AC-virtalähde ja tehohäviöt

Sellaisen piirin tehoa, jolla on vain aktiiviset vastukset, kutsutaan pätötehoksi P. Se lasketaan tavalliseen tapaan jollakin seuraavista kaavoista:

Aktiivinen teho luonnehtii virran palautumatonta (palautumatonta) kulutusta.

Ketjuissa vaihtovirta peruuttamattomia energiahäviöitä aiheuttavia syitä on paljon enemmän kuin tasavirtapiireissä. Nämä syyt ovat seuraavat:

1. Johdon lämmittäminen virralla… Tasavirralle lämmitys on lähes ainoa energiahäviön muoto. Ja vaihtovirralla, jonka arvo on sama kuin tasavirralla, langan lämmityksen energiahäviö on suurempi johtuen johtimen vastuksen kasvusta pintavaikutuksen vuoksi. Korkeampi nykyinen taajuus, sitä enemmän se vaikuttaa pintavaikutus ja suurempi häviö langan lämmittämisessä.

2. Häviöt pyörrevirtojen luomiseksi, joita kutsutaan myös Foucault-virroiksi… Nämä virrat indusoituvat kaikissa metallikappaleissa vaihtovirran synnyttämässä magneettikentässä. Toiminnasta pyörrevirrat metallirungot kuumenevat.Erityisen merkittäviä pyörrevirtahäviöitä voidaan havaita terässydämissä. Pyörrevirtojen synnyttämiseen tarvittavat energiahäviöt kasvavat taajuuden kasvaessa.

Pyörrevirrat — massiivisessa ytimessä, b — lamelliytimessä

3. Magneettisen hystereesin häviäminen... Vaihtuvan magneettikentän vaikutuksesta ferromagneettiset ytimet uudelleenmagnetoituvat. Tässä tapauksessa tapahtuu ydinhiukkasten keskinäistä kitkaa, jonka seurauksena ydin lämpenee. Taajuuden kasvaessa häviöt alkaen magneettinen hystereesi kasvaa.

4. Häviöt kiinteissä tai nestemäisissä eristeissä... Tällaisissa dielektrikissä vaihtuva sähkökenttä aiheuttaa molekyylien polarisaatio, eli molekyylien vastakkaisille puolille ilmestyy varauksia, jotka ovat samanarvoisia, mutta etumerkillisiä. Polarisoidut molekyylit pyörivät kentän vaikutuksesta ja kokevat keskinäistä kitkaa. Tästä johtuen dielektri kuumenee. Taajuuden kasvaessa sen häviöt kasvavat.

5. Eristeen vuotohäviöt… Käytetyt eristysaineet eivät ole ihanteellisia eristeitä ja niissä havaitaan vuotoja. Toisin sanoen eristysvastus, vaikka se on erittäin korkea, ei ole ääretön. Tämän tyyppinen häviö esiintyy myös tasavirrassa. Suurilla jännitteillä on jopa mahdollista, että johtoa ympäröivään ilmaan voi virrata varauksia.

6. Sähkömagneettisten aaltojen säteilystä johtuvat häviöt… Mikä tahansa AC-kaapeli lähettää sähkömagneettisia aaltoja, ja taajuuden kasvaessa emittoituneiden aaltojen energia kasvaa jyrkästi (suhteessa taajuuden neliöön).Sähkömagneettiset aallot lähtevät peruuttamattomasti johtimesta, ja siksi aaltojen emission energiankulutus vastaa jonkin aktiivisen vastuksen häviöitä. Radiolähetinantenneissa tämäntyyppinen häviö on hyödyllistä energiahäviötä.

7. Häviöt voimansiirrossa muihin piireihin... Seurauksena sähkömagneettisen induktion ilmiöt osa vaihtovirtaa siirretään yhdestä piiristä toiseen lähellä olevaan. Joissakin tapauksissa, kuten muuntajissa, tämä energiansiirto on hyödyllistä.

Vaihtovirtapiirin aktiivinen resistanssi ottaa huomioon kaikki luetellut ei-palautettavat energiahäviöt... Sarjapiirissä aktiivinen resistanssi voidaan määritellä pätötehon, kaikkien häviöiden voimakkuuden ja tehon neliön suhteeksi. nykyinen:

Siten tietyllä virralla piirin aktiivinen vastus on sitä suurempi, mitä suurempi on aktiivinen teho, eli mitä suuremmat kokonaisenergiahäviöt.

Induktiivisen resistanssin piiriosan tehoa kutsutaan loistehoksi Q... Se kuvaa loisenergiaa, eli sitä energiaa, joka ei kulu peruuttamattomasti, vaan vain tilapäisesti varastoituu magneettikenttään. Erottaakseen sen pätötehosta, loistehoa ei mitata watteina, vaan loisvolttiampeereina (var tai var)... Tässä suhteessa sitä kutsuttiin aiemmin vedettömäksi.

Loisteho määritetään jollakin seuraavista kaavoista:

missä UL on induktiivisen resistanssin xL osan jännite; Olen tämän osan nykyinen.

Sarjapiirille, jossa on aktiivinen ja induktiivinen vastus, otetaan käyttöön kokonaistehon S käsite... Se määräytyy piirin kokonaisjännitteen U ja virran I tulolla ja ilmaistaan ​​volttiampeereina (VA tai VA)

Teho osassa, jossa on aktiivinen vastus, lasketaan jollakin yllä olevista kaavoista tai kaavasta:

missä φ on jännitteen U ja virran I välinen vaihekulma.

Kerroin cosφ on tehokerroin… Sitä kutsutaan usein "kosini phi"… Tehokerroin näyttää kuinka suuri osa kokonaistehosta on aktiivista tehoa:

Cosφ:n arvo voi vaihdella nollasta yksikköön riippuen aktiivisen ja loisvastuksen välisestä suhteesta. Jos piirissä on vain yksi reaktiivisuus, silloin φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 ja piirin teho on puhtaasti reaktiivinen. Jos on vain aktiivinen vastus, niin φ = 0, cosφ = 1 ja P = S, eli kaikki virtapiirissä oleva teho on puhtaasti aktiivista.

Mitä pienempi cosφ, sitä pienempi pätötehoosuus näennäistehosta ja sitä suurempi loisteho. Mutta virran toiminnalle, toisin sanoen sen energian siirtymiselle jollekin muulle energiatyypille, on ominaista vain aktiivinen teho. Ja loisteho luonnehtii energiaa, joka vaihtelee generaattorin ja piirin loistehon välillä.

Sähköverkolle se on hyödytöntä ja jopa haitallista. On huomattava, että radiotekniikassa loisteho on tarpeellista ja hyödyllistä useissa tapauksissa. Esimerkiksi värähtelypiireissä, joita käytetään laajalti radiotekniikassa ja joita käytetään tuottamaan sähköisiä värähtelyjä, näiden värähtelyjen voimakkuus on lähes puhtaasti reaktiivista.
Vektorikaavio näyttää, kuinka cosφ:n muutos muuttaa vastaanottimen virtaa I sen tehon ollessa muuttumaton.

Vektorikaavio vastaanottimen virroista vakioteholla ja eri tehotekijöillä

Kuten voidaan nähdä, tehokerroin cosφ on tärkeä indikaattori vaihtelevan EMF-generaattorin kehittämän kokonaistehon käyttöasteeseen... On tarpeen kiinnittää erityistä huomiota siihen, että kun cosφ <1 generaattorin on luotava jännite ja virta, jonka tulo on suurempi kuin pätöteho. Esimerkiksi, jos pätöteho sähköverkossa on 1000 kW ja cosφ = 0,8, niin näennäisteho on yhtä suuri:

Oletetaan, että tässä tapauksessa todellinen teho saadaan 100 kV jännitteellä ja 10 A virralla. Generaattorin on kuitenkin tuotettava 125 kV jännite, jotta näennäisteho olisi

On selvää, että generaattorin käyttö korkeammalle jännitteelle on epäedullista ja lisäksi korkeammilla jännitteillä on tarpeen parantaa johtojen eristystä, jotta vältetään lisääntynyt vuoto tai vaurioiden esiintyminen. Tämä johtaa sähköverkon hinnan nousuun.

Tarve lisätä generaattorin jännitettä loistehon läsnäolon vuoksi on ominaista sarjapiirille, jossa on aktiivinen ja loisvastus. Jos rinnakkaispiirissä on aktiivinen ja reaktiivinen haara, generaattorin on tuotettava enemmän virtaa kuin tarvitaan yhdellä aktiivisella vastuksella. Toisin sanoen generaattori on kuormitettu lisäloisvirralla.

Esimerkiksi yllä oleville arvoille P = 1000 kW, cosφ = 0,8 ja S = 1250 kVA, rinnakkain kytkettynä generaattorin tulisi antaa virtaa ei 10 A, vaan 12,5 A jännitteellä 100 kV .Tässä tapauksessa generaattorin ei tarvitse olla suunniteltu suuremmalle virralle, vaan myös sähköjohdon johdot, joiden kautta tämä virta siirretään, on otettava suuremmalla paksuudella, mikä lisää myös linjakohtaisia ​​kustannuksia. Jos linjassa ja generaattorin käämeissä on johtoja, jotka on suunniteltu 10 A virralle, on selvää, että 12,5 A virta aiheuttaa lisääntynyttä kuumenemista näissä johtimissa.

Näin ollen vaikka ylimääräinen loisvirta siirtää loisenergian generaattorista loiskuormille ja päinvastoin, mutta aiheuttaa tarpeettomia energiahäviöitä johtimien aktiivisen vastuksen vuoksi.

Olemassa olevissa sähköverkoissa loisvastusosat voidaan kytkeä sekä sarjaan että rinnan aktiivisen vastuksen omaavien osien kanssa. Siksi generaattoreiden on kehitettävä lisättyä jännitettä ja lisättyä virtaa, jotta ne voivat tuottaa hyödyllisen pätötehon lisäksi loistehoa.

Sen perusteella, mitä on sanottu, on selvää, kuinka tärkeää se on sähköistyksen kannalta nostamalla cosφ-arvoa… Sen pieneneminen johtuu reaktiivisten kuormien sisällyttämisestä sähköverkkoon. Esimerkiksi sähkömoottorit tai muuntajat, jotka ovat joutokäynnillä tai ei täysin kuormitettuja, aiheuttavat merkittäviä reaktiivisia kuormia, koska niillä on suhteellisen korkea käämityksen induktanssi. Cosφ:n lisäämiseksi on tärkeää, että moottorit ja muuntajat toimivat täydellä kuormalla. Se on olemassa useita tapoja lisätä cosφ.

Lopuksi totean, että kaikki kolme voimaa liittyvät toisiinsa seuraavalla suhteella:

eli näennäisteho ei ole pätö- ja loistehon aritmeettinen summa.On tapana sanoa, että potenssi S on potenssien P ja Q geometrinen summa.

Katso myös: Reaktanssi sähkötekniikassa