معدل الطاقة
في الهندسة الكهربائية , الهندسة الميكانيكية و الأنظمة الأخرى , معدل الطاقة لمعدة ما يعرف على أنه أعلى طاقة دخل مسموح بها للتدفق خلال معدة معينة . وبالنسبة إلى نظام خاص , فإن كلمة "الطاقة" يمكن أن تشير إلى الطاقة الكهربائية أو الميكانيكية . ومعدل الطاقة يمكن أن يشمل أيضا الطاقة المتوسطة والقصوى , والتى من الممكن أن تتغير بناء على نوع المعدة أو تطبيقاتها .
يتم وضع حدود معدل الطاقة عادة بواسطة الشركات المصنعة , لحماية المعدة وتبسيط التصميم للأنظمة الكبيرة , عن طريق توفير مستوى تشغيل يمكن للمعدة العمل تحته بدون أن تتضرر حيث يقدم مقدار كبير من الأمان .
فى المعدة التى تقوم بتبديد الطاقة الكهربائية أو تحويلها إلى طاقة ميكانيكية , مثل المقاوم الكهربائي و مكبر الصوت , يكون معدل الطاقة عادة هو أقصى طاقة يمكن أن تبدد بأمان بواسطة المعدة . والسبب الأساسي لهذا الحد هو الحرارة , على الرغم من أنه في الأجهزة الكهروميكانيكية , وخصوصا مكبرات الصوت , فإنه يستخدم لمنع الأضرار الميكانيكية .عندما تكون الحرارة معامل محدد , فإنه يمكن حساب معدل الطاقة بسهولة . أولا , كمية الحرارة التى يمكن فقدها بأمان بواسطة الجهاز (formula_1) يجب أن يتم حسابها . وهذا يتعلق بأقصى درجة حرارة تشغيل أمنة , درجة الحرارة المحيطة أو درجة الحرارة التى يعمل عندها الجهاز و طريقة التبريد . إذا كانت (formula_2)هي أقصى درجة حرارة تشغيل أمنة للجهاز , ( formula_3) هي درجة الحرارة المحيطة و (formula_4) هي المقاومة الحرارية الكلية بين الجهاز و المحيط الخارجي , فإن أقصى تبديد (فقد) طاقة يتم حسابه كالتالي :
formula_5
إذا تم تبديد كل الطاقة بالجهاز كحرارة , فإن ذلك يطلق عليه معدل الطاقة .
بالنسبة للمحركات (الكهربية , الهيدروليكية أو أنواع أخرى ) , يعرف معدل الطاقة لهم على أنه طاقة خرجهم وليس طاقة دخلهم خلال المعدة .
هذا التعريف يميل إلى التعريف العام المشار إليه أعلاه، وأفضل من حيث ارتفاع كفاءة المعدات .
بإتباع الحسابات السابقة , إذا تم تحويل معظم الطاقة إلى طاقة ميكانيكية، فإننا بحاجة إلى معرفة الكفاءة الميكانيكية (formula_6) . وبالتالي فإن معدل الطاقة يعطى بالعلاقة :
formula_7
ملاحظة : هذه هي الطاقة الحقيقية أو الفعالة التى تم تبديدها بواسطة الجهاز .
فى الأجهزة التى تقوم بتحويل أنواع مختلفة من الطاقة الكهربائية , مثل المحولات أو التى تقوم بنقل الطاقة من مكان لأخر , مثل خطوط النقل , فإن معدل الطاقة غالبا يشير إلى أقصى طاقة متدفقة خلال الجهاز , وليس الطاقة المبددة خلاله . السبب الأساسي لهذا الحد هو الحرارة , ويتم حساب تبديد الحرارة القصوى كما هو مذكور أعلاه .
يتم إعطاء معدل الطاقة غالبا بالوات للطاقة الحقيقية و بالفولت أمبير للطاقة الظاهرية , على الرغم من أن هذه الأجهزة تستخدم في أنظمة الطاقة , فإنه يمكن إعطاء كلاهما بنظام لكل وحدة . يتم تقدير الكبل غالبا بإعطاء أقصى جهد و سعة التيار لهم . وبسبب إعتماد معدل الطاقة على طريقة التبريد , فإنه يمكن تصنيف المعدلات المختلفة للتبريد بالهواء , والتبريد بالماء و الخ .
بالنسبة لأجهزة التشغيل المترددة ( مثل الكابل المحوري , مكبرات الصوت ) , فإنه يوجد تقديرين لمعدل الطاقة , معدل الطاقة الأقصى و معدل الطاقة المتوسطة . بالنسبة لبعض الأجهزة , فإن أقصى معدل طاقة يحدد التردد المنخفض أو طاقة النبضة , حيث أن معدل الطاقة المتوسط يحدد تشغيل التردد العالي . وتعتمد حسابات الطاقة المتوسطة على بعض الفروض مثل كيفية استخدام الجهاز . على سبيل المثال , طريقة تقدير تحالف الصناعات الإلكترونية لمكبرات الصوت تستخدم إشارة ضوضاء التى تحاكي الموسيقى وتسمح بأقصى جولة وتساوي 6 ديسيبل , لذلك فإن تقدير تحالف الصناعات الإلكترونية ل 50 وات توافق التقدير الأقصى ل 200 وات .
أقصى تقدير مستمر (MCR) يعرف على أنه أقصى طاقة خرج (MW) يمكن لمحطة توليد طاقة كهربائية إنتاجها باستمرار تحت الظروف العادية لمدة عام . وتحت الظروف المثالية , فإن الخرج الحقيقي يمكن أن يكون أعلى من أقصى تقدير مستمر .
أثناء الشحن البحري , تعمل السفن عادة عند التقدير المستمر الرمزي (NCR) والذى يساوي 85 % من 90 % من أقصى تقدير مستمر . ال 90 % من أقصى تقدير مستمر هو عادة الخرج التعاقدي حيث يتم تصميم المروحة عليه . ولذلك فإن الخرج التى تعمل عليه السفن يساوي تقريبا من 75 % إلى 77 % من أقصى تقدير مستمر .
فى بعض مجالات الهندسة , فإنه يتم استخدام مجموعة معقدة من معدلات الطاقة . على سبيل المثال , يتم تقدير محركات الهليكوبتر بالقدرة المستمرة ( التى لا تحتوي على قيد زمني ) , معدلات طاقة الإقلاع والتحليق (تعرف على أنها النصف لكل ساعة تشغيل واحدة ) . الطاقة القصوى للطوارئ ( والتي يمكن أن تستمر لمدة دقيقتين أو ثلاثة دقائق ), ومعدل طاقة الطوارئ ( نصف دقيقة ) .
بالنسبة للمحركات الكهربائية , يتم نقل نوع مشابه من المعلومات بواسطة معامل الخدمة , والذى يكون مضاعف عندما يتم تطبيقه على طاقة الخرج المقدرة , ويعطي مستوى قوة للمحرك بحيث يمكن الحفاظ عليها لفترات زمنية أقصر . معامل الخدمة عادة يكون في المعدل من 1.15 إلى 1.4 , كما أن الشكل التوضيحي يكون أقل لمحركات الطاقة العالية . لكل ساعة تشغيل لمعامل الخدمة , فإن المحرك يخسر ساعتين أو ثلاثة من عمره الإفتراضي عند القدرة المقننة , على سبيل المثال , عمره الإفتراضي ينخفض إلى أقل من النصف للتشغيل المستمر عند هذا المستوى . ويتم تعريف معامل الخدمة في نظام المعهد القومي الأمريكي للقياس و الرابطة الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية , ويستخدم بشكل عام في الولايات المتحدة الأمريكية . كما لا يتم تعريف معامل الخدمة في نظام الجنة الكهروتقنية الدولية .
تجاوز معدل الطاقة لجهاز ما بأكثر من هامش السلامة الوضوع بواسطة الشركة المصنعة يؤدي إلى الإضرار بالجهاز بجعل درجة حرارة التشغيل تتجاوز المعدلات الأمنة . في أشباه الموصلات , يمكن أن يحدث الضرر بسرعة جدا . تجاوز معدل الطاقة لمعظم الأجهزة لفترة زمنية قصيرة جدا قد لا يكون ضار , ولكن حدوثه بإنتظام يؤدى إجمالا إلى الضرر بالجهاز .
معدل الطاقة للأجهزة الكهربائية و خطوط النقل يكون دالة في زمن الحمل و درجة الحرارة المحيطة , فعلى سبيل المثال , يمكن لخط النقل أو المحول حمل أحمال أكثر في الطقس البارد عنها في الطقس الحار . زيادة الأحمال اللحظية تتسبب في ارتفاع درجات الحرارة و تدمير العزل , ويمكن اعتبارها معدلات مقبولة في حالات الطوارئ . يتغير معدل الطاقة لأجهزة التشغيل بناء على جهد الدائرة و أيضا التيار . في تطبيقات الفضاء و التطبيقات العسكرية , يمكن للجهاز جمل قدرة عالية أكثر من المسموح بها للعمل لعمر افتراضي كبير .
يتم وضع معدل الطاقة لمضخم الصوت عادة بتوجيه الجهاز تحت الاختبار إلى بدأ إزالة قيمة محددة سلفا من التشوه , وتختلف على حسب الشركة المصنعة أو خط الإنتاج . توجيه المضخم إلى قيمة تساوي 1 % من مستوى التشوه تؤدي إلى رفع معدل الطاقة أكثر من توجيهه إلى 0.01 % من مستوى التشوه . وبالمثل , فإن اختبار المضخم عند تردد متوسط المدى , أو اختبار قناة واحدة فقط من مكبر للصوت ثنائي القناة , سوف يساهم في قدرة أعلى من إذا تم إختباره تحت تردد معين لكلا القناتين . وتستخدم الشركات المصنعة هذه الطرق لتسويق المضخمات التى تنتج طاقة خرج عالية مع مقدار من التشوه .
على سبيل المثال , لجنة التجارة الإتحادية (FTC) أنشأت نظام تقدير للمضخم حيث يتم اختبار الجهاز على كلا القناتين تحت تردد معلن عنه , ولا يزيد مستوى التشوه عن المستوى المعلن عنه . نظام تقدير جمعية الصناعات الإلكترونية (EIA) يحدد طاقة المضخم بقياس قناة واحدة عند 1.000 هرتز , وبمستوى إزالة تشوه يساوي 1 % . استخدام طريقة جمعية الصناعات الإلكترونية تزيد من تقدير المضخم بنسبة 10 إلى 20 % من طريقة لجنة التجارة الإتحادية .
يتم تحديد الطاقة المقننة لوحدة ضوئية بقياس التيار والجهد عند تغيير المقاومة تحت إضاءة محددة . يتم تحديد الشروط في مستويات مثل IEC 61215 , IEC 61646 و UL 1703 , وتحديدا شدة الضوء تساوي 1000 وات / متر مربع . وبطيف مشابه لسقوط ضوء الشمس على سطح الأرض عند مجال 35 درجة في الصيف ودرجة حرارة الخلايا تساوي 25 درجة سيلزيوس . وتقاس الطاقة عند تغيير الأحمال المقاومة بالوحدة الضوئية بين دائرة مفتوحة ودائرة مغلقة .
تقاس أقصى طاقة عند الطاقة المقننة للوحدة بالوات . وبالعامية يتم كتابته بالرمز " Wp" , وهذه الصيغة عامية لأنها خارج المعيار ويتم إضافة ملحقات إلى نظام الوحدات الدولي . ولحساب الكفاءة فإنها تساوي حاصل قسمة الطاقة المقننة على الطاقة الضوئية الساقطة على الوحدة ( مساحة 1000 وات/ متر مربع ) .