AC strømforsyning og strømtab

Effekten af ​​et kredsløb, der kun har aktive modstande, kaldes den aktive effekt P. Den beregnes som sædvanligt ved hjælp af en af ​​følgende formler:

Aktiv effekt karakteriserer det irreversible (irreversible) forbrug af nuværende energi.

I kæder vekselstrøm der er mange flere årsager, der forårsager uoprettelige energitab end i DC-kredsløb. Disse årsager er som følger:

1. Opvarmning af ledningen med strøm... For jævnstrøm er opvarmning næsten den eneste form for energitab. Og for vekselstrøm, som er den samme i værdi med jævnstrøm, er energitabet til opvarmning af ledningen større på grund af stigningen i ledningens modstand på grund af overfladeeffekten. Jo højere aktuelle frekvens, jo mere påvirker det overfladeeffekt og det større tab for opvarmning af tråden.

2. Tab for at skabe hvirvelstrømme, ellers kaldet Foucault-strømme... Disse strømme induceres i alle metalliske legemer i et magnetfelt genereret af vekselstrøm. Fra handling hvirvelstrømme metallegemer opvarmes.Særligt betydelige hvirvelstrømstab kan observeres i stålkerner. Energitab til at skabe hvirvelstrømme stiger med stigende frekvens.

Hvirvelstrømme - i en massiv kerne, b - i en lamelformet kerne

3. Tab af magnetisk hysterese... Under påvirkning af et vekslende magnetfelt remagnetiseres de ferromagnetiske kerner. I dette tilfælde opstår der gensidig friktion af kernepartiklerne, som et resultat af, at kernen opvarmes. Efterhånden som frekvensen stiger tabene fra magnetisk hysterese vokser.

4. Tab i faste eller flydende dielektrika... I sådanne dielektrika forårsager det vekslende elektriske felt polarisering af molekyler, det vil sige, ladninger optræder på modsatte sider af molekylerne, lige i værdi, men forskellige i fortegn. Polariserede molekyler roterer under påvirkning af feltet og oplever gensidig friktion. På grund af det opvarmes dielektrikumet. Når frekvensen stiger, stiger dens tab.

5. Isoleringslækagetab... De anvendte isoleringsstoffer er ikke ideelle dielektriske stoffer, og der observeres lækager i dem. Med andre ord er isolationsmodstanden, selvom den er meget høj, ikke lig med uendelig. Denne type tab findes også i jævnstrøm. Ved høje spændinger er det endda muligt for ladninger at strømme ud i luften omkring ledningen.

6. Tab på grund af stråling fra elektromagnetiske bølger... Ethvert AC-kabel udsender elektromagnetiske bølger, og når frekvensen stiger, øges energien af ​​de udsendte bølger kraftigt (proportionalt med kvadratet af frekvensen).Elektromagnetiske bølger forlader irreversibelt lederen, og derfor svarer energiforbruget til emission af bølger til tab i en vis aktiv modstand. I radiosenderantenner er denne type tab nyttigt energitab.

7. Tab ved kraftoverførsel til andre kredsløb... Som konsekvens fænomener med elektromagnetisk induktion noget vekselstrøm overføres fra et kredsløb til et andet i nærheden. I nogle tilfælde, såsom i transformere, er denne energioverførsel gavnlig.

AC-kredsløbets aktive modstand tager højde for alle de anførte typer af ikke-genoprettelige energitab... For et seriekredsløb kan du definere den aktive modstand som forholdet mellem aktiv effekt, styrken af ​​alle tab til kvadratet af den nuværende:

For en given strøm er den aktive modstand i kredsløbet således større, jo større er den aktive effekt, dvs. jo større er det samlede energitab.

Effekten i kredsløbssektionen med induktiv modstand kaldes reaktiv effekt Q... Den kendetegner den reaktive energi, det vil sige den energi, der ikke er uigenkaldeligt forbrugt, men kun midlertidigt lagret i et magnetfelt. For at skelne det fra aktiv effekt måles reaktiv effekt ikke i watt, men i reaktive volt-ampere (var eller var)... I denne henseende blev det tidligere kaldt vandfrit.

Reaktiv effekt bestemmes af en af ​​formlerne:

hvor UL er spændingen i sektionen med induktiv modstand xL; Jeg er strømmen i dette afsnit.

For et seriekredsløb med aktiv og induktiv modstand introduceres begrebet totaleffekt S... Det bestemmes af produktet af den samlede kredsløbsspænding U og strømmen I og udtrykkes i volt-ampere (VA eller VA)

Effekten i sektionen med aktiv modstand beregnes ved en af ​​ovenstående formler eller ved formlen:

hvor φ er fasevinklen mellem spænding U og strøm I.

Koefficienten for cosφ er effektfaktoren... Det kaldes ofte «cosinus phi»… Effektfaktoren viser, hvor meget af den samlede effekt, der er aktiv effekt:

Værdien af ​​cosφ kan variere fra nul til enhed, afhængigt af forholdet mellem aktiv og reaktiv modstand. Hvis der kun er én i kredsløbet reaktivitet, så er φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 og effekten i kredsløbet er rent reaktiv. Hvis der kun er aktiv modstand, så er φ = 0, cosφ = 1 og P = S, det vil sige, at al effekten i kredsløbet er rent aktiv.

Jo lavere cosφ, jo mindre er den aktive effektandel af den tilsyneladende effekt, og jo højere reaktiv effekt. Men strømmens arbejde, det vil sige overgangen af ​​dens energi til en anden type energi, er kun karakteriseret ved aktiv kraft. Og reaktiv effekt karakteriserer den energi, der svinger mellem generatoren og den reaktive del af kredsløbet.

For elnettet er det ubrugeligt og endda skadeligt. Det skal bemærkes, at i radioteknik er reaktiv effekt nødvendig og nyttig i en række tilfælde. For eksempel i oscillerende kredsløb, som er meget udbredt i radioteknik og bruges til at generere elektriske svingninger, er styrken af ​​disse svingninger næsten rent reaktiv.
Vektordiagrammet viser, hvordan ændring af cosφ ændrer modtagerstrømmen I med uændret effekt.

Vektordiagram over modtagerstrømme ved konstant effekt og forskellige effektfaktorer

Som det ses, er effektfaktoren cosφ en vigtig indikator for udnyttelsesgraden af ​​den samlede effekt udviklet af den alternerende EMF-generator... Det er nødvendigt at være særligt opmærksom på, at ved cosφ <1 skal generatoren skabe en spænding og strøm, hvis produkt er større end aktiv effekt. For eksempel, hvis den aktive effekt i det elektriske netværk er 1000 kW og cosφ = 0,8, så vil den tilsyneladende effekt være lig med:

Antag, at i dette tilfælde opnås den reelle effekt ved en spænding på 100 kV og en strøm på 10 A. Generatoren skal dog generere en spænding på 125 kV, for at den tilsyneladende effekt kan være

Det er klart, at brugen af ​​en generator til en højere spænding er ufordelagtig, og desuden vil det ved højere spændinger være nødvendigt at forbedre isoleringen af ​​ledningerne for at undgå øget lækage eller forekomst af skader. Det vil føre til en stigning i prisen på elnettet.

Behovet for at øge generatorspændingen på grund af tilstedeværelsen af ​​reaktiv effekt er karakteristisk for et seriekredsløb med aktiv og reaktiv modstand. Hvis der er et parallelt kredsløb med aktive og reaktive forgreninger, så skal generatoren skabe mere strøm end nødvendigt med en enkelt aktiv modstand. Med andre ord er generatoren belastet med yderligere reaktiv strøm.

For eksempel for ovenstående værdier P = 1000 kW, cosφ = 0,8 og S = ​​1250 kVA, når den er parallelkoblet, skal generatoren give en strøm på ikke 10 A, men 12,5 A ved en spænding på 100 kV .i dette tilfælde skal ikke kun generatoren være designet til en større strøm, men ledningerne i den elektriske linje, gennem hvilken denne strøm vil blive transmitteret, skal tages med en større tykkelse, hvilket også vil øge prisen pr. Hvis der i ledningen og ved generatorens viklinger er ledninger designet til en strøm på 10 A, så er det klart, at en strøm på 12,5 A vil forårsage øget opvarmning i disse ledninger.

Således, selvom det ekstra reaktiv strøm overfører den reaktive energi fra generatoren til reaktive belastninger og omvendt, men skaber unødvendige energitab på grund af ledningernes aktive modstand.

I eksisterende elektriske netværk kan sektioner med reaktiv modstand forbindes både i serie og parallelt med sektioner med aktiv modstand. Derfor skal generatorer udvikle øget spænding og øget strøm for at skabe, udover nyttig aktiv effekt, reaktiv effekt.

Af det sagt er det tydeligt, hvor vigtigt det er for elektrificeringen forøgelse af cosφ-værdien… Dens reduktion er forårsaget af inklusion af reaktive belastninger i det elektriske netværk. For eksempel skaber elektriske motorer eller transformere, der går i tomgang eller ikke er fuldt belastede, betydelige reaktive belastninger, fordi de har relativt høj viklingsinduktans. For at øge cosφ er det vigtigt, at motorer og transformere kører ved fuld belastning. Det findes flere måder at øge cosφ på.

Afslutningsvis bemærker vi, at alle tre kræfter er indbyrdes forbundet af følgende relation:

det vil sige, at tilsyneladende effekt ikke er den aritmetiske sum af aktiv og reaktiv effekt.Det er sædvanligt at sige, at potensen S er den geometriske sum af potenserne P og Q.

Se også: Reaktans i elektroteknik