Zasilanie AC i straty mocy

Moc obwodu, który ma tylko aktywne rezystancje, nazywana jest mocą czynną P. Oblicza się ją jak zwykle za pomocą jednego z następujących wzorów:

Moc czynna charakteryzuje nieodwracalne (nieodwracalne) zużycie bieżącej energii.

W łańcuchach prąd przemienny przyczyn nieodwracalnych strat energii jest znacznie więcej niż w obwodach prądu stałego. Powody te są następujące:

1. Nagrzewanie drutu prądem… W przypadku prądu stałego nagrzewanie jest prawie jedyną formą utraty energii. A dla prądu przemiennego, który ma taką samą wartość jak prąd stały, straty energii na ogrzewanie drutu są większe ze względu na wzrost rezystancji drutu z powodu efektu powierzchniowego. Wyższy aktualna częstotliwość, tym bardziej wpływa efekt powierzchniowy i większe straty na nagrzewanie drutu.

2. Straty w tworzeniu prądów wirowych, inaczej zwanych prądami Foucaulta… Prądy te są indukowane we wszystkich ciałach metalowych w polu magnetycznym generowanym przez prąd przemienny. Z akcji prądy wirowe metalowe elementy nagrzewają się.Szczególnie duże straty wiroprądowe można zaobserwować w rdzeniach stalowych. Straty energii w celu wytworzenia prądów wirowych rosną wraz ze wzrostem częstotliwości.

Prądy wirowe — w rdzeniu masywnym, b — w rdzeniu płytkowym

3. Utrata histerezy magnetycznej... Pod wpływem zmiennego pola magnetycznego następuje ponowne namagnesowanie rdzeni ferromagnetycznych. W tym przypadku dochodzi do wzajemnego tarcia cząstek rdzenia, w wyniku czego rdzeń nagrzewa się. Wraz ze wzrostem częstotliwości straty z histereza magnetyczna rośnie.

4. Straty w dielektrykach stałych lub ciekłych... W takich dielektrykach powstaje zmienne pole elektryczne polaryzacja cząsteczek, to znaczy ładunki pojawiają się po przeciwnych stronach cząsteczek, równe co do wartości, ale różne pod względem znaku. Spolaryzowane cząsteczki obracają się pod wpływem pola i doświadczają wzajemnego tarcia. Z tego powodu dielektryk nagrzewa się. Wraz ze wzrostem częstotliwości zwiększają się jego straty.

5. Straty upływowe izolacji… Zastosowane substancje izolacyjne nie są idealnymi dielektrykami i obserwuje się w nich upływy. Innymi słowy, rezystancja izolacji, choć bardzo duża, nie jest równa nieskończoności. Ten rodzaj strat występuje również w prądzie stałym. Przy wysokich napięciach możliwe jest nawet przepływ ładunków do powietrza otaczającego drut.

6. Straty spowodowane promieniowaniem fal elektromagnetycznych… Dowolny kabel AC emituje fale elektromagnetyczne, a wraz ze wzrostem częstotliwości energia emitowanych fal gwałtownie wzrasta (proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości).Fale elektromagnetyczne nieodwracalnie opuszczają przewodnik, dlatego zużycie energii na emisję fal jest równoważne stratom w pewnym czynnym oporze. W antenach nadajników radiowych ten rodzaj strat jest stratą energii użytecznej.

7. Straty na przesyłanie mocy do innych obwodów... W konsekwencji zjawiska indukcji elektromagnetycznej część prądu przemiennego jest przenoszona z jednego obwodu do drugiego znajdującego się w pobliżu. W niektórych przypadkach, na przykład w transformatorach, ten transfer energii jest korzystny.

Rezystancja czynna obwodu prądu przemiennego uwzględnia wszystkie wymienione rodzaje nieodwracalnych strat energii... W przypadku obwodu szeregowego rezystancję czynną można zdefiniować jako stosunek mocy czynnej, siły wszystkich strat do kwadratu obecny:

Zatem dla danego prądu rezystancja czynna obwodu jest tym większa, im większa jest moc czynna, czyli tym większe są całkowite straty energii.

Nazywa się moc w odcinku obwodu o rezystancji indukcyjnej moc bierna Q... Charakteryzuje energię bierną, czyli energię, która nie jest zużywana nieodwracalnie, ale tylko tymczasowo magazynowana w polu magnetycznym. Aby odróżnić ją od mocy czynnej, moc bierną mierzy się nie w watach, ale w biernych woltoamperach (var lub var)... Pod tym względem wcześniej nazywano ją bezwodną.

Moc bierną określa się za pomocą jednego ze wzorów:

gdzie UL to napięcie w odcinku o rezystancji indukcyjnej xL; Jestem obecny w tej sekcji.

W przypadku obwodu szeregowego z rezystancją czynną i indukcyjną wprowadzono pojęcie moc całkowita S... Jest określany przez iloczyn całkowitego napięcia obwodu U i prądu I i jest wyrażany w woltamperach (VA lub VA)

Moc w sekcji z oporem czynnym oblicza się według jednego z powyższych wzorów lub według wzoru:

gdzie φ jest kątem fazowym między napięciem U a prądem I.

Współczynnik cosφ to współczynnik mocy… Często jest nazywany «cosinus fi»… Współczynnik mocy pokazuje, jaka część całkowitej mocy to moc czynna:

Wartość cosφ może wahać się od zera do jedności, w zależności od stosunku rezystancji czynnej do reaktywnej. Jeśli w obwodzie jest tylko jeden reaktywność, wtedy φ = 90°, cosφ = 0, P = 0, a moc w obwodzie jest czysto bierna. Jeśli występuje tylko aktywny opór, to φ = 0, cosφ = 1 i P = S, czyli cała moc w obwodzie jest czysto aktywna.

Im mniejszy cosφ, tym mniejszy udział mocy czynnej w mocy pozornej i większa moc bierna. Ale praca prądu, to znaczy przejście jego energii na inny rodzaj energii, charakteryzuje się tylko mocą czynną. A moc bierna charakteryzuje energię, która waha się między generatorem a bierną częścią obwodu.

Dla sieci elektrycznej jest to bezużyteczne, a nawet szkodliwe. Należy zauważyć, że w radiotechnice moc bierna jest niezbędna i przydatna w wielu przypadkach. Na przykład w obwodach oscylacyjnych, które są szeroko stosowane w inżynierii radiowej i są używane do generowania oscylacji elektrycznych, siła tych oscylacji jest prawie czysto reaktywna.
Wykres wektorowy pokazuje, jak zmiana cosφ zmienia prąd odbiornika I przy niezmienionej mocy.

Wykres wektorowy prądów odbiornika przy stałej mocy i różnych współczynnikach mocy

Jak widać, współczynnik mocy cosφ jest ważnym wskaźnikiem stopnia wykorzystania całkowitej mocy wytwarzanej przez generator EMF przemiennego... Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że przy cosφ <1 generator musi wytwarzać napięcie i prąd, których iloczyn jest większy niż moc czynna. Na przykład, jeśli moc czynna w sieci elektrycznej wynosi 1000 kW i cosφ = 0,8, to moc pozorna będzie równa:

Załóżmy, że w tym przypadku moc rzeczywistą uzyskuje się przy napięciu 100 kV i prądzie 10 A. Jednak generator musi generować napięcie 125 kV, aby moc pozorna była

Oczywiste jest, że stosowanie generatora dla wyższego napięcia jest niekorzystne, a ponadto przy wyższych napięciach konieczne będzie poprawienie izolacji przewodów, aby uniknąć zwiększonego wycieku lub wystąpienia uszkodzeń. Doprowadzi to do wzrostu cen sieci elektroenergetycznej.

Konieczność zwiększenia napięcia generatora ze względu na obecność mocy biernej jest charakterystyczna dla obwodu szeregowego z rezystancją czynną i reaktywną. Jeśli istnieje obwód równoległy z aktywnymi i reaktywnymi gałęziami, generator musi wytwarzać więcej prądu niż jest to potrzebne przy pojedynczym aktywnym oporze. Innymi słowy, generator jest obciążany dodatkowym prądem biernym.

Na przykład dla powyższych wartości P = 1000 kW, cosφ = 0,8 i S = 1250 kVA, przy połączeniu równoległym generator powinien dawać prąd nie 10 A, ale 12,5 A przy napięciu 100 kV .w tym przypadku nie tylko generator musi być zaprojektowany na większy prąd, ale także przewody linii elektrycznej, przez którą ten prąd będzie przesyłany, będą musiały mieć większą grubość, co również zwiększy koszt linii. Jeśli w linii i na uzwojeniach generatora znajdują się druty zaprojektowane na prąd 10 A, to jasne jest, że prąd 12,5 A spowoduje zwiększone nagrzewanie się tych drutów.

Tak więc, chociaż dodatkowe prąd bierny przenosi energię bierną z generatora na obciążenia bierne i odwrotnie, ale powoduje niepotrzebne straty energii z powodu czynnej rezystancji przewodów.

W istniejących sieciach elektrycznych sekcje z rezystancją bierną można łączyć zarówno szeregowo, jak i równolegle z sekcjami z rezystancją czynną. Dlatego generatory muszą wytworzyć zwiększone napięcie i zwiększony prąd, aby oprócz użytecznej mocy czynnej wytworzyć moc bierną.

Z tego, co zostało powiedziane, jasno wynika, jak ważne jest to dla elektryfikacji zwiększając wartość cosφ… Jego zmniejszenie jest spowodowane włączeniem obciążeń biernych do sieci elektrycznej. Na przykład silniki elektryczne lub transformatory, które pracują na biegu jałowym lub nie są w pełni obciążone, wytwarzają znaczne obciążenia reaktywne, ponieważ mają stosunkowo wysoką indukcyjność uzwojenia. Aby zwiększyć cosφ, ważne jest, aby silniki i transformatory pracowały z pełnym obciążeniem. Istnieje kilka sposobów na zwiększenie cosφ.

Podsumowując, zauważamy, że wszystkie trzy siły są połączone następującą relacją:

to znaczy moc pozorna nie jest sumą arytmetyczną mocy czynnej i biernej.Zwyczajowo mówi się, że potęga S jest sumą geometryczną potęg P i Q.

Zobacz też: Reaktancja w elektrotechnice