Τροφοδοτικό AC και απώλειες ρεύματος

Η ισχύς ενός κυκλώματος που έχει μόνο ενεργές αντιστάσεις ονομάζεται ενεργή ισχύς P. Υπολογίζεται ως συνήθως χρησιμοποιώντας έναν από τους παρακάτω τύπους:

Η ενεργός ισχύς χαρακτηρίζει τη μη αναστρέψιμη (μη αναστρέψιμη) κατανάλωση ρεύματος.

Σε αλυσίδες εναλλασσόμενο ρεύμα υπάρχουν πολύ περισσότερες αιτίες που προκαλούν μη ανακτήσιμες απώλειες ενέργειας από ό,τι στα κυκλώματα συνεχούς ρεύματος. Οι λόγοι αυτοί είναι οι εξής:

1. Θέρμανση του καλωδίου με ρεύμα… Για συνεχές ρεύμα, η θέρμανση είναι σχεδόν η μόνη μορφή απώλειας ενέργειας. Και για το εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο έχει την ίδια τιμή με το συνεχές ρεύμα, η απώλεια ενέργειας για τη θέρμανση του σύρματος είναι μεγαλύτερη λόγω της αύξησης της αντίστασης του σύρματος λόγω του επιφανειακού φαινομένου. Όσο πιο ψηλά τρέχουσα συχνότητα, τόσο περισσότερο επηρεάζει επιφανειακό αποτέλεσμα και η μεγαλύτερη απώλεια για τη θέρμανση του σύρματος.

2. Απώλειες για τη δημιουργία δινορευμάτων, που αλλιώς ονομάζονται ρεύματα Foucault… Αυτά τα ρεύματα προκαλούνται σε όλα τα μεταλλικά σώματα σε ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από εναλλασσόμενο ρεύμα. Από δράση δινορεύματα τα μεταλλικά σώματα θερμαίνονται.Ιδιαίτερα σημαντικές απώλειες δινορευμάτων μπορούν να παρατηρηθούν σε χαλύβδινους πυρήνες. Οι απώλειες ενέργειας για τη δημιουργία δινορευμάτων αυξάνονται με την αύξηση της συχνότητας.

Δινορεύματα — σε τεράστιο πυρήνα, b — σε ελασματοειδή πυρήνα

3. Απώλεια μαγνητικής υστέρησης... Υπό την επίδραση ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, οι σιδηρομαγνητικοί πυρήνες επαναμαγνητίζονται. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται αμοιβαία τριβή των σωματιδίων του πυρήνα, ως αποτέλεσμα της οποίας ο πυρήνας θερμαίνεται. Όσο αυξάνεται η συχνότητα οι απώλειες από μαγνητική υστέρηση μεγαλώνει.

4. Απώλειες σε στερεά ή υγρά διηλεκτρικά... Σε τέτοια διηλεκτρικά, το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί πόλωση των μορίων, δηλαδή, φορτία εμφανίζονται σε αντίθετες πλευρές των μορίων, ίσα σε αξία αλλά διαφορετικά σε πρόσημο. Τα πολωμένα μόρια περιστρέφονται υπό τη δράση του πεδίου και βιώνουν αμοιβαία τριβή. Λόγω αυτού, το διηλεκτρικό θερμαίνεται. Όσο αυξάνεται η συχνότητα, οι απώλειές του αυξάνονται.

5. Απώλειες από διαρροή μόνωσης… Οι μονωτικές ουσίες που χρησιμοποιούνται δεν είναι ιδανικά διηλεκτρικά και παρατηρούνται διαρροές σε αυτά. Με άλλα λόγια, η αντίσταση μόνωσης, αν και πολύ υψηλή, δεν ισούται με το άπειρο. Αυτός ο τύπος απώλειας υπάρχει και στο συνεχές ρεύμα. Σε υψηλές τάσεις, είναι ακόμη δυνατό τα φορτία να ρέουν στον αέρα που περιβάλλει το καλώδιο.

6. Απώλειες λόγω ακτινοβολίας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων… Οποιοδήποτε καλώδιο AC εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, και καθώς αυξάνεται η συχνότητα, η ενέργεια των εκπεμπόμενων κυμάτων αυξάνεται απότομα (ανάλογα με το τετράγωνο της συχνότητας).Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα εγκαταλείπουν αμετάκλητα τον αγωγό και επομένως η κατανάλωση ενέργειας για την εκπομπή κυμάτων ισοδυναμεί με απώλειες σε κάποια ενεργή αντίσταση. Στις κεραίες ραδιοπομπών, αυτός ο τύπος απώλειας είναι χρήσιμη απώλεια ενέργειας.

7. Απώλειες για μετάδοση ρεύματος σε άλλα κυκλώματα... Κατά συνέπεια φαινόμενα ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής κάποια ισχύς εναλλασσόμενου ρεύματος μεταφέρεται από το ένα κύκλωμα σε ένα άλλο που βρίσκεται κοντά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως στους μετασχηματιστές, αυτή η μεταφορά ενέργειας είναι ευεργετική.

Η ενεργή αντίσταση του κυκλώματος εναλλασσόμενου ρεύματος λαμβάνει υπόψη όλους τους αναφερόμενους τύπους μη ανακτήσιμων απωλειών ενέργειας... Για ένα κύκλωμα σειράς, μπορείτε να ορίσετε την ενεργή αντίσταση ως τον λόγο της ενεργού ισχύος, την ισχύ όλων των απωλειών προς το τετράγωνο του το ρεύμα:

Έτσι, για ένα δεδομένο ρεύμα, η ενεργή αντίσταση του κυκλώματος είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενεργός ισχύς, δηλαδή τόσο μεγαλύτερες είναι οι συνολικές απώλειες ενέργειας.

Η ισχύς στο τμήμα του κυκλώματος με επαγωγική αντίσταση ονομάζεται άεργος ισχύς Q... Χαρακτηρίζει την άεργο ενέργεια, δηλαδή την ενέργεια που δεν καταναλώνεται ανεπανόρθωτα, αλλά μόνο προσωρινά αποθηκεύεται σε μαγνητικό πεδίο. Για να το ξεχωρίσουμε από την ενεργό ισχύ, η άεργος ισχύς μετριέται όχι σε watt, αλλά σε άεργα βολτ-αμπέρ (var ή var)... Από αυτή την άποψη, παλαιότερα ονομαζόταν άνυδρη.

Η άεργος ισχύς προσδιορίζεται από έναν από τους τύπους:

όπου UL είναι η τάση στο τμήμα με επαγωγική αντίσταση xL. Είμαι το ρεύμα σε αυτή την ενότητα.

Για ένα σειριακό κύκλωμα με ενεργή και επαγωγική αντίσταση, εισάγεται η έννοια της συνολικής ισχύος S... Καθορίζεται από το γινόμενο της συνολικής τάσης κυκλώματος U και του ρεύματος I και εκφράζεται σε βολτ-αμπέρ (VA ή VA)

Η ισχύς στο τμήμα με ενεργή αντίσταση υπολογίζεται με έναν από τους παραπάνω τύπους ή από τον τύπο:

όπου φ είναι η γωνία φάσης μεταξύ της τάσης U και του ρεύματος I.

Ο συντελεστής cosφ είναι ο συντελεστής ισχύος… Συχνά ονομάζεται «συνημίτονο φι»… Ο συντελεστής ισχύος δείχνει πόσο από τη συνολική ισχύ είναι ενεργή ισχύς:

Η τιμή του cosφ μπορεί να ποικίλλει από μηδέν έως μονάδα, ανάλογα με την αναλογία μεταξύ ενεργού και αντιδραστικής αντίστασης. Αν υπάρχει μόνο ένα στο κύκλωμα αντιδραστικότητα, τότε φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 και η ισχύς στο κύκλωμα είναι καθαρά αντιδραστική. Εάν υπάρχει μόνο ενεργή αντίσταση, τότε φ = 0, cosφ = 1 και P = S, δηλαδή όλη η ισχύς στο κύκλωμα είναι καθαρά ενεργή.

Όσο χαμηλότερο είναι το cosφ, τόσο μικρότερο είναι το μερίδιο ενεργού ισχύος της φαινομενικής ισχύος και τόσο μεγαλύτερη είναι η άεργος ισχύς. Αλλά το έργο του ρεύματος, δηλαδή η μετάβαση της ενέργειάς του σε κάποιο άλλο είδος ενέργειας, χαρακτηρίζεται μόνο από ενεργή ισχύ. Και η άεργος ισχύς χαρακτηρίζει την ενέργεια που κυμαίνεται μεταξύ της γεννήτριας και του άεργου τμήματος του κυκλώματος.

Για το ηλεκτρικό δίκτυο είναι άχρηστο και μάλιστα επιβλαβές. Πρέπει να σημειωθεί ότι στη ραδιομηχανική η άεργος ισχύς είναι απαραίτητη και χρήσιμη σε πολλές περιπτώσεις. Για παράδειγμα, σε κυκλώματα ταλάντωσης, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στη ραδιομηχανική και χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρικών ταλαντώσεων, η ισχύς αυτών των ταλαντώσεων είναι σχεδόν καθαρά αντιδραστική.
Το διανυσματικό διάγραμμα δείχνει πώς η αλλαγή του cosφ αλλάζει το ρεύμα I του δέκτη με την ισχύ του αμετάβλητη.

Διανυσματικό διάγραμμα ρευμάτων δέκτη σε σταθερή ισχύ και διάφοροι συντελεστές ισχύος

Όπως φαίνεται, ο συντελεστής ισχύος cosφ είναι ένας σημαντικός δείκτης του βαθμού αξιοποίησης της συνολικής ισχύος που αναπτύσσεται από την εναλλασσόμενη γεννήτρια EMF... Είναι απαραίτητο να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο γεγονός ότι σε cosφ <1 η γεννήτρια πρέπει να δημιουργήσει μια τάση και ρεύμα των οποίων το προϊόν είναι μεγαλύτερο από την ενεργό ισχύ. Για παράδειγμα, εάν η ενεργή ισχύς στο ηλεκτρικό δίκτυο είναι 1000 kW και cosφ = 0,8, τότε η φαινόμενη ισχύς θα είναι ίση με:

Ας υποθέσουμε ότι σε αυτή την περίπτωση η πραγματική ισχύς λαμβάνεται σε τάση 100 kV και ρεύμα 10 Α. Ωστόσο, η γεννήτρια πρέπει να παράγει τάση 125 kV για να είναι η φαινόμενη ισχύς

Είναι σαφές ότι η χρήση μιας γεννήτριας για υψηλότερη τάση είναι μειονεκτική και, επιπλέον, σε υψηλότερες τάσεις θα χρειαστεί να βελτιωθεί η μόνωση των καλωδίων για να αποφευχθεί η αυξημένη διαρροή ή η εμφάνιση βλάβης. Αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση της τιμής του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας.

Η ανάγκη αύξησης της τάσης της γεννήτριας λόγω της παρουσίας άεργου ισχύος είναι χαρακτηριστική ενός κυκλώματος σειράς με ενεργό και άεργο αντίσταση. Εάν υπάρχει ένα παράλληλο κύκλωμα με ενεργούς και αντιδραστικούς κλάδους, τότε η γεννήτρια πρέπει να δημιουργήσει περισσότερο ρεύμα από αυτό που χρειάζεται με μία μόνο ενεργή αντίσταση. Με άλλα λόγια, η γεννήτρια φορτώνεται με πρόσθετο άεργο ρεύμα.

Για παράδειγμα, για τις παραπάνω τιμές P = 1000 kW, cosφ = 0,8 και S = 1250 kVA, όταν συνδέεται παράλληλα, η γεννήτρια πρέπει να δίνει ρεύμα όχι 10 A, αλλά 12,5 A σε τάση 100 kV .Σε αυτή την περίπτωση, όχι μόνο η γεννήτρια πρέπει να σχεδιαστεί για μεγαλύτερο ρεύμα, αλλά τα καλώδια της ηλεκτρικής γραμμής μέσω της οποίας θα μεταδοθεί αυτό το ρεύμα θα πρέπει να ληφθούν με μεγαλύτερο πάχος, γεγονός που θα αυξήσει επίσης το κόστος ανά γραμμή. Εάν στη γραμμή και στις περιελίξεις της γεννήτριας υπάρχουν καλώδια σχεδιασμένα για ρεύμα 10 A, τότε είναι σαφές ότι ένα ρεύμα 12,5 A θα προκαλέσει αυξημένη θέρμανση σε αυτά τα καλώδια.

Έτσι, αν και το επιπλέον άεργο ρεύμα μεταφέρει την άεργο ενέργεια από τη γεννήτρια σε αντιδραστικά φορτία και αντίστροφα, αλλά δημιουργεί περιττές απώλειες ενέργειας λόγω της ενεργής αντίστασης των συρμάτων.

Στα υπάρχοντα ηλεκτρικά δίκτυα, τμήματα με αντιδραστική αντίσταση μπορούν να συνδεθούν τόσο σε σειρά όσο και παράλληλα με τμήματα με ενεργή αντίσταση. Επομένως, οι γεννήτριες πρέπει να αναπτύξουν αυξημένη τάση και αυξημένο ρεύμα για να δημιουργήσουν, εκτός από τη χρήσιμη ενεργό ισχύ, άεργο ισχύ.

Από όσα ειπώθηκαν, είναι σαφές πόσο σημαντικό είναι για την ηλεκτροδότηση αυξάνοντας την τιμή cosφ… Η μείωσή του προκαλείται από τη συμπερίληψη άεργων φορτίων στο ηλεκτρικό δίκτυο. Για παράδειγμα, οι ηλεκτρικοί κινητήρες ή οι μετασχηματιστές που λειτουργούν στο ρελαντί ή δεν είναι πλήρως φορτισμένοι δημιουργούν σημαντικά αντιδραστικά φορτία επειδή έχουν σχετικά υψηλή αυτεπαγωγή περιέλιξης. Για να αυξηθεί το cosφ, είναι σημαντικό οι κινητήρες και οι μετασχηματιστές να λειτουργούν με πλήρες φορτίο. Υπάρχει αρκετοί τρόποι αύξησης του cosφ.

Συμπερασματικά, σημειώνουμε ότι και οι τρεις δυνάμεις συνδέονται μεταξύ τους με την ακόλουθη σχέση:

δηλαδή η φαινόμενη ισχύς δεν είναι το αριθμητικό άθροισμα της ενεργού και της αέργου ισχύος.Συνηθίζεται να λέμε ότι η δύναμη S είναι το γεωμετρικό άθροισμα των δυνάμεων P και Q.

Δείτε επίσης: Αντίδραση στην ηλεκτρική μηχανική