AC napajanje i gubici struje

Snaga kruga koji ima samo aktivne otpore naziva se djelatna snaga P. Izračunava se kao i obično pomoću jedne od sljedećih formula:

Aktivna snaga karakterizira ireverzibilnu (nepovratnu) potrošnju trenutne energije.

U lancima naizmjenična struja postoji mnogo više uzroka koji uzrokuju nenadoknadive gubitke energije nego u istosmjernim krugovima. Ti razlozi su sljedeći:

1. Zagrijavanje žice strujom... Za istosmjernu struju, zagrijavanje je gotovo jedini oblik gubitka energije. A za izmjeničnu struju, koja je po vrijednosti jednaka istosmjernoj struji, gubitak energije za zagrijavanje žice je veći zbog povećanja otpora žice zbog površinskog učinka. Što je viši trenutna frekvencija, to više utječe površinski učinak a veći gubitak za zagrijavanje žice.

2. Gubici za stvaranje vrtložnih struja, inače nazvanih Foucaultove struje… Ove struje se induciraju u svim metalnim tijelima u magnetskom polju koje stvara izmjenična struja. Od akcije vrtložne struje metalna tijela se zagrijavaju.Osobito značajni gubici vrtložnih struja mogu se primijetiti u čeličnim jezgrama. Gubici energije za stvaranje vrtložnih struja rastu s povećanjem učestalosti.

Vrtložne struje — u masivnoj jezgri, b — u lamelarnoj jezgri

3. Gubitak magnetske histereze... Pod utjecajem izmjeničnog magnetskog polja ponovno se magnetiziraju feromagnetske jezgre. U tom slučaju dolazi do međusobnog trenja čestica jezgre, uslijed čega se jezgra zagrijava. Kako frekvencija povećava gubitke iz magnetska histereza raste.

4. Gubici u krutim ili tekućim dielektricima... U takvim dielektricima izmjenično električno polje uzrokuje polarizacija molekula, to jest, naboji se pojavljuju na suprotnim stranama molekula, jednaki po vrijednosti, ali različiti po predznaku. Polarizirane molekule rotiraju pod djelovanjem polja i doživljavaju međusobno trenje. Zbog toga se dielektrik zagrijava. Povećanjem frekvencije povećavaju se i njegovi gubici.

5. Gubici propuštanja izolacije... Korištene izolacijske tvari nisu idealni dielektrici i u njima se primjećuju propuštanja. Drugim riječima, otpor izolacije, iako vrlo visok, nije jednak beskonačnosti. Ova vrsta gubitka također postoji u istosmjernoj struji. Pri visokim naponima moguće je čak da naboji teku u zrak koji okružuje žicu.

6. Gubici zbog zračenja elektromagnetskih valova... Bilo koji AC kabel emitira elektromagnetske valove, a s porastom frekvencije energija emitiranih valova naglo raste (proporcionalno kvadratu frekvencije).Elektromagnetski valovi nepovratno napuštaju vodič, pa je utrošak energije za emisiju valova jednak gubicima u nekom aktivnom otporu. U antenama radio odašiljača, ova vrsta gubitka je gubitak korisne energije.

7. Gubici za prijenos snage u druge krugove... Kao posljedica pojave elektromagnetske indukcije dio izmjenične struje prenosi se iz jednog kruga u drugi koji se nalazi u blizini. U nekim slučajevima, kao u transformatorima, ovaj prijenos energije je koristan.

Aktivni otpor strujnog kruga izmjenične struje uzima u obzir sve navedene vrste nenadoknadivih gubitaka energije... Za serijski krug aktivni otpor možete definirati kao omjer djelatne snage, jakosti svih gubitaka na kvadrat trenutni:

Dakle, za određenu struju, aktivni otpor kruga je to veći što je veća djelatna snaga, tj. što su veći ukupni gubici energije.

Snaga u dionici strujnog kruga s induktivnim otporom naziva se jalova snaga Q... Ona karakterizira jalovu energiju, odnosno energiju koja nije nepovratno potrošena, već samo privremeno pohranjena u magnetskom polju. Da bi se razlikovala od aktivne snage, reaktivna snaga se ne mjeri u vatima, već u reaktivnim volt-amperima (var ili var)... U tom smislu, prije se nazivala bezvodna.

Jalova snaga određena je jednom od formula:

gdje je UL napon u dijelu s induktivnim otporom xL; Ja sam trenutni u ovom dijelu.

Za serijski krug s aktivnim i induktivnim otporom uvodi se pojam ukupne snage S... Određuje se umnoškom ukupnog napona kruga U i struje I i izražava se u volt-amperima (VA ili VA)

Snaga u dijelu s aktivnim otporom izračunava se jednom od gornjih formula ili formulom:

gdje je φ fazni kut između napona U i struje I.

Koeficijent cosφ je faktor snage… Često se naziva «kosinus fi»… Faktor snage pokazuje koliki dio ukupne snage čini djelatna snaga:

Vrijednost cosφ može varirati od nule do jedinice, ovisno o omjeru aktivnog i reaktivnog otpora. Ako je u strujnom krugu samo jedan reaktivnost, tada je φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 i snaga u krugu je čisto jalova. Ako postoji samo aktivni otpor, tada je φ = 0, cosφ = 1 i P = S, odnosno sva snaga u krugu je čisto aktivna.

Što je cosφ niži, to je manji udio djelatne snage u prividnoj snazi, a veća jalova snaga. Ali rad struje, odnosno prijelaz njene energije u neku drugu vrstu energije, karakterizira samo djelatna snaga. A jalova snaga karakterizira energiju koja fluktuira između generatora i reaktivnog dijela kruga.

Za električnu mrežu je beskoristan, pa čak i štetan. Valja napomenuti da je u radiotehnici jalova snaga potrebna i korisna u nizu slučajeva. Na primjer, u titrajnim krugovima, koji se široko koriste u radiotehnici i koriste se za generiranje električnih oscilacija, snaga tih oscilacija je gotovo čisto reaktivna.
Vektorski dijagram pokazuje kako promjena cosφ mijenja struju prijamnika I uz nepromijenjenu snagu.

Vektorski dijagram struja prijamnika pri konstantnoj snazi ​​i različitim faktorima snage

Kao što se vidi, faktor snage cosφ je važan pokazatelj stupnja iskorištenja ukupne snage koju razvija generator izmjeničnog EMP... Potrebno je obratiti posebnu pozornost na činjenicu da pri cosφ <1 generator mora stvarati napon i struja čiji je umnožak veći od djelatne snage. Na primjer, ako je djelatna snaga u električnoj mreži 1000 kW i cosφ = 0,8, tada će prividna snaga biti jednaka:

Pretpostavimo da je u ovom slučaju stvarna snaga dobivena pri naponu od 100 kV i struji od 10 A. Međutim, generator mora generirati napon od 125 kV da bi prividna snaga bila

Jasno je da je uporaba generatora za viši napon nepovoljna i, štoviše, pri višim naponima bit će potrebno poboljšati izolaciju žica kako bi se izbjeglo povećano curenje ili pojava oštećenja. To će dovesti do povećanja cijene električne mreže.

Potreba za povećanjem napona generatora zbog prisutnosti jalove snage karakteristična je za serijski krug s aktivnim i jalovim otporom. Ako postoji paralelni krug s aktivnim i reaktivnim granama, tada generator mora stvoriti više struje nego što je potrebno s jednim aktivnim otporom. Drugim riječima, generator je opterećen dodatnom jalovom strujom.

Na primjer, za gore navedene vrijednosti P = 1000 kW, cosφ = 0,8 i S = 1250 kVA, kada je spojen paralelno, generator bi trebao dati struju od ne 10 A, već 12,5 A pri naponu od 100 kV .u ovom slučaju, ne samo da se generator mora projektirati za veću struju, već će se i žice električnog voda kroz koje će se ta struja prenositi morati uzeti veće debljine, što će također povećati cijenu po liniji. Ako u liniji i na namotima generatora postoje žice dizajnirane za struju od 10 A, onda je jasno da će struja od 12,5 A izazvati pojačano zagrijavanje u tim žicama.

Ovako, iako ekstra reaktivna struja prenosi jalovu energiju s generatora na jalova trošila i obrnuto, ali stvara nepotrebne gubitke energije zbog aktivnog otpora žica.

U postojećim električnim mrežama, dijelovi s reaktivnim otporom mogu se spojiti serijski i paralelno s dijelovima s aktivnim otporom. Stoga generatori moraju razviti povećani napon i povećanu struju kako bi, osim korisne djelatne snage, stvorili i jalovu snagu.

Iz rečenog je jasno koliko je to važno za elektrifikaciju povećanje vrijednosti cosφ… Njegovo smanjenje uzrokovano je uključivanjem jalova opterećenja u električnu mrežu. Na primjer, električni motori ili transformatori koji rade u praznom hodu ili nisu potpuno opterećeni stvaraju značajna reaktivna opterećenja jer imaju relativno visok induktivitet namota. Za povećanje cosφ važno je da motori i transformatori rade pod punim opterećenjem. postoji nekoliko načina povećanja cosφ.

U zaključku napominjemo da su sve tri sile međusobno povezane sljedećim odnosom:

odnosno prividna snaga nije aritmetički zbroj djelatne i jalove snage.Uobičajeno je reći da je potencija S geometrijski zbroj potencija P i Q.

Vidi također: Reaktancija u elektrotehnici