αποτελεσματικότητα h ως συνάρτηση του R_L.

Το κύκλωμα και το πρόγραμμα διερμηνείας TINA για τη σχεδίαση των παραπάνω διαγραμμάτων παρουσιάζονται παρακάτω. Σημειώστε ότι χρησιμοποιήσαμε επίσης τα εργαλεία επεξεργασίας του παραθύρου διαγράμματος της ΤΙΝΑ για να προσθέσουμε κάποιο κείμενο και τη διακεκομμένη γραμμή.

Τώρα ας διερευνήσουμε την αποτελεσματικότητα (h) για την περίπτωση μέγιστης μεταφοράς ισχύος, όπου R_L = R_Θ.

Η αποτελεσματικότητα είναι:

που όταν δίνεται ως ποσοστό είναι μόνο 50%. Αυτό είναι αποδεκτό για ορισμένες εφαρμογές σε ηλεκτρονικά και τηλεπικοινωνίες, όπως ενισχυτές, ραδιοφωνικούς δέκτες ή πομπούς. Ωστόσο, η αποδοτικότητα 50% δεν είναι αποδεκτή για μπαταρίες, τροφοδοτικά και σίγουρα όχι για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Μια άλλη ανεπιθύμητη συνέπεια της ρύθμισης ενός φορτίου για επίτευξη μέγιστης μεταφοράς ισχύος είναι η πτώση τάσης 50% στην εσωτερική αντίσταση. Η πτώση της τάσης πηγής κατά 50% μπορεί να είναι πραγματικό πρόβλημα. Αυτό που χρειάζεται, στην πραγματικότητα, είναι μια σχεδόν σταθερή τάση φορτίου Αυτό απαιτεί συστήματα όπου η εσωτερική αντίσταση της πηγής είναι πολύ χαμηλότερη από την αντίσταση φορτίου. Φανταστείτε ότι ένας σταθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος 10 GW λειτουργεί ή πλησιάζει στη μέγιστη μεταφορά ισχύος. Αυτό θα σήμαινε ότι το ήμισυ της ενέργειας που παράγεται από το εργοστάσιο θα διασκορπίζεται στις γραμμές μεταφοράς και στις γεννήτριες (που πιθανώς θα εξαντληθούν). Θα οδηγούσε επίσης σε τάσεις φορτίου που θα κυμαίνονται τυχαία μεταξύ 100% και 200% της ονομαστικής τιμής καθώς η κατανάλωση κατανάλωσης κυμαινόταν.

Για να απεικονίσουμε την εφαρμογή του θεωρήματος μέγιστης μεταφοράς ισχύος, ας βρούμε τη βέλτιστη τιμή της αντίστασης R_L για να λάβετε τη μέγιστη ισχύ στο παρακάτω κύκλωμα.

Παίρνουμε τη μέγιστη ισχύ εάν R_L= R₁, έτσι R_L = 1 kohm. Η μέγιστη ισχύς:

Ένα παρόμοιο πρόβλημα, αλλά με πηγή ρεύματος:

Βρείτε τη μέγιστη ισχύ της αντίστασης R_L .

Παίρνουμε τη μέγιστη ισχύ εάν R_L = R₁ = 8 ohm. Η μέγιστη ισχύς:

Το παρακάτω πρόβλημα είναι πιο περίπλοκο, οπότε πρώτα πρέπει να το μειώσουμε σε ένα απλούστερο κύκλωμα.

Βρείτε R_I για να επιτύχετε τη μέγιστη μεταφορά ισχύος και να υπολογίσετε αυτήν τη μέγιστη ισχύ.

Τελικά η μέγιστη ισχύς:

Μπορούμε επίσης να λύσουμε αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας ένα από τα πιο ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά της TINA, το Απόδοσης λειτουργία ανάλυσης.

Για να ρυθμίσετε μια Βελτιστοποίηση, χρησιμοποιήστε το μενού Ανάλυση ή τα εικονίδια στην επάνω δεξιά γωνία της οθόνης και επιλέξτε Στόχος βελτιστοποίησης. Κάντε κλικ στον μετρητή ισχύος για να ανοίξετε το παράθυρο διαλόγου και επιλέξτε Μέγιστο. Στη συνέχεια, επιλέξτε Αντικείμενο ελέγχου, κάντε κλικ στο R_I, και ορίστε τα όρια εντός των οποίων θα πρέπει να αναζητηθεί η βέλτιστη τιμή.

Για να πραγματοποιήσετε τη βελτιστοποίηση σε TINA v6 και άνω, απλώς χρησιμοποιήστε την εντολή Ανάλυση / Βελτιστοποίηση / Βελτιστοποίηση DC από το μενού Ανάλυση.

Σε παλαιότερες εκδόσεις του TINA, μπορείτε να ρυθμίσετε αυτήν τη λειτουργία από το μενού, Ανάλυση / Λειτουργία / Βελτιστοποίηση, και στη συνέχεια εκτελέστε μια ανάλυση DC.

Αφού εκτελέσετε τη βελτιστοποίηση για το παραπάνω πρόβλημα, εμφανίζεται η ακόλουθη οθόνη:

Μετά τη Βελτιστοποίηση, η τιμή του RI ενημερώνεται αυτόματα στην τιμή που βρέθηκε. Εάν στη συνέχεια εκτελέσουμε μια διαδραστική ανάλυση DC πατώντας το κουμπί DC, εμφανίζεται η μέγιστη ισχύς όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.