КПД источника тока: формулы

В процессе перемещения зарядов внутри замкнутой цепи, источником тока совершается определенная работа. Она может быть полезной и полной. В первом случае источник тока перемещает заряды во внешней цепи, совершая при этом работу, а во втором случае – заряды перемещаются во всей цепи. В этом процессе большое значение имеет КПД источника тока, определяемого, как соотношение внешнего и полного сопротивления цепи. При равенстве внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления нагрузки, половина всей мощности будет потеряна в самом источнике, а другая половина выделится на нагрузке. В этом случае коэффициент полезного действия составит 0,5 или 50%.

Содержание

КПД электрической цепи

Рассматриваемый коэффициент полезного действия в первую очередь связан с физическими величинами, характеризующими скорость преобразования или передачи электроэнергии. Среди них на первом месте находится мощность, измеряемая в ваттах. Для ее определения существует несколько формул: P = U x I = U2/R = I2 x R.

В электрических цепях может быть различное значение напряжения и величина заряда, соответственно и выполняемая работа тоже отличается в каждом случае. Очень часто возникает необходимость оценить, с какой скоростью передается или преобразуется электроэнергия. Эта скорость представляет собой электрическую мощность, соответствующую выполненной работе за определенную единицу времени. В виде формулы данный параметр будет выглядеть следующим образом: P=A/∆t. Следовательно, работа отображается как произведение мощности и времени: A=P∙∆t. В качестве единицы измерения работы используется джоуль (Дж).

Для того чтобы определить, насколько эффективно какое-либо устройство, машина электрическая цепь или другая аналогичная система, в отношении мощности и работы используется КПД – коэффициент полезного действия. Данная величина определяется как отношение полезно израсходованной энергии, к общему количеству энергии, поступившей в систему. Обозначается КПД символом η, а математически определяется в виде формулы: η = A/Q x 100% = [Дж]/[Дж] х 100% = [%], в которой А – работа выполненная потребителем, Q – энергия, отданная источником. В соответствии с законом сохранения энергии, значение КПД всегда равно или ниже единицы. Это означает, что полезная работа не может превышать количество энергии, затраченной на ее совершение.

Таким образом, определяются потери мощности в какой-либо системе или устройстве, а также степень их полезности. Например, в проводниках потери мощности образуются, когда электрический ток частично превращается в тепловую энергию. Количество этих потерь зависит от сопротивления проводника, они не являются составной частью полезной работы.

Существует разница, выраженная формулой ∆Q=A-Q, наглядно отображающей потери мощности. Здесь очень хорошо просматривается зависимость между ростом потерь мощности и сопротивлением проводника. Наиболее ярким примером служит лампа накаливания, КПД у которой не превышает 15%. Остальные 85% мощности превращаются в тепловое, то есть в инфракрасное излучение.

Что такое КПД источника тока

Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.

В виде формул они отображаются следующим образом:

• Полезная работа — Аполез = qU = IUt = I2Rt.
• Полная работа – Аполн = qε = Iεt = I2(R +r)t.

На основании этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:

• Полезная мощность – Рполез = Аполез /t = IU = I2R.
• Полная мощность – Рполн = Аполн/t = Iε = I2(R + r).

В результате, формула КПД источника тока приобретает следующий вид:

• η = Аполез/ Аполн = Рполез/ Рполн = U/ε = R/(R + r).

Максимальная полезная мощность достигается при определенном значении сопротивления внешней цепи, в зависимости от характеристик источника тока и нагрузки. Однако, следует обратить внимание на несовместимость максимальной полезной мощности и максимального коэффициента полезного действия.

Исследование мощности и КПД источника тока

Коэффициент полезного действия источника тока зависит от многих факторов, которые следует рассматривать в определенной последовательности.

Для определения величины тока в электрической цепи, в соответствии с законом Ома, существует следующее уравнение: i = E/(R + r), в котором Е является электродвижущей силой источника тока, а r – его внутренним сопротивлением. Это постоянные величины, которые не зависят от переменного сопротивления R. С их помощью можно определить полезную мощность, потребляемую электрической цепью:

• W1 = i x U = i2 x R. Здесь R является сопротивлением потребителя электроэнергии, i – ток в цепи, определяемый предыдущим уравнением.

Таким образом, значение мощности с использованием конечных переменных будет отображаться в следующем виде: W1 = (E2 x R)/(R + r).

Поскольку сила тока представляет собой промежуточную переменную, то в этом случае функция W1(R) может быть проанализирована на экстремум. С этой целью нужно определить значение R, при котором величина первой производной полезной мощности, связанная с переменным сопротивлением (R) будет равной нулю: dW1/dR = E2 x [(R + r)2 – 2 x R x (R + r)] = E2 x (Ri + r) x (R + r – 2 x R) = E2(r – R) = 0 (R + r)4 (R + r)4 (R + r)3

Из данной формулы можно сделать вывод, что значение производной может быть нулевым лишь при одном условии: сопротивление приемника электроэнергии (R) от источника тока должно достичь величины внутреннего сопротивления самого источника (R => r). В этих условиях значение коэффициента полезного действия η будет определяться как соотношение полезной и полной мощности источника тока – W1/W2. Поскольку в максимальной точке полезной мощности сопротивление потребителя энергии источника тока будет таким же, как и внутреннее сопротивление самого источника тока, в этом случае КПД составит 0,5 или 50%.

Задачи на мощность тока и КПД

определение и расшифровка, полезная работа, формула КПД и применение в физике

Физика — это наука, которая изучает процессы, происходящие в природе. Наука эта очень интересная и любопытная, ведь каждому из нас хочется удовлетворить себя ментально, получив знания и понимание того, как и что в нашем мире устроено. Физика, законы которой выводились не одно столетие и не одним десятком ученных, помогает нам с этой задачей, и мы должны только радоваться и поглощать предоставленные знания.

Но в то же время физика — наука далеко непростая, как, собственно, и сама природа, но разобраться в ней было бы очень интересно. Сегодня мы будем говорить о коэффициенте полезного действия. Мы узнаем, что такое КПД и зачем он нужен. Рассмотрим все наглядно и интересно.

Содержание:

• Определение и расшифровка КПД
• Полезная работа
• Физическая формула КПД
• Применение в разных сферах физики
• Видео

Определение и расшифровка КПД

Расшифровка аббревиатуры — коэффициент полезного действия. Однако и такое толкование с первого раза может оказаться не особо понятным. Этим коэффициентом характеризуется эффективность системы или какого-либо отдельного тела, а чаще — механизма. Эффективность характеризуется отдачей или преобразованием энергии.

Этот коэффициент применим практически ко всему, что нас окружает, и даже к нам самим, причём в большей степени. Ведь совершаем мы полезную работу все время, только вот как часто и насколько это важно, уже другой вопрос, с ним и используется термин «КПД».

Важно учесть, что этот коэффициент — величина неограниченная, она, как правило, представляет собой либо математические значения, к примеру, 0 и 1, либо же, как это чаще бывает — в процентах.

В физике этот коэффициент обозначается буквой Ƞ, или, как её привыкли называть, Эта.

Полезная работа

При использовании каких-либо механизмов или устройств мы обязательно совершаем работу. Она, как правило, всегда больше той, что необходима нам для выполнения поставленной задачи. Исходя из этих фактов различается два типа работы: это затраченная, которая обозначается большой буквой, А с маленькой з (Аз), и полезная — А с буквой п (Ап). Для примера, возьмем такой случай: у нас есть задача поднять булыжник определенной массой на определенную высоту. В этом случае работа характеризует только преодоление силы тяжести, которая, в свою очередь, действует на груз.

В случае когда для подъема применяется какое-либо устройство, кроме силы тяжести булыжника, важно учесть еще и силу тяжести частей этого устройства. И кроме всего этого, важно помнить, что, выигрывая в силе, мы всегда будем проигрывать в пути. Все эти факты приводят к одному выводу, что затрачиваемая работа в любом варианте окажется больше полезной, Аз > Ап, вопрос как раз заключается в том, насколько её больше, ведь можно максимально сократить эту разницу и тем самым увеличить КПД, наш или нашего устройства.

Полезная работа — это часть затрачиваемой, которую мы совершаем, используя механизм. А КПД — это как раз та физическая величина, которая показывает, какую часть составляет полезная работа от всей затраченной.

Итог:

• Затрачиваемая работа Aз всегда больше полезной Ап.
• Чем больше отношение полезной к затрачиваемой, тем выше коэффициент, и наоборот.
• Ап находится произведением массы на ускорение свободного падения и на высоту подъема.

Физическая формула КПД

Существует определенная формула для нахождения КПД. Она звучит следующим образом: чтобы найти КПД в физике, нужно количество энергии разделить на проделанную системой работу. То есть КПД — это отношение затраченной энергии к выполненной работе. Отсюда можно сделать простой вывод, что тем лучше и эффективнее система или тело, чем меньше энергии затрачивается на выполнение работы.

Сама формула выглядит кратко и очень просто Ƞ будет равняться A/Q. То есть Ƞ = A/Q. В этой краткой формулы и фиксируют нужные нам элементы для вычисления. То есть A в этом случае является использованной энергией, которая потребляется системой во время работы, а большая буква Q, в свою очередь, будет являться затраченной A, или опять же затраченной энергией.

В идеале КПД равен единице. Но, как это обычно бывает, он её меньше. Так происходит по причине физики и по причине, конечно же, закона о сохранении энергии.

Все дело в том, что закон сохранения энергии предполагает, что не может быть получено больше А, чем получено энергии. И даже единице этот коэффициент будет равняться крайне редко, поскольку энергия тратится всегда. И работа сопровождается потерями: к примеру, у двигателя потеря заключается в его обильном нагреве.

Итак, формула КПД:

Ƞ=А/Q, где

• A — полезная работа, которую выполняет система.
• Q — энергия, которую потребляет система.

Применение в разных сферах физики

Примечательно, что КПД не существует как понятие нейтральное, для каждого процесса есть свой КПД, это не сила трения, он не может существовать сам по себе.

Рассмотрим несколько из примеров процессов с наличием КПД.

К примеру, возьмем электрический двигатель. Задача электрического двигателя — преобразовывать электрическую энергию в механическую. В этом случае коэффициентом будет являться эффективность двигателя в отношении преобразования электроэнергии в энергию механическую. Для этого случая также существует формула, и выглядит она следующим образом: Ƞ=P2/P1. Здесь P1 — это мощность в общем варианте, а P2 — полезная мощность, которую вырабатывает сам двигатель.

Нетрудно догадаться что структура формулы коэффициента всегда сохраняется, меняются в ней лишь данные, которые нужно подставить. Они зависят от конкретного случая, если это двигатель, как в случае выше, то необходимо оперировать затрачиваемой мощностью, если работа, то исходная формула будет другая.

Теперь мы знаем определение КПД и имеем представление об этом физическом понятии, а также об отдельных его элементах и нюансах. Физика — это одна из самых масштабных наук, но её можно разобрать на маленькие кусочки, чтобы понять. Сегодня мы исследовали один из этих кусочков.

Видео

Это видео поможет вам понять, что такое КПД.

Расчет эффективности оператора и эффективности линии

by Prasanta Sarkar
— 19 января 2017 г.

Формула эффективности используется для измерения эффективности серийного производства и производительности рабочих.

Эффективность представляет собой объем работы, выходящий из операции, разделенный на объем работы, вложенный в ту же операцию, и выраженный в процентах. Общая формула расчета КПД:

(Выход работы/затраты работы) X 100

Если вы считаете ввод и вывод работы в «минутах», формула эффективности будет выглядеть так: отношение общего количества произведенных стандартных минут к общему количеству минут, затраченных на работу.

Я работаю в сфере производства одежды. На фабрике по производству одежды мы ежедневно рассчитываем эффективность линии, чтобы проверить и измерить ее производительность. Для расчета эффективности используем следующую формулу.

Эффективность % = (Общее количество произведенных минут X 100) / (Общее количество отработанных часов X 60)

В приведенной выше формуле 60 умножается для перевода часов в минуты, а 100 умножается для выражения в процентах.

Во второй формуле вместо расчета минут мы рассматриваем произведенную одежду как выход, а производственные цели за заданные часы как вход. Производственная цель рассчитывается на основе SAM для одежды. Приведенная ниже формула используется для расчета производственного задания.

Целевой объем производства в час (при эффективности 100) = (60/Операция SAM)

Читайте также: Как рассчитать почасовой целевой объем производства?

В секторе производства одежды данные об эффективности производства рассчитываются во многих формах. Например, эффективность отдельных сотрудников в течение дня, индивидуальная эффективность в час, эффективность линии и эффективность завода.

Во всех случаях формула расчета эффективности остается неизменной. Общее количество произведенных минут и общее количество отработанных минут необходимо рассчитать на основе того, где используется формула.

Расчет индивидуальной эффективности оператора

Найдем КПД оператора швейной машины.

Оператор станка работает 8 часов и на данной работе он изготовил 400 предметов одежды. Стандартное время работы 30 секунд. Обратите внимание, что для расчета произведенных минут необходимо знать стандартную минуту задания (операции).

Он произвел минуты (400 х 30)/60 = 200 минут. Он проработал 480 минут.

Значит, его КПД равен (200/480)*100 = 41,67 %

Рассчитать эффективность линии

Метод расчета эффективности линии объясняется в предыдущем посте.

Источник: www.accountingtools.com, www.softschools.com

Расчет и повышение эффективности машины

16 декабря 2021

Эффективность машины — важнейший аспект современного производства. Это снижает эксплуатационные расходы, повышает производительность и снижает воздействие на окружающую среду.

Неэффективные машины приводят к низкой окупаемости инвестиций — этого любой бизнес должен стараться избегать. Если вы занимаетесь техническим обслуживанием или руководителем завода, нам не нужно рассказывать вам, насколько дорогим может быть производственное оборудование и почему эффективность не может быть просто сноской в ​​вашей повседневной работе.

Ниже приведены несколько подходов, которые можно использовать для измерения и расчета эффективности машины.

Основная концепция эффективности

Эффективность в производстве — это способность производить что-то без траты времени, материалов или энергии.

На самом деле стопроцентная эффективность недостижима — всегда будут какие-то траты. Тем не менее, это по-прежнему идеал, к которому производители пытаются приблизиться с помощью таких принципов, как бережливое производство, «точно в срок» и непрерывное совершенствование (Кайдзен).

Физика — отличная отправная точка для понимания концепции эффективности. Он определяет базовую формулу эффективности, которая выглядит следующим образом:

Когда вы делите результат процесса на вход и выражаете результат в процентах, вы получаете рейтинг эффективности для этого конкретного процесса.

Верхний потолок эффективности составляет 100 % — он не может превышать этот предел. Любой процесс, производственный или иной, с рейтингом эффективности 100% может рассматриваться как 9.0047 идеальный процесс.

Способы расчета эффективности машины

Производственный процесс включает множество факторов. Используя базовую формулу, вы можете исследовать эффективность машины с разных точек зрения, в зависимости от рассматриваемых входных данных. Это дает нам несколько различных способов измерения эффективности машины.

Следует отметить три подхода: 

• Производство энергии
• Потребление энергии
• Производительность

Производство энергии

Термин «производство энергии» является неправильным, поскольку энергия не может быть ни произведена, ни уничтожена в соответствии с законом сохранения энергии. Здесь производство энергии относится к преобразованию доступной энергии в более «полезную» форму энергии.

Отличным примером может служить солнечная панель, преобразующая световую энергию в электрическую, или генератор, преобразующий механическую/химическую энергию в электрическую.

Формула для расчета эффективности производства энергии будет иметь тот же формат, что и базовая формула эффективности:

Эффективность = полезная энергия/доступная энергия x 100

Возьмем в качестве примера дизельный генератор. Если один галлон дизельного топлива содержит 40 000 кВтч энергии, а генератор преобразует его в 10 000 кВтч электроэнергии, КПД можно рассчитать следующим образом:

Эффективность = (10 000/40 000) x 100 = 25%

Потребление энергии

Учитывая высокую стоимость потребляемой энергии и воздействие ископаемых видов топлива на окружающую среду, в последние десятилетия все большее значение приобретает эффективность энергопотребления. Согласно исследованиям Министерства энергетики США, затраты на энергию (электроэнергию) составляют колоссальные 96% от общей стоимости жизненного цикла двигателя.

А в производстве машины с двигателями потребляют почти половину электроэнергии. Таким образом, любые изменения в эффективности промышленного энергопотребления окажут огромное влияние на электрические сети и окружающую среду в целом.

Мы можем использовать ту же базовую формулу эффективности, которую использовали до сих пор.

Рассмотрим пример электроинструмента, который потребляет 500 кВт/ч электроэнергии и выдает кинетическую энергию в размере 320 кВт/ч. Его эффективность можно рассчитать как:

Эффективность = (320/500) x 100 = 64%

Эффективность производства (производительность против эффективности)

Существует значительная разница между «производительностью» и «эффективностью» в производстве. Производительность фокусируется на увеличении количества произведенных товаров. Часто это может происходить за счет эффективности.

Распространенным примером является увеличение доли бракованных изделий. Фирмы, которые наращивают производство сверх оптимального предела, часто сталкиваются с этой проблемой из-за таких факторов, как материалы более низкого качества, усталость оператора и т. д. Хотя фактическое количество созданных юнитов увеличилось, эффективность снизилась .

Эффективность производства, напротив, фокусируется не столько на количестве, сколько на качестве. Он хочет производить больше единиц за счет сокращения количества дефектов и отходов. При правильном выполнении повышение эффективности производства повысит производительность.

Простым способом расчета эффективности производства является сопоставление фактической производительности со стандартной/максимальной производительностью, возможной на машине.

Рассмотрим пример печатной машины, которая обеспечивает фактическую производительность 650 единиц в час, а не максимальную скорость 900 единиц в час. Используя формулу эффективности, мы получаем следующие результаты:

Эффективность = (650/900) x 100 = 72,22%  

OEE: золотой стандарт эффективности производства. Это стандартная отраслевая метрика и широко признанный ключевой показатель эффективности (KPI), применимый в самых разных отраслях.

Этот показатель популярен благодаря своей комплексной направленности. В нем рассматриваются три ключевых аспекта оборудования на производственной линии:

1. Доступность
2. Производительность
3. Качество

Расчет доступности

Все активы имеют запланированное рабочее время X часов в неделю/месяц. Доступность отображает фактическое время работы машины в процентах от запланированного рабочего времени.

Формула для расчета доступности:

Доступность очень редко достигает 100%, так как простои могут возникать из-за самых разных факторов. Отказ оборудования, регулировки, ремонт, незапланированное техническое обслуживание и другие факторы способствуют снижению эксплуатационной готовности.

Расчет производительности

Производительность отображает фактическое количество изделий, произведенных машиной, в процентах от максимального количества изделий, которое она могла бы произвести на максимальной скорости за фактическое время работы на полу.

Основная формула производительности:

Незначительные остановки в процессе производства могут повлиять на производительность. Дефекты оборудования и неподготовленные операторы могут снизить скорость производства, что приведет к снижению производительности.

Расчет качества

Качество показывает процент «хороших» продуктов по сравнению с бракованными в любой партии. Дефектные продукты приводят к отходам, так как они должны быть либо утилизированы, либо переработаны.

Формула для расчета качества довольно проста:

На качество могут влиять многие факторы, как прямые, так и косвенные. Дефекты в производственном процессе могут привести к снижению качества или браку продукции. Ошибки оператора, некачественное сырье и неисправности оборудования также могут снизить процент качества продукции.

Как рассчитать OEE

Если у вас есть показатели доступности (A), производительности (P) и качества (Q) для машины/завода, расчет OEE становится относительно простым процессом.

Основная формула для OEE:

Оценка OEE, равная 100%, считается «безупречным производством». Он имеет три основные характеристики: 

1. Машина не производит дефектных деталей
2. Станок производит детали без остановок (в течение запланированного времени работы)
3. Машина работает на максимальной скорости

Чтобы дать вам некоторое представление, среднее производственное оборудование имеет показатель OEE около 60%.

Более подробную версию и примеры этих расчетов OEE см. в нашем полном руководстве по общей эффективности оборудования.

Как внедрить и использовать OEE на вашем предприятии

Как уже объяснялось, формула OEE довольно проста. Менеджеры, стремящиеся рассчитать OEE, должны собирать данные о доступности, производительности и качестве.

Следующие шаги могут повысить шансы на успешное внедрение OEE: 

1. Выберите пилотную версию: Начните с простого, с машины, которую относительно легко проверить. Выбирайте энергичных операторов, которые настроены позитивно и готовы к обратной связи. Назначьте компетентного специалиста по техническому обслуживанию проекта в качестве контактного лица. Доверьте руководство линейному руководителю/менеджеру отдела с четким контролем производственного процесса.
2. Определить параметры OEE: Установить ограничения на данные, которые необходимо собрать. Выберите категорию времени для измерений, отслеживаемые продукты, максимальную скорость машины и т. д.
3. Организация сбора данных: Выберите наилучший способ для оператора легко собрать соответствующие данные, определенные на шаге 2. Формы и процедуры должны быть максимально короткими и простыми для максимальной эффективности и точности.
4. Обучение персонала: Объясните основы OEE и преимущества всем участникам пилотной группы. При необходимости проведите дополнительное обучение сбору данных и отчетности.
5. Сбор данных: Избегайте ошибки, не доверяя эту задачу операторам. Они лучше всего подходят для отслеживания показателей, необходимых для расчета OEE. Если это возможно, вы можете предоставить супервайзеру опыт OEE, чтобы повысить точность и избежать ошибок.
6.   Обработка данных: Поручите руководителю группы просмотреть и обработать данные, как только они станут доступны, желательно до следующего раунда сбора данных. Создавайте удобочитаемые диаграммы и отчеты для удобного обмена данными об измерениях OEE.
7. Предоставление отзывов операторам: Делитесь результатами OEE с операторами, чтобы помочь им получить представление об областях, требующих улучшения. Оперативная коммуникация имеет важное значение, так как отзывы могут быть включены в производство до следующего раунда сбора данных OEE.
8. Привлеките руководство: Результаты OEE могут выявить слабые места, требующие вмешательства высокого уровня в производственный процесс. Только руководство способно решить некоторые из этих проблем. Сообщайте обо всех результатах OEE высшему руководству для успешного внедрения.

Чтобы добиться максимального успеха, OEE должна быть согласованным усилием с участием всех — операторов, менеджеров среднего звена и руководителей высшего звена.

Борьба с неэффективностью машин

Неэффективность оборудования — главная головная боль производителей. Хуже всего то, что многие организации даже не до конца осознают потери, которые они несут из-за низкой эффективности.

Простои оборудования являются одной из основных причин, препятствующих производственному процессу. Своевременное упреждающее техническое обслуживание может быть использовано для минимизации риска незапланированных простоев.

Если вам нужна помощь в отслеживании и организации работ по техническому обслуживанию на заводе, вам поможет Limble CMMS.