AC strömförsörjning och strömförluster
Effekten hos en krets som bara har aktiva motstånd kallas den aktiva effekten P. Den beräknas som vanligt med hjälp av någon av följande formler:
Aktiv effekt kännetecknar den irreversibla (irreversibla) förbrukningen av aktuell energi.
I kedjor växelström det finns många fler orsaker som orsakar oåterställbara energiförluster än i DC-kretsar. Dessa skäl är följande:
1. Uppvärmning av tråden med ström... För likström är uppvärmning nästan den enda formen av energiförlust. Och för växelström, som är samma i värde med likström, är energiförlusten för uppvärmning av tråden större på grund av ökningen av trådens motstånd på grund av yteffekten. Desto högre aktuell frekvens, desto mer påverkar det yteffekt och den större förlusten för uppvärmning av tråden.
2. Förluster för att skapa virvelströmmar, annars kallade Foucault-strömmar... Dessa strömmar induceras i alla metallkroppar i ett magnetfält som genereras av växelström. Från handling virvelströmmar metallkroppar värms upp.Särskilt betydande virvelströmsförluster kan observeras i stålkärnor. Energiförluster för att skapa virvelströmmar ökar med ökande frekvens.
Virvelströmmar — i en massiv kärna, b — i en lamellär kärna
3. Förlust av magnetisk hysteres... Under påverkan av ett alternerande magnetfält ommagnetiseras de ferromagnetiska kärnorna. I detta fall uppstår ömsesidig friktion mellan kärnpartiklarna, vilket resulterar i att kärnan värms upp. När frekvensen ökar förlusterna från magnetisk hysteres växer.
4. Förluster i fasta eller flytande dielektrika... I sådana dielektrika orsakar det alternerande elektriska fältet polarisering av molekyler, det vill säga laddningar visas på motsatta sidor av molekylerna, lika i värde men olika i tecken. Polariserade molekyler roterar under inverkan av fältet och upplever ömsesidig friktion. På grund av det värms dielektrikumet upp. När frekvensen ökar, ökar dess förluster.
5. Isoleringsläckageförluster... De isolerande ämnena som används är inte idealiska dielektrika och läckage kan observeras i dem. Med andra ord är isolationsresistansen, även om den är mycket hög, inte lika med oändlighet. Denna typ av förlust finns även i likström. Vid höga spänningar är det till och med möjligt för laddningar att strömma ut i luften som omger tråden.
6. Förluster på grund av strålning från elektromagnetiska vågor... Vilken AC-kabel som helst avger elektromagnetiska vågor, och när frekvensen ökar, ökar energin hos de utsända vågorna kraftigt (proportionellt mot kvadraten på frekvensen).Elektromagnetiska vågor lämnar irreversibelt ledaren, och därför motsvarar energiförbrukningen för emission av vågor förluster i visst aktivt motstånd. I radiosändarantenner är denna typ av förlust användbar energiförlust.
7. Förluster för kraftöverföring till andra kretsar... Som en konsekvens fenomen med elektromagnetisk induktion en del växelström överförs från en krets till en annan i närheten. I vissa fall, såsom i transformatorer, är denna energiöverföring fördelaktig.
AC-kretsens aktiva motstånd tar hänsyn till alla de listade typerna av icke-återvinningsbara energiförluster... För en seriekrets kan du definiera det aktiva motståndet som förhållandet mellan aktiv effekt, styrkan av alla förluster till kvadraten av nuvarande:
Sålunda, för en given ström, är kretsens aktiva resistans desto större, desto större är den aktiva effekten, dvs desto större är de totala energiförlusterna.
Effekten i kretssektionen med induktivt motstånd kallas reaktiv effekt Q... Den kännetecknar den reaktiva energin, det vill säga den energi som inte oåterkalleligt förbrukas, utan endast tillfälligt lagras i ett magnetfält. För att skilja det från aktiv effekt mäts reaktiv effekt inte i watt, utan i reaktiva volt-ampere (var eller var)... I detta avseende kallades den tidigare vattenfri.
Reaktiv effekt bestäms av en av formlerna:
där UL är spänningen i sektionen med induktiv resistans xL; Jag är strömmen i detta avsnitt.
För en seriekrets med aktivt och induktivt motstånd introduceras begreppet totaleffekt S... Den bestäms av produkten av den totala kretsspänningen U och strömmen I och uttrycks i volt-ampere (VA eller VA)
Effekten i sektionen med aktivt motstånd beräknas med någon av formlerna ovan eller med formeln:
där φ är fasvinkeln mellan spänning U och ström I.
Koefficienten för cosφ är effektfaktorn... Det kallas ofta «cosinus phi»… Effektfaktorn visar hur mycket av den totala effekten som är aktiv effekt:
Värdet på cosφ kan variera från noll till enhet, beroende på förhållandet mellan aktivt och reaktivt motstånd. Om det bara finns en i kretsen reaktivitet, då φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 och effekten i kretsen är rent reaktiv. Om det bara finns aktivt motstånd så är φ = 0, cosφ = 1 och P = S, det vill säga all effekt i kretsen är rent aktiv.
Ju lägre cosφ, desto mindre andel aktiv effekt av den skenbara effekten och desto högre reaktiv effekt. Men strömarbetet, det vill säga övergången av dess energi till någon annan typ av energi, kännetecknas endast av aktiv kraft. Och reaktiv effekt kännetecknar energin som fluktuerar mellan generatorn och den reaktiva delen av kretsen.
För elnätet är det värdelöst och till och med skadligt. Det bör noteras att i radioteknik är reaktiv effekt nödvändig och användbar i ett antal fall. Till exempel, i oscillerande kretsar, som används allmänt inom radioteknik och används för att generera elektriska svängningar, är styrkan hos dessa svängningar nästan enbart reaktiv.
Vektordiagrammet visar hur ändring av cosφ ändrar mottagarström I med dess effekt oförändrad.
Vektordiagram över mottagarströmmar vid konstant effekt och olika effektfaktorer
Som man kan se är effektfaktorn cosφ en viktig indikator på utnyttjandegraden av den totala effekten som utvecklas av den alternerande EMF-generatorn... Det är nödvändigt att ägna särskild uppmärksamhet åt det faktum att vid cosφ <1 måste generatorn skapa en spänning och ström vars produkt är större än aktiv effekt. Till exempel, om den aktiva effekten i det elektriska nätverket är 1000 kW och cosφ = 0,8, kommer den skenbara effekten att vara lika med:
Antag att den verkliga effekten i detta fall erhålls vid en spänning på 100 kV och en ström på 10 A. Generatorn måste dock generera en spänning på 125 kV för att den skenbara effekten ska vara
Det är tydligt att användningen av en generator för en högre spänning är ofördelaktig och dessutom kommer det vid högre spänningar att vara nödvändigt att förbättra isoleringen av ledningarna för att undvika ökat läckage eller uppkomst av skador. Det kommer att leda till att priset på elnätet stiger.
Behovet av att öka generatorspänningen på grund av närvaron av reaktiv effekt är karakteristiskt för en seriekrets med aktiv och reaktiv resistans. Om det finns en parallellkrets med aktiva och reaktiva grenar, måste generatorn skapa mer ström än vad som behövs med ett enda aktivt motstånd. Med andra ord, generatorn laddas med ytterligare reaktiv ström.
Till exempel, för ovanstående värden P = 1000 kW, cosφ = 0,8 och S = 1250 kVA, när den är parallellkopplad, ska generatorn ge en ström på inte 10 A, utan 12,5 A vid en spänning på 100 kV .i detta fall måste inte bara generatorn konstrueras för en större ström, utan ledningarna i den elektriska ledningen genom vilken denna ström kommer att överföras måste tas med en större tjocklek, vilket också kommer att öka kostnaden per linje. Om det i ledningen och vid generatorns lindningar finns ledningar utformade för en ström på 10 A, är det klart att en ström på 12,5 A kommer att orsaka ökad uppvärmning i dessa ledningar.
Således, även om det extra reaktiv ström överför den reaktiva energin från generatorn till reaktiva belastningar och vice versa, men skapar onödiga energiförluster på grund av ledningarnas aktiva motstånd.
I befintliga elnät kan sektioner med reaktivt motstånd kopplas både i serie och parallellt med sektioner med aktivt motstånd. Därför måste generatorer utveckla ökad spänning och ökad ström för att skapa, förutom användbar aktiv effekt, reaktiv effekt.
Av det sagda framgår hur viktigt det är för elektrifieringen öka cosφ-värdet… Dess minskning orsakas av inkluderingen av reaktiva belastningar i det elektriska nätverket. Till exempel skapar elmotorer eller transformatorer som går på tomgång eller inte är fulladdade betydande reaktiva belastningar eftersom de har relativt hög lindningsinduktans. För att öka cosφ är det viktigt att motorer och transformatorer arbetar med full belastning. Det existerar flera sätt att öka cosφ.
Sammanfattningsvis noterar vi att alla tre krafterna är sammankopplade av följande relation:
det vill säga skenbar effekt är inte den aritmetiska summan av aktiv och reaktiv effekt.Det är vanligt att säga att potensen S är den geometriska summan av potenserna P och Q.
Se även: Reaktans inom elektroteknik