AC napájení a ztráty napájení

Výkon obvodu, který má pouze činné odpory, se nazývá činný výkon P. Vypočítá se jako obvykle pomocí jednoho z následujících vzorců:

Činný výkon charakterizuje nevratnou (nevratnou) spotřebu aktuální energie.

V řetězech střídavý proud existuje mnohem více příčin způsobujících nenahraditelné ztráty energie než u stejnosměrných obvodů. Tyto důvody jsou následující:

1. Zahřívání drátu proudem… U stejnosměrného proudu je zahřívání téměř jedinou formou ztráty energie. A u střídavého proudu, který má stejnou hodnotu jako stejnosměrný proud, je ztráta energie pro ohřev drátu větší v důsledku zvýšení odporu drátu v důsledku povrchového efektu. Ten vyšší aktuální frekvence, tím více to ovlivňuje povrchový efekt a tím větší ztráty pro ohřev drátu.

2. Ztráty při vytváření vířivých proudů, jinak nazývaných Foucaultovy proudy… Tyto proudy se indukují ve všech kovových tělesech v magnetickém poli generovaném střídavým proudem. Z akce vířivé proudy kovová tělesa se zahřívají.Zvláště významné ztráty vířivými proudy lze pozorovat u ocelových jader. Energetické ztráty při vytváření vířivých proudů se zvyšují se zvyšující se frekvencí.

Vířivé proudy — v masivním jádru, b — v lamelárním jádru

3. Ztráta magnetické hystereze... Vlivem střídavého magnetického pole dochází k remagnetizaci feromagnetických jader. V tomto případě dochází k vzájemnému tření částic jádra, v důsledku čehož se jádro zahřívá. Jak se frekvence zvyšuje ztráty z magnetická hystereze roste.

4. Ztráty v pevných nebo kapalných dielektrikách... V takových dielektrikách způsobuje střídavé elektrické pole polarizace molekul, to znamená, že náboje se objevují na opačných stranách molekul, mají stejnou hodnotu, ale odlišné znaménko. Polarizované molekuly rotují působením pole a dochází k vzájemnému tření. Díky tomu se dielektrikum zahřívá. Se zvyšující se frekvencí rostou jeho ztráty.

5. Ztráty netěsností izolace… Použité izolační látky nejsou ideální dielektrika a jsou v nich pozorovány netěsnosti. Jinými slovy, izolační odpor, i když je velmi vysoký, není roven nekonečnu. Tento typ ztráty existuje také ve stejnosměrném proudu. Při vysokém napětí je dokonce možné, že náboje proudí do vzduchu obklopujícího drát.

6. Ztráty způsobené vyzařováním elektromagnetických vln… Jakýkoli AC kabel vysílá elektromagnetické vlnya jak se frekvence zvyšuje, energie emitovaných vln se prudce zvyšuje (úměrně druhé mocnině frekvence).Elektromagnetické vlny nevratně opouštějí vodič, a proto se spotřeba energie pro emisi vln rovná ztrátám v nějakém aktivním odporu. V anténách rádiových vysílačů je tento typ ztráty užitečnou ztrátou energie.

7. Ztráty při přenosu energie do jiných obvodů... V důsledku toho jevy elektromagnetické indukce část střídavého proudu je přenášena z jednoho okruhu do druhého umístěného poblíž. V některých případech, jako například u transformátorů, je tento přenos energie výhodný.

Aktivní odpor střídavého obvodu zohledňuje všechny uvedené typy nevratných energetických ztrát... Pro sériový obvod můžete definovat aktivní odpor jako podíl činného výkonu, sílu všech ztrát na druhou mocninu aktuální:

Pro daný proud je tedy činný odpor obvodu tím větší, čím větší je činný výkon, tj. čím větší jsou celkové energetické ztráty.

Výkon v části obvodu s indukčním odporem se nazývá jalový výkon Q... Charakterizuje jalovou energii, tedy energii, která není nenávratně spotřebována, ale pouze dočasně uložena v magnetickém poli. Pro odlišení od činného výkonu se jalový výkon neměří ve wattech, ale v jalových voltampérech (var nebo var)... V tomto ohledu se dříve nazýval bezvodý.

Jalový výkon je určen jedním ze vzorců:

kde UL je napětí v úseku s indukčním odporem xL; Já jsem proud v této sekci.

Pro sériový obvod s činným a indukčním odporem se zavádí pojem celkový výkon S... Je určen součinem celkového napětí obvodu U a proudu I a vyjadřuje se ve voltampérech (VA nebo VA)

Výkon v sekci s aktivním odporem se vypočítá podle jednoho z výše uvedených vzorců nebo podle vzorce:

kde φ je fázový úhel mezi napětím U a proudem I.

Koeficient cosφ je účiník… Často se mu říká "kosinus phi"… Účiník ukazuje, kolik z celkového výkonu je činný výkon:

Hodnota cosφ se může měnit od nuly do jedné v závislosti na poměru mezi aktivním a reaktivním odporem. Pokud je v okruhu pouze jeden reaktivita, pak φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 a výkon v obvodu je čistě jalový. Pokud existuje pouze aktivní odpor, pak φ = 0, cosφ = 1 a P = S, to znamená, že veškerý výkon v obvodu je čistě aktivní.

Čím nižší je cosφ, tím menší je podíl činného výkonu na zdánlivém výkonu a tím vyšší je jalový výkon. Ale práce proudu, tedy přechod jeho energie na nějaký jiný druh energie, se vyznačuje pouze činným výkonem. A jalový výkon charakterizuje energii, která kolísá mezi generátorem a jalovou částí obvodu.

Pro elektrickou síť je to zbytečné a dokonce škodlivé. Je třeba poznamenat, že v radiotechnice je jalový výkon nezbytný a užitečný v řadě případů. Například v oscilačních obvodech, které jsou široce používány v radiotechnice a používají se ke generování elektrických oscilací, je síla těchto oscilací téměř čistě reaktivní.
Vektorový diagram ukazuje, jak měnící se cosφ mění proud přijímače I při nezměněném výkonu.

Vektorový diagram přijímačových proudů při konstantním výkonu a různých účinících

Jak je vidět, účiník cosφ je důležitým ukazatelem míry využití celkového výkonu vyvinutého střídavým EMF generátorem... Zvláštní pozornost je třeba věnovat tomu, že při cosφ <1 musí generátor vytvořit napětí a proud, jehož součin je větší než činný výkon. Pokud je například činný výkon v elektrické síti 1000 kW a cosφ = 0,8, pak se zdánlivý výkon bude rovnat:

Předpokládejme, že v tomto případě je skutečný výkon získán při napětí 100 kV a proudu 10 A. Generátor však musí generovat napětí 125 kV, aby zdánlivý výkon byl

Je jasné, že použití generátoru pro vyšší napětí je nevýhodné a navíc při vyšších napětích bude nutné zlepšit izolaci vodičů, aby nedocházelo ke zvýšenému úniku nebo vzniku poškození. To povede ke zvýšení ceny elektrické sítě.

Potřeba zvýšit napětí generátoru v důsledku přítomnosti jalového výkonu je charakteristická pro sériový obvod s činným a jalovým odporem. Pokud existuje paralelní obvod s aktivní a jalovou větví, pak musí generátor vytvořit více proudu, než je potřeba s jediným aktivním odporem. Jinými slovy, generátor je zatížen dodatečným jalovým proudem.

Například pro výše uvedené hodnoty P = 1000 kW, cosφ = 0,8 a S = 1250 kVA by při paralelním zapojení měl generátor dávat proud ne 10 A, ale 12,5 A při napětí 100 kV. .v tomto případě musí být nejen generátor dimenzován na větší proud, ale dráty elektrického vedení, kterými bude tento proud přenášen, budou muset být odebírány s větší tloušťkou, což také zvýší náklady na vedení. Pokud jsou ve vedení a u vinutí generátoru vodiče dimenzované na proud 10 A, pak je jasné, že proud 12,5 A způsobí zvýšené zahřívání těchto vodičů.

Tedy i když navíc jalový proud přenáší jalovou energii z generátoru na jalové zátěže a naopak, ale vytváří zbytečné energetické ztráty v důsledku aktivního odporu vodičů.

Ve stávajících elektrických sítích mohou být sekce s jalovým odporem zapojeny jak sériově, tak paralelně se sekcemi s aktivním odporem. Proto musí generátory vyvinout zvýšené napětí a zvýšený proud, aby kromě užitečného činného výkonu vytvořily i jalový výkon.

Z řečeného je zřejmé, jak je pro elektrifikaci důležitý zvýšení hodnoty cosφ… Jeho snížení je způsobeno zahrnutím jalových zátěží do elektrické sítě. Například elektromotory nebo transformátory, které běží naprázdno nebo nejsou plně zatíženy, vytvářejí značné reaktivní zátěže, protože mají relativně vysokou indukčnost vinutí. Pro zvýšení cosφ je důležité, aby motory a transformátory pracovaly při plném zatížení. To existuje několik způsobů, jak zvýšit cosφ.

Na závěr si všimneme, že všechny tři síly jsou propojeny následujícím vztahem:

to znamená, že zdánlivý výkon není aritmetickým součtem činného a jalového výkonu.Je obvyklé říkat, že mocnina S je geometrický součet mocnin P a Q.

Viz také: Reaktance v elektrotechnice