Захранване с променлив ток и загуби на енергия

Силата на верига, която има само активни съпротивления, се нарича активна мощност P. Тя се изчислява, както обикновено, като се използва една от следните формули:

Активна мощност характеризира необратимото (необратимо) потребление на текуща енергия.

Във вериги променлив ток има много повече причини, причиняващи невъзстановими загуби на енергия, отколкото в DC вериги. Тези причини са следните:

1. Нагряване на проводника чрез ток… За постоянен ток отоплението е почти единствената форма на загуба на енергия. А за променлив ток, който е същият по стойност с постоянен ток, загубата на енергия за нагряване на проводника е по -голяма поради увеличаване на съпротивлението на проводника поради повърхностния ефект. Колкото по -високо текуща честота, толкова повече влияе повърхностен ефект и по -голямата загуба за нагряване на проводника.

2. Загуби за създаване на вихрови токове, наричани иначе токове на Фуко… Тези токове се индуцират във всички метални тела в магнитно поле, генерирано от променлив ток. От действие вихрови токове металните тела се нагряват. Особено значителни загуби на вихрови токове могат да се наблюдават в стоманени сърцевини. Загубите на енергия за създаване на вихрови токове се увеличават с увеличаване на честотата.

Вихрови токове — в масивно ядро, b — в ламелно ядро

3. Загуба на магнитна хистерезис… Под влияние на променливо магнитно поле, феромагнитните ядра се намагнетизират обратно. В този случай възниква взаимно триене на частиците на сърцевината, в резултат на което сърцевината се нагрява. С увеличаване на честотата загубите от магнитна хистерезис нараства.

4. Загуби в твърди или течни диелектрици… При такива диелектрици променливото електрическо поле причинява поляризация на молекули, тоест от противоположните страни на молекулите, равни по стойност, но различни по знак, се появяват заряди. Поляризираните молекули се въртят под действието на полето и изпитват взаимно триене. Поради него диелектрикът се нагрява. С увеличаване на честотата загубите му се увеличават.

5. Загуби от пропускане на изолация… Използваните изолационни вещества не са идеални диелектрици и в тях се наблюдават течове на утечка. С други думи, изолационното съпротивление, макар и много високо, не е равно на безкрайността. Този тип загуба съществува и при постоянен ток. При високи напрежения дори е възможно зарядите да се оттичат във въздуха, обграждащ жицата.

6. Загуби поради излъчване на електромагнитни вълни… Всеки AC кабел излъчва електромагнитни вълни, и с увеличаване на честотата, енергията на излъчваните вълни се увеличава рязко (пропорционално на квадрата на честотата). Електромагнитните вълни безвъзвратно напускат проводника и следователно консумацията на енергия за излъчването на вълни е еквивалентна на загуби в известно активно съпротивление. В антените за радиопредаватели този тип загуба е полезна загуба на енергия.

7. Загуби за пренос на енергия към други вериги… Като последствие явления на електромагнитна индукция част от променливотоковата енергия се прехвърля от една верига в друга, разположена наблизо. В някои случаи, например в трансформаторите, този трансфер на енергия е от полза.

Активното съпротивление на AC веригата взема предвид всички изброени видове невъзстановими загуби на енергия… За последователна верига можете да определите активното съпротивление като съотношение активна мощностсилата на всички загуби към квадрата на тока:

По този начин, при даден ток, активното съпротивление на веригата е толкова по -голямо, колкото по -голяма е активната мощност, т.е.колкото по -големи са общите загуби на енергия.

Мощността в секцията на веригата с индуктивно съпротивление се нарича реактивна мощност Q… Той характеризира реактивната енергия, тоест енергията, която не се изразходва безвъзвратно, а само временно се съхранява в магнитно поле. За да се разграничи от активната мощност реактивната мощност се измерва не с ватове, а с реактивни волт-ампери (var или var)… В това отношение преди това се наричаше безводен.

Реактивната мощност се определя по една от формулите:

където UL е напрежението в участъка с индуктивно съпротивление xL; I е токът в този раздел.

За последователна верига с активно и индуктивно съпротивление се въвежда концепцията пълна мощност S… Определя се от произведението на общото напрежение на веригата U и тока I и се изразява във волт-ампери (VA или VA)

Мощността в секцията с активно съпротивление се изчислява по една от горните формули или по формулата:

където φ е фазовият ъгъл между напрежение U и ток I.

Коефициентът на cosφ е фактор на мощността… Често се нарича «Косинус фи»… Коефициентът на мощност показва колко от общата мощност е активна мощност:

Стойността на cosφ може да варира от нула до единица, в зависимост от съотношението между активното и реактивното съпротивление. Ако има само един във веригата реактивност, тогава φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 и мощността във веригата е чисто реактивна. Ако има само активно съпротивление, тогава φ = 0, cosφ = 1 и P = S, тоест цялата мощност във веригата е чисто активна.

Колкото по -нисък е cosφ, толкова по -малък е делът на видимата мощност на активната мощност и по -висока е реактивната мощност. Но работата на тока, тоест преходът на неговата енергия в някакъв друг вид енергия, се характеризира само с активна мощност. А реактивната мощност характеризира енергията, която се колебае между генератора и реактивната част на веригата.

За електрическата мрежа тя е безполезна и дори вредна. Трябва да се отбележи, че в радиотехниката реактивната мощност в редица случаи е необходима и полезна. Например, в колебателните вериги, които се използват широко в радиотехниката и се използват за генериране на електрически трептения, силата на тези трептения е почти чисто реактивна.
Векторната диаграма показва как при смяна на cosφ промяна на тока на приемника Аз със силата си непроменена.

Векторна диаграма на токовете на приемника при постоянна мощност и различни коефициенти на мощност

Както се вижда, коефициентът на мощност cosφ е важен показател за степента на използване на общата мощност, развита от променливия генератор на ЕМП… Необходимо е да се обърне специално внимание на факта, че при cosφ <1 генераторът трябва да създава напрежение и ток, чието произведение е по -голямо от активната мощност. Например, ако активната мощност в електрическата мрежа е 1000 kW и cosφ = 0,8, тогава видимата мощност ще бъде равна на:

Да предположим, че в този случай реалната мощност се получава при напрежение 100 kV и ток 10 A. Въпреки това, генераторът трябва да генерира напрежение от 125 kV, за да може видимата мощност да бъде

Ясно е, че използването на генератор за по -високо напрежение е неблагоприятно и освен това при по -високо напрежение ще бъде необходимо да се подобри изолацията на проводниците, за да се избегне увеличаване на течовете или появата на повреда. Това ще доведе до увеличаване на цената на електрическата мрежа.

Необходимостта от увеличаване на напрежението на генератора поради наличието на реактивна мощност е характерна за последователна верига с активно и реактивно съпротивление. Ако има паралелна верига с активни и реактивни клонове, тогава генераторът трябва да създаде повече ток, отколкото е необходимо с едно активно съпротивление. С други думи, генераторът е натоварен с допълнителен реактивен ток.

Например, за горните стойности P = 1000 kW, cosφ = 0,8 и S = ​​1250 kVA, когато са свързани паралелно, генераторът трябва да дава ток не 10 A, но 12,5 A при напрежение 100 kV. в този случай не само генераторът трябва да бъде проектиран за по -голям ток, но проводниците на електрическата линия, през която ще се предава този ток, ще трябва да бъдат взети с по -голяма дебелина, което също ще увеличи цената на линия. Ако в линията и при намотките на генератора има проводници, предназначени за ток от 10 A, тогава е ясно, че ток от 12,5 A ще предизвика повишено нагряване в тези проводници.

По този начин, въпреки че допълнителното реактивен ток прехвърля реактивната енергия от генератора към реактивни товари и обратно, но създава ненужни загуби на енергия поради активното съпротивление на проводниците.

В съществуващите електрически мрежи участъци с реактивно съпротивление могат да бъдат свързани както последователно, така и паралелно с участъци с активно съпротивление. Следователно генераторите трябва да развият повишено напрежение и увеличен ток, за да създадат, освен полезна активна мощност, и реактивна мощност.

От казаното става ясно колко е важно за електрификацията увеличаване на cosφ стойността… Намаляването му се причинява от включването на реактивни товари в електрическата мрежа. Например, електродвигатели или трансформатори, които са на празен ход или не са напълно натоварени, създават значителни реактивни натоварвания, тъй като имат относително висока индуктивност на намотките. За да се увеличи cosφ, е важно двигателите и трансформаторите да работят при пълно натоварване. Съществува няколко начина за увеличаване на cosφ.

В заключение отбелязваме, че и трите сили са свързани помежду си чрез следната връзка:

тоест привидната мощност не е аритметичната сума на активната и реактивната мощност. Обичайно е да се казва, че мощността S е геометричната сума на мощностите P и Q.

Вижте също: Реактивно съпротивление в електротехниката