Napájanie striedavým prúdom a straty energie

Výkon obvodu, ktorý má iba aktívne odpory, sa nazýva aktívny výkon P. Vypočíta sa ako obvykle pomocou jedného z nasledujúcich vzorcov:

Aktívny výkon charakterizuje nevratnú (nevratnú) spotrebu aktuálnej energie.

V reťaziach striedavý prúd existuje oveľa viac príčin spôsobujúcich nenahraditeľné straty energie ako v jednosmerných obvodoch. Tieto dôvody sú nasledovné:

1. Ohrev drôtu prúdom... Pre jednosmerný prúd je ohrev takmer jedinou formou straty energie. A pre striedavý prúd, ktorý má rovnakú hodnotu ako jednosmerný prúd, je strata energie na ohrev drôtu väčšia v dôsledku zvýšenia odporu drôtu v dôsledku povrchového efektu. Čím vyššie aktuálna frekvencia, tým viac to ovplyvňuje povrchový efekt a tým väčšia strata pri zahrievaní drôtu.

2. Straty pri vytváraní vírivých prúdov, inak nazývaných Foucaultove prúdy... Tieto prúdy sa indukujú vo všetkých kovových telesách v magnetickom poli generovanom striedavým prúdom. Z akcie vírivé prúdy kovové telesá sa zahrievajú.Obzvlášť výrazné straty vírivými prúdmi možno pozorovať v oceľových jadrách. Straty energie na vytváranie vírivých prúdov sa zvyšujú so zvyšujúcou sa frekvenciou.

Vírivé prúdy — v masívnom jadre, b — v lamelárnom jadre

3. Strata magnetickej hysterézie... Vplyvom striedavého magnetického poľa sa feromagnetické jadrá premagnetizujú. V tomto prípade dochádza k vzájomnému treniu častíc jadra, v dôsledku čoho sa jadro zahrieva. Ako sa frekvencia zvyšuje straty z magnetická hysterézia rastie.

4. Straty v pevných alebo kvapalných dielektrikách... V takýchto dielektrikách spôsobuje striedavé elektrické pole polarizácia molekúl, to znamená, že náboje sa objavujú na opačných stranách molekúl, ktoré majú rovnakú hodnotu, ale odlišné znamienko. Polarizované molekuly rotujú pôsobením poľa a zažívajú vzájomné trenie. Vďaka tomu sa dielektrikum zahrieva. So zvyšujúcou sa frekvenciou sa zvyšujú jeho straty.

5. Straty netesnosťou izolácie... Použité izolačné látky nie sú ideálnymi dielektrikami a pozorujú sa v nich netesnosti. Inými slovami, izolačný odpor, aj keď je veľmi vysoký, nie je rovný nekonečnu. Tento typ straty existuje aj v jednosmernom prúde. Pri vysokom napätí je dokonca možné, že náboje prúdia do vzduchu obklopujúceho drôt.

6. Straty spôsobené žiarením elektromagnetických vĺn… Akýkoľvek AC kábel vyžaruje elektromagnetické vlnya so zvyšujúcou sa frekvenciou sa prudko zvyšuje energia emitovaných vĺn (úmerne druhej mocnine frekvencie).Elektromagnetické vlny nevratne opúšťajú vodič, a preto je spotreba energie na vyžarovanie vĺn ekvivalentná stratám v určitom aktívnom odpore. V anténach rádiových vysielačov je tento typ straty užitočnou stratou energie.

7. Straty pri prenose energie do iných obvodov... V dôsledku toho javy elektromagnetickej indukcie časť striedavého prúdu sa prenáša z jedného okruhu do druhého umiestneného v blízkosti. V niektorých prípadoch, ako napríklad v transformátoroch, je tento prenos energie výhodný.

Aktívny odpor obvodu striedavého prúdu zohľadňuje všetky uvedené typy nenávratných strát energie... Pre sériový obvod môžete definovať aktívny odpor ako pomer aktívneho výkonu, sily všetkých strát k druhej mocnine prúd:

Pre daný prúd je teda aktívny odpor obvodu tým väčší, čím väčší je činný výkon, teda čím väčšie sú celkové straty energie.

Výkon v obvode s indukčným odporom sa nazýva jalový výkon Q... Charakterizuje jalovú energiu, teda energiu, ktorá nie je nenávratne spotrebovaná, ale iba dočasne uložená v magnetickom poli. Na odlíšenie od aktívneho výkonu sa jalový výkon meria nie vo wattoch, ale v jalových voltampéroch (var alebo var)... V tomto ohľade sa predtým nazýval bezvodý.

Reaktívny výkon je určený jedným zo vzorcov:

kde UL je napätie v úseku s indukčným odporom xL; Ja som prúd v tejto sekcii.

Pre sériový obvod s aktívnym a indukčným odporom sa zavádza pojem celkový výkon S... Je určený súčinom celkového napätia obvodu U a prúdu I a vyjadruje sa vo voltampéroch (VA alebo VA)

Výkon v sekcii s aktívnym odporom sa vypočíta podľa jedného z vyššie uvedených vzorcov alebo podľa vzorca:

kde φ je fázový uhol medzi napätím U a prúdom I.

Koeficient cosφ je účinník... Často sa nazýva "kosínus phi"… Faktor výkonu ukazuje, koľko z celkového výkonu je činný výkon:

Hodnota cosφ sa môže meniť od nuly po jednotku v závislosti od pomeru medzi aktívnym a reaktívnym odporom. Ak je v okruhu len jeden reaktivita, potom φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 a výkon v obvode je čisto reaktívny. Ak existuje iba aktívny odpor, potom φ = 0, cosφ = 1 a P = S, to znamená, že všetok výkon v obvode je čisto aktívny.

Čím nižší je cosφ, tým menší je podiel činného výkonu na zdanlivom výkone a tým vyšší je jalový výkon. Ale práca prúdu, to znamená prechod jeho energie na nejaký iný druh energie, sa vyznačuje iba aktívnym výkonom. A jalový výkon charakterizuje energiu, ktorá kolíše medzi generátorom a jalovou časťou obvodu.

Pre elektrickú sieť je to zbytočné a dokonca škodlivé. Treba poznamenať, že v rádiotechnike je jalový výkon potrebný a užitočný v mnohých prípadoch. Napríklad v oscilačných obvodoch, ktoré sú široko používané v rádiotechnike a používajú sa na generovanie elektrických oscilácií, je sila týchto oscilácií takmer čisto reaktívna.
Vektorový diagram ukazuje, ako zmena cosφ mení prúd prijímača I pri nezmenenom výkone.

Vektorový diagram prúdov prijímača pri konštantnom výkone a rôznych účinkoch

Ako vidno, účinník cosφ je dôležitým ukazovateľom miery využitia celkového výkonu vyvinutého generátorom striedavého EMF... Je potrebné venovať osobitnú pozornosť tomu, že pri cosφ <1 musí generátor vytvárať napätie a prúd, ktorých súčin je väčší ako činný výkon. Napríklad, ak je aktívny výkon v elektrickej sieti 1000 kW a cosφ = 0,8, potom sa zdanlivý výkon bude rovnať:

Predpokladajme, že v tomto prípade sa skutočný výkon získa pri napätí 100 kV a prúde 10 A. Generátor však musí generovať napätie 125 kV, aby bol zdanlivý výkon

Je zrejmé, že použitie generátora na vyššie napätie je nevýhodné a navyše pri vyšších napätiach bude potrebné zlepšiť izoláciu vodičov, aby nedochádzalo k zvýšenému úniku alebo vzniku poškodení. To povedie k zvýšeniu ceny elektrickej siete.

Potreba zvýšiť napätie generátora v dôsledku prítomnosti jalového výkonu je charakteristická pre sériový obvod s aktívnym a jalovým odporom. Ak existuje paralelný obvod s aktívnymi a reaktívnymi vetvami, potom generátor musí vytvárať väčší prúd, ako je potrebné s jedným aktívnym odporom. Inými slovami, generátor je zaťažený dodatočným jalovým prúdom.

Napríklad pre vyššie uvedené hodnoty P = 1000 kW, cosφ = 0,8 a S = 1250 kVA, pri paralelnom zapojení by generátor mal dávať prúd nie 10 A, ale 12,5 A pri napätí 100 kV. .v tomto prípade musí byť nielen generátor dimenzovaný na väčší prúd, ale vodiče elektrického vedenia, cez ktoré sa bude tento prúd prenášať, budú musieť byť odoberané s väčšou hrúbkou, čím sa zvýšia aj náklady na vedenie. Ak sú vo vedení a na vinutiach generátora vodiče navrhnuté pre prúd 10 A, potom je zrejmé, že prúd 12,5 A spôsobí zvýšené zahrievanie v týchto vodičoch.

Teda aj keď navyše jalový prúd prenáša jalovú energiu z generátora na jalovú záťaž a naopak, ale vytvára zbytočné straty energie v dôsledku aktívneho odporu vodičov.

V existujúcich elektrických sieťach môžu byť úseky s jalovým odporom zapojené do série aj paralelne s úsekmi s aktívnym odporom. Preto musia generátory vyvinúť zvýšené napätie a zvýšený prúd, aby vytvorili okrem užitočného činného výkonu aj jalový výkon.

Z toho, čo bolo povedané, je zrejmé, aký dôležitý je pre elektrifikáciu zvýšenie hodnoty cosφ… Jeho zníženie je spôsobené zahrnutím jalových záťaží do elektrickej siete. Napríklad elektromotory alebo transformátory, ktoré bežia naprázdno alebo nie sú plne zaťažené, vytvárajú významné reaktívne zaťaženie, pretože majú relatívne vysokú indukčnosť vinutia. Na zvýšenie cosφ je dôležité, aby motory a transformátory pracovali pri plnom zaťažení. existuje niekoľko spôsobov, ako zvýšiť cosφ.

Na záver poznamenávame, že všetky tri sily sú vzájomne prepojené nasledujúcim vzťahom:

to znamená, že zdanlivý výkon nie je aritmetickým súčtom aktívneho a jalového výkonu.Zvykom sa hovorí, že mocnina S je geometrickým súčtom mocnín P a Q.

Pozri tiež: Reaktancia v elektrotechnike