AC strømforsyning og strømtap

Effekten til en krets som kun har aktive motstander kalles den aktive effekten P. Den beregnes som vanlig ved å bruke en av følgende formler:

Aktiv effekt karakteriserer det irreversible (irreversible) forbruket av gjeldende energi.

I lenker vekselstrøm det er mange flere årsaker som forårsaker uopprettelige energitap enn i DC-kretser. Disse årsakene er som følger:

1. Oppvarming av ledningen med strøm... For likestrøm er oppvarming nesten den eneste formen for energitap. Og for vekselstrøm, som er den samme i verdi med likestrøm, er energitapet for oppvarming av ledningen større på grunn av økningen i motstanden til ledningen på grunn av overflateeffekten. Den høyere gjeldende frekvens, jo mer påvirker det overflateeffekt og det større tapet for oppvarming av ledningen.

2. Tap for å skape virvelstrømmer, ellers kalt Foucault-strømmer... Disse strømmene induseres i alle metalliske legemer i et magnetfelt generert av vekselstrøm. Fra handling virvelstrømmer metalllegemer varmes opp.Spesielt betydelige virvelstrømstap kan observeres i stålkjerner. Energitap for å skape virvelstrømmer øker med økende frekvens.

Virvelstrømmer - i en massiv kjerne, b - i en lamellær kjerne

3. Tap av magnetisk hysterese... Under påvirkning av et vekslende magnetfelt blir de ferromagnetiske kjernene remagnetisert. I dette tilfellet oppstår gjensidig friksjon av kjernepartiklene, som et resultat av at kjernen varmes opp. Ettersom frekvensen øker tapene fra magnetisk hysterese vokser.

4. Tap i fast eller flytende dielektrikum... I slike dielektriske stoffer forårsaker det vekslende elektriske feltet polarisering av molekyler, det vil si at ladninger vises på motsatte sider av molekylene, like i verdi, men forskjellige i fortegn. Polariserte molekyler roterer under påvirkning av feltet og opplever gjensidig friksjon. På grunn av det varmes dielektrikumet opp. Når frekvensen øker, øker tapene.

5. Isolasjonslekkasjetap... Isolasjonsstoffene som brukes er ikke ideelle dielektriske stoffer, og det observeres lekkasjelekkasjer i dem. Med andre ord er isolasjonsmotstanden, selv om den er veldig høy, ikke lik uendelig. Denne typen tap eksisterer også i likestrøm. Ved høye spenninger er det til og med mulig for ladninger å strømme inn i luften rundt ledningen.

6. Tap på grunn av stråling fra elektromagnetiske bølger... Enhver AC-kabel sender ut elektromagnetiske bølger, og når frekvensen øker, øker energien til de utsendte bølgene kraftig (proporsjonal med kvadratet på frekvensen).Elektromagnetiske bølger forlater irreversibelt lederen, og derfor tilsvarer energiforbruket for emisjon av bølger tap i en viss aktiv motstand. I radiosenderantenner er denne typen tap nyttig energitap.

7. Tap for kraftoverføring til andre kretser... Som en konsekvens fenomener med elektromagnetisk induksjon noe vekselstrøm overføres fra en krets til en annen i nærheten. I noen tilfeller, for eksempel i transformatorer, er denne energioverføringen fordelaktig.

Den aktive motstanden til AC-kretsen tar hensyn til alle de listede typene ikke-utvinnbare energitap... For en seriekrets kan du definere den aktive motstanden som forholdet mellom aktiv effekt, styrken av alle tap til kvadratet på den nåværende:

Således, for en gitt strøm, er den aktive motstanden til kretsen jo større, jo større er den aktive effekten, dvs. jo større er det totale energitapene.

Effekten i kretsdelen med induktiv motstand kalles reaktiv effekt Q... Den karakteriserer den reaktive energien, det vil si energien som ikke forbrukes ugjenkallelig, men bare midlertidig lagres i et magnetfelt. For å skille det fra aktiv effekt, måles reaktiv effekt ikke i watt, men i reaktive volt-ampere (var eller var)... I denne forbindelse ble den tidligere kalt vannfri.

Reaktiv effekt bestemmes av en av formlene:

hvor UL er spenningen i seksjonen med induktiv motstand xL; Jeg er strømmen i denne delen.

For en seriekrets med aktiv og induktiv motstand introduseres konseptet totaleffekt S... Det bestemmes av produktet av den totale kretsspenningen U og strømmen I og uttrykkes i volt-ampere (VA eller VA)

Kraften i seksjonen med aktiv motstand beregnes av en av formlene ovenfor eller av formelen:

hvor φ er fasevinkelen mellom spenning U og strøm I.

Koeffisienten til cosφ er effektfaktoren... Det kalles ofte «cosinus phi»… Effektfaktoren viser hvor mye av den totale effekten som er aktiv effekt:

Verdien av cosφ kan variere fra null til enhet, avhengig av forholdet mellom aktiv og reaktiv motstand. Hvis det bare er en i kretsen reaktivitet, da er φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 og effekten i kretsen er rent reaktiv. Hvis det bare er aktiv motstand, så er φ = 0, cosφ = 1 og P = S, det vil si at all kraften i kretsen er rent aktiv.

Jo lavere cosφ, desto mindre er andelen aktiv effekt av den tilsynelatende effekten og desto høyere reaktiv effekt. Men strømmens arbeid, det vil si overgangen av energien til en annen type energi, er bare preget av aktiv kraft. Og reaktiv effekt karakteriserer energien som svinger mellom generatoren og den reaktive delen av kretsen.

For det elektriske nettet er det ubrukelig og til og med skadelig. Det skal bemerkes at i radioteknikk er reaktiv kraft nødvendig og nyttig i en rekke tilfeller. For eksempel, i oscillerende kretser, som er mye brukt i radioteknikk og brukes til å generere elektriske oscillasjoner, er styrken til disse svingningene nesten rent reaktive.
Vektordiagrammet viser hvordan endring av cosφ endrer mottakerstrømmen I med uendret effekt.

Vektordiagram av mottakerstrømmer ved konstant effekt og ulike effektfaktorer

Som man kan se er effektfaktoren cosφ en viktig indikator på utnyttelsesgraden av den totale effekten utviklet av den alternerende EMF-generatoren... Det er nødvendig å være spesielt oppmerksom på at ved cosφ <1 må generatoren skape en spenning og strøm hvis produkt er større enn aktiv effekt. For eksempel, hvis den aktive effekten i det elektriske nettverket er 1000 kW og cosφ = 0,8, vil den tilsynelatende effekten være lik:

Anta at i dette tilfellet oppnås den reelle effekten ved en spenning på 100 kV og en strøm på 10 A. Generatoren må imidlertid generere en spenning på 125 kV for at den tilsynelatende effekten skal være

Det er klart at bruken av en generator for en høyere spenning er ufordelaktig, og dessuten vil det ved høyere spenninger være nødvendig å forbedre isolasjonen av ledningene for å unngå økt lekkasje eller forekomst av skade. Dette vil føre til en økning i prisen på strømnettet.

Behovet for å øke generatorspenningen på grunn av tilstedeværelsen av reaktiv effekt er karakteristisk for en seriekrets med aktiv og reaktiv motstand. Hvis det er en parallellkrets med aktive og reaktive grener, må generatoren skape mer strøm enn det som er nødvendig med en enkelt aktiv motstand. Med andre ord er generatoren belastet med ytterligere reaktiv strøm.

For eksempel, for verdiene ovenfor P = 1000 kW, cosφ = 0,8 og S = 1250 kVA, når den er koblet parallelt, skal generatoren gi en strøm på ikke 10 A, men 12,5 A ved en spenning på 100 kV .i dette tilfellet må ikke bare generatoren være designet for en større strøm, men ledningene til den elektriske ledningen som denne strømmen vil bli overført gjennom, må tas med en større tykkelse, noe som også vil øke kostnadene per linje. Hvis det i ledningen og ved viklingene til generatoren er ledninger designet for en strøm på 10 A, er det klart at en strøm på 12,5 A vil forårsake økt oppvarming i disse ledningene.

Dermed, selv om det ekstra reaktiv strøm overfører den reaktive energien fra generatoren til reaktive belastninger og omvendt, men skaper unødvendige energitap på grunn av ledningenes aktive motstand.

I eksisterende elektriske nett kan seksjoner med reaktiv motstand kobles både i serie og parallelt med seksjoner med aktiv motstand. Derfor må generatorer utvikle økt spenning og økt strøm for å skape, i tillegg til nyttig aktiv effekt, reaktiv effekt.

Av det som er sagt er det tydelig hvor viktig det er for elektrifisering øke cosφ-verdien… Reduksjonen er forårsaket av inkludering av reaktive belastninger i det elektriske nettverket. For eksempel skaper elektriske motorer eller transformatorer som går på tomgang eller ikke fullastet betydelige reaktive belastninger fordi de har relativt høy viklingsinduktans. For å øke cosφ er det viktig at motorer og transformatorer fungerer med full belastning. Det finnes flere måter å øke cosφ.

Avslutningsvis merker vi at alle tre kreftene er sammenkoblet av følgende relasjon:

det vil si at tilsynelatende effekt ikke er den aritmetiske summen av aktiv og reaktiv effekt.Det er vanlig å si at potensen S er den geometriske summen av potensene P og Q.

Se også: Reaktans i elektroteknikk