AC napajanje in izgube električne energije

Moč vezja, ki ima samo aktivne upore, se imenuje aktivna moč P. Izračuna se kot običajno z eno od naslednjih formul:

Aktivna moč označuje nepovratno (nepovratno) porabo trenutne energije.

V verigah izmenični tok obstaja veliko več vzrokov, ki povzročajo nepopravljive izgube energije kot v tokokrogih DC. Ti razlogi so naslednji:

1. Segrevanje žice s tokom... Pri enosmernem toku je segrevanje skoraj edina oblika izgube energije. In pri izmeničnem toku, ki je po vrednosti enak enosmernemu toku, je izguba energije za segrevanje žice večja zaradi povečanja upora žice zaradi površinskega učinka. Višji trenutna frekvenca, bolj vpliva površinski učinek in večjo izgubo pri segrevanju žice.

2. Izgube zaradi ustvarjanja vrtinčnih tokov, drugače imenovanih Foucaultovi tokovi… Ti tokovi se inducirajo v vseh kovinskih telesih v magnetnem polju, ki ga ustvarja izmenični tok. Od akcije vrtinčni tokovi kovinska telesa segrejejo.Posebej velike izgube zaradi vrtinčnih tokov lahko opazimo v jeklenih jedrih. Izgube energije za ustvarjanje vrtinčnih tokov naraščajo z naraščajočo frekvenco.

Vrtinčni tokovi - v masivnem jedru, b - v lamelnem jedru

3. Izguba magnetne histereze... Pod vplivom izmeničnega magnetnega polja se feromagnetna jedra ponovno magnetizirajo. V tem primeru pride do medsebojnega trenja jedrnih delcev, zaradi česar se jedro segreje. Ker frekvenca povečuje izgube iz magnetna histereza raste.

4. Izgube v trdnih ali tekočih dielektrikih ... V takšnih dielektrikih povzroča izmenično električno polje polarizacija molekul, to pomeni, da se naboji pojavijo na nasprotnih straneh molekul, enaki po vrednosti, vendar različni po predznaku. Polarizirane molekule se pod delovanjem polja vrtijo in doživljajo medsebojno trenje. Zaradi tega se dielektrik segreje. Z naraščanjem frekvence se povečujejo njegove izgube.

5. Izgube zaradi puščanja izolacije… Uporabljene izolacijske snovi niso idealni dielektriki in v njih so opažena puščanja zaradi puščanja. Z drugimi besedami, izolacijska upornost, čeprav zelo visoka, ni enaka neskončnosti. Ta vrsta izgube obstaja tudi pri enosmernem toku. Pri visokih napetostih je možno celo, da naboji tečejo v zrak, ki obdaja žico.

6. Izgube zaradi sevanja elektromagnetnih valov ... Vsak AC kabel oddaja elektromagnetne valove, z naraščanjem frekvence pa se energija oddanih valov močno poveča (sorazmerno s kvadratom frekvence).Elektromagnetno valovanje nepovratno zapusti prevodnik, zato je poraba energije za oddajanje valovanja enaka izgubam v nekem aktivnem uporu. Pri antenah radijskih oddajnikov je ta vrsta izgube koristna izguba energije.

7. Izgube pri prenosu moči v druge tokokroge... Kot posledica pojavi elektromagnetne indukcije nekaj izmeničnega toka se prenese iz enega tokokroga v drugega v bližini. V nekaterih primerih, na primer pri transformatorjih, je ta prenos energije koristen.

Aktivni upor izmeničnega tokokroga upošteva vse naštete vrste nepovratnih izgub energije ... Za serijsko vezje lahko definirate aktivni upor kot razmerje delovne moči, jakosti vseh izgub na kvadrat trenutno:

Tako je za dani tok aktivni upor vezja tem večji, čim večja je aktivna moč, tj. večje so skupne izgube energije.

Moč v odseku tokokroga z induktivnim uporom se imenuje jalova moč Q ... Označuje reaktivno energijo, to je energijo, ki ni nepovratno porabljena, ampak le začasno shranjena v magnetnem polju. Da bi jo razlikovali od aktivne moči, se reaktivna moč ne meri v vatih, ampak v reaktivnih volt-amperih (var ali var) ... V zvezi s tem se je prej imenovala brezvodna.

Reaktivna moč je določena z eno od formul:

kjer je UL napetost v odseku z induktivnim uporom xL; Jaz sem trenutni v tem razdelku.

Za serijsko vezje z aktivnim in induktivnim uporom je uveden koncept skupne moči S ... Določen je s produktom celotne napetosti vezja U in toka I in je izražen v volt-amperih (VA ali VA)

Moč v odseku z aktivnim uporom se izračuna po eni od zgornjih formul ali po formuli:

kjer je φ fazni kot med napetostjo U in tokom I.

Koeficient cosφ je faktor moči ... Pogosto se imenuje «kosinus fi»… Faktor moči kaže, koliko skupne moči predstavlja aktivna moč:

Vrednost cosφ se lahko spreminja od nič do enote, odvisno od razmerja med aktivnim in reaktivnim uporom. Če je v tokokrogu samo eden reaktivnost, potem je φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 in moč v tokokrogu je izključno jalova. Če obstaja samo aktivni upor, potem je φ = 0, cosφ = 1 in P = S, to pomeni, da je vsa moč v tokokrogu čisto aktivna.

Nižji kot je cosφ, manjši je delež delovne moči v navidezni moči in večja je jalova moč. Toda za delo toka, to je prehod njegove energije v neko drugo vrsto energije, je značilna samo aktivna moč. In reaktivna moč označuje energijo, ki niha med generatorjem in reaktivnim delom vezja.

Za električno omrežje je neuporaben in celo škodljiv. Opozoriti je treba, da je v radijski tehniki jalova moč v številnih primerih potrebna in uporabna. Na primer, v nihajnih vezjih, ki se pogosto uporabljajo v radijski tehniki in se uporabljajo za ustvarjanje električnih nihanj, je moč teh nihanj skoraj povsem reaktivna.
Vektorski diagram prikazuje, kako spreminjanje cosφ spremeni tok sprejemnika I z nespremenjeno močjo.

Vektorski diagram tokov sprejemnika pri konstantni moči in različnih faktorjih moči

Kot lahko vidite, je faktor moči cosφ pomemben pokazatelj stopnje izkoriščenosti celotne moči, ki jo razvije generator izmeničnega EMF ... Posebno pozornost je treba posvetiti dejstvu, da mora generator pri cosφ <1 ustvariti napetost in tok, katerih produkt je večji od delovne moči. Na primer, če je aktivna moč v električnem omrežju 1000 kW in cosφ = 0,8, bo navidezna moč enaka:

Predpostavimo, da je v tem primeru dejanska moč pridobljena pri napetosti 100 kV in toku 10 A. Vendar mora generator ustvariti napetost 125 kV, da je navidezna moč

Jasno je, da je uporaba generatorja za višjo napetost neugodna, poleg tega pa bo pri višjih napetostih potrebno izboljšati izolacijo žic, da se prepreči povečano puščanje ali pojav poškodb. To bo povzročilo povišanje cene električnega omrežja.

Potreba po povečanju napetosti generatorja zaradi prisotnosti jalove moči je značilna za serijsko vezje z aktivnim in reaktivnim uporom. Če obstaja vzporedno vezje z aktivnimi in reaktivnimi vejami, mora generator ustvariti več toka, kot je potrebno z enim aktivnim uporom. Z drugimi besedami, generator je obremenjen z dodatnim jalovim tokom.

Na primer, za zgornje vrednosti P = 1000 kW, cosφ = 0,8 in S = ​​1250 kVA, pri vzporedni povezavi mora generator dati tok ne 10 A, ampak 12,5 A pri napetosti 100 kV .v tem primeru ne le, da mora biti generator zasnovan za večji tok, temveč bo treba žice električnega voda, po katerem se bo ta tok prenašal, vzeti z večjo debelino, kar bo povečalo tudi stroške na vod. Če so v liniji in na navitjih generatorja žice, zasnovane za tok 10 A, potem je jasno, da bo tok 12,5 A povzročil povečano segrevanje teh žic.

Tako, čeprav ekstra reaktivni tok prenaša jalovo energijo iz generatorja na jalova bremena in obratno, vendar ustvarja nepotrebne izgube energije zaradi aktivnega upora žic.

V obstoječih električnih omrežjih se odseki z reaktivnim uporom lahko povežejo zaporedno in vzporedno z odseki z aktivnim uporom. Zato morajo generatorji razviti povečano napetost in povečan tok, da ustvarijo poleg uporabne delovne moči tudi jalovo moč.

Iz povedanega je jasno, kako pomembna je za elektrifikacijo povečanje vrednosti cosφ… Njegovo zmanjšanje je posledica vključevanja reaktivnih bremen v električno omrežje. Na primer, električni motorji ali transformatorji, ki so v prostem teku ali niso popolnoma obremenjeni, ustvarjajo znatne reaktivne obremenitve, ker imajo relativno visoko induktivnost navitja. Za povečanje cosφ je pomembno, da motorji in transformatorji delujejo pri polni obremenitvi. Obstaja več načinov za povečanje cosφ.

Na koncu omenimo, da so vse tri sile med seboj povezane z naslednjim razmerjem:

to pomeni, da navidezna moč ni aritmetična vsota delovne in jalove moči.Običajno rečemo, da je moč S geometrijska vsota moči P in Q.

Poglej tudi: Reaktanca v elektrotehniki