Alimentare cu curent alternativ și pierderi de putere

Puterea unui circuit care are doar rezistențe active se numește putere activă P. Se calculează ca de obicei folosind una dintre următoarele formule:

Puterea activă caracterizează consumul ireversibil (ireversibil) de energie curentă.

În lanțuri curent alternativ există mult mai multe cauze care provoacă pierderi de energie irecuperabile decât în ​​circuitele de curent continuu. Aceste motive sunt următoarele:

1. Încălzirea firului prin curent... Pentru curent continuu, încălzirea este aproape singura formă de pierdere de energie. Iar pentru curentul alternativ, care este aceeași ca valoare cu curentul continuu, pierderea de energie pentru încălzirea firului este mai mare datorită creșterii rezistenței firului datorită efectului de suprafață. Cu cât mai sus frecventa curenta, cu atât afectează mai mult efect de suprafață și pierderea mai mare pentru încălzirea firului.

2. Pierderi pentru a crea curenți turbionari, altfel numiți curenți Foucault... Acești curenți sunt induși în toate corpurile metalice într-un câmp magnetic generat de curent alternativ. Din acțiune curenți turbionari corpurile metalice se încălzesc.Pierderile de curenți turbionari deosebit de semnificative pot fi observate în miezurile de oțel. Pierderile de energie pentru a crea curenți turbionari cresc odată cu creșterea frecvenței.

Curenți turbionari — într-un miez masiv, b — într-un miez lamelar

3. Pierderea histerezisului magnetic... Sub influența unui câmp magnetic alternant, nucleele feromagnetice sunt remagnetizate. În acest caz, are loc frecarea reciprocă a particulelor de miez, în urma căreia miezul se încălzește. Pe măsură ce frecvența crește pierderile de la histerezis magnetic creste.

4. Pierderi în dielectrici solizi sau lichidi... În astfel de dielectrici, câmpul electric alternativ provoacă polarizarea moleculelor, adică sarcinile apar pe laturile opuse ale moleculelor, egale ca valoare, dar diferite ca semn. Moleculele polarizate se rotesc sub acțiunea câmpului și experimentează frecare reciprocă. Datorită acesteia, dielectricul se încălzește. Pe măsură ce frecvența crește, pierderile acesteia cresc.

5. Pierderi prin scurgeri de izolație... Substanțele izolatoare utilizate nu sunt dielectrici ideali și se observă scurgeri de scurgeri în ele. Cu alte cuvinte, rezistența de izolație, deși foarte mare, nu este egală cu infinitul. Acest tip de pierderi există și în curent continuu. La tensiuni înalte, este chiar posibil ca încărcăturile să curgă în aerul din jurul firului.

6. Pierderi datorate radiației undelor electromagnetice... Orice cablu AC emite unde electromagnetice, iar pe măsură ce frecvența crește, energia undelor emise crește brusc (proporțional cu pătratul frecvenței).Undele electromagnetice părăsesc ireversibil conductorul și, prin urmare, consumul de energie pentru emisia undelor este echivalent cu pierderi de rezistență activă. În antenele emițătoare radio, acest tip de pierdere este o pierdere utilă de energie.

7. Pierderi pentru transmiterea puterii către alte circuite... Ca o consecință fenomene de inducție electromagnetică o parte de curent alternativ este transferată de la un circuit la altul situat în apropiere. În unele cazuri, cum ar fi în transformatoare, acest transfer de energie este benefic.

Rezistența activă a circuitului AC ia în considerare toate tipurile enumerate de pierderi de energie nerecuperabile... Pentru un circuit în serie, puteți defini rezistența activă ca raport dintre puterea activă, puterea tuturor pierderilor la pătratul curentul:

Astfel, pentru un curent dat, rezistența activă a circuitului este cu atât mai mare, cu cât puterea activă este mai mare, adică cu atât pierderile totale de energie sunt mai mari.

Puterea din secțiunea circuitului cu rezistență inductivă se numește putere reactivă Q... Ea caracterizează energia reactivă, adică energia care nu este consumată iremediabil, ci doar stocată temporar într-un câmp magnetic. Pentru a o deosebi de puterea activă, puterea reactivă se măsoară nu în wați, ci în volți-amperi reactivi (var sau var)... În acest sens, anterior a fost numită anhidru.

Puterea reactivă este determinată de una dintre formulele:

unde UL este tensiunea în secțiunea cu rezistență inductivă xL; I este curentul din această secțiune.

Pentru un circuit în serie cu rezistență activă și inductivă se introduce conceptul de putere totală S... Se determină prin produsul dintre tensiunea totală a circuitului U și curentul I și se exprimă în volți-amperi (VA sau VA)

Puterea în secțiunea cu rezistență activă se calculează prin una dintre formulele de mai sus sau după formula:

unde φ este unghiul de fază dintre tensiunea U și curentul I.

Coeficientul cosφ este factorul de putere... Este adesea numit „cosinus phi”… Factorul de putere arată cât de mult din puterea totală este putere activă:

Valoarea cosφ poate varia de la zero la unitate, în funcție de raportul dintre rezistența activă și cea reactivă. Dacă există doar unul în circuit reactivitate, atunci φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 și puterea din circuit este pur reactivă. Dacă există doar rezistență activă, atunci φ = 0, cosφ = 1 și P = S, adică toată puterea din circuit este pur activă.

Cu cât cosφ este mai mic, cu atât cota de putere activă a puterii aparente este mai mică și puterea reactivă este mai mare. Dar munca curentului, adică tranziția energiei sale într-un alt tip de energie, este caracterizată doar de putere activă. Și puterea reactivă caracterizează energia care fluctuează între generator și partea reactivă a circuitului.

Pentru rețeaua electrică, este inutil și chiar dăunător. Trebuie remarcat faptul că în inginerie radio puterea reactivă este necesară și utilă într-o serie de cazuri. De exemplu, în circuitele oscilante, care sunt utilizate pe scară largă în inginerie radio și sunt folosite pentru a genera oscilații electrice, puterea acestor oscilații este aproape pur reactivă.
Diagrama vectorială arată cum schimbarea cosφ modifică curentul receptorului I cu puterea sa neschimbată.

Diagrama vectorială a curenților receptorului la putere constantă și diverși factori de putere

După cum se poate observa, factorul de putere cosφ este un indicator important al gradului de utilizare a puterii totale dezvoltate de generatorul EMF alternant... Este necesar să se acorde o atenție deosebită faptului că la cosφ <1 generatorul trebuie să creeze o tensiune și un curent al căror produs este mai mare decât puterea activă. De exemplu, dacă puterea activă în rețeaua electrică este de 1000 kW și cosφ = 0,8, atunci puterea aparentă va fi egală cu:

Să presupunem că în acest caz puterea reală se obține la o tensiune de 100 kV și un curent de 10 A. Totuși, generatorul trebuie să genereze o tensiune de 125 kV pentru ca puterea aparentă să fie

Este clar că utilizarea unui generator pentru o tensiune mai mare este dezavantajoasă și, în plus, la tensiuni mai mari va fi necesară îmbunătățirea izolației firelor pentru a evita scurgerile crescute sau apariția deteriorării. Acest lucru va duce la o creștere a prețului rețelei electrice.

Necesitatea creșterii tensiunii generatorului datorită prezenței puterii reactive este caracteristică unui circuit în serie cu rezistență activă și reactivă. Dacă există un circuit paralel cu ramuri active și reactive, atunci generatorul trebuie să creeze mai mult curent decât este necesar cu o singură rezistență activă. Cu alte cuvinte, generatorul este încărcat cu curent reactiv suplimentar.

De exemplu, pentru valorile de mai sus P = 1000 kW, cosφ = 0,8 și S = 1250 kVA, atunci când este conectat în paralel, generatorul ar trebui să dea un curent de nu 10 A, ci 12,5 A la o tensiune de 100 kV .in acest caz, nu numai generatorul trebuie proiectat pentru un curent mai mare, ci firele liniei electrice prin care va fi transmis acest curent vor trebui luate cu o grosime mai mare, ceea ce va creste si costul pe linie. Dacă în linie și la înfășurările generatorului există fire proiectate pentru un curent de 10 A, atunci este clar că un curent de 12,5 A va provoca o încălzire crescută în aceste fire.

Astfel, deși în plus curent reactiv transferă energia reactivă de la generator la sarcini reactive și invers, dar creează pierderi inutile de energie datorită rezistenței active a firelor.

În rețelele electrice existente, secțiunile cu rezistență reactivă pot fi conectate atât în ​​serie, cât și în paralel cu secțiunile cu rezistență activă. Prin urmare, generatoarele trebuie să dezvolte o tensiune crescută și un curent crescut pentru a crea, pe lângă puterea activă utilă, și putere reactivă.

Din cele spuse, este clar cât de importantă este pentru electrificare crescând valoarea cosφ… Reducerea acestuia este cauzată de includerea sarcinilor reactive în rețeaua electrică. De exemplu, motoarele electrice sau transformatoarele care sunt în gol sau nu sunt încărcate complet creează sarcini reactive semnificative, deoarece au inductanță relativ mare a înfășurării. Pentru a crește cosφ, este important ca motoarele și transformatoarele să funcționeze la sarcină maximă. Exista mai multe moduri de a crește cosφ.

În concluzie, observăm că toate cele trei forțe sunt interconectate prin următoarea relație:

adică puterea aparentă nu este suma aritmetică a puterii active și reactive.Se obișnuiește să spunem că puterea S este suma geometrică a puterilor P și Q.

Vezi si: Reactanța în inginerie electrică