AC-voeding en vermogensverliezen

Het vermogen van een circuit dat alleen actieve weerstanden heeft, wordt het actieve vermogen P genoemd. Het wordt zoals gewoonlijk berekend met behulp van een van de volgende formules:

Actief vermogen kenmerkt het onomkeerbare (onomkeerbare) verbruik van huidige energie.

Geketend wisselstroom er zijn veel meer oorzaken die onherstelbare energieverliezen veroorzaken dan in DC-circuits. Deze redenen zijn als volgt:

1. Verwarming van de draad door stroom... Voor gelijkstroom is verwarming bijna de enige vorm van energieverlies. En voor wisselstroom, die qua waarde gelijk is aan gelijkstroom, is het energieverlies voor het verwarmen van de draad groter vanwege de toename van de weerstand van de draad als gevolg van het oppervlakte-effect. Hoe hoger huidige frequentie, hoe meer het beïnvloedt oppervlakte-effect en het grotere verlies voor het verwarmen van de draad.

2. Verliezen om wervelstromen te creëren, ook wel Foucault-stromen genoemd... Deze stromen worden in alle metalen lichamen geïnduceerd in een magnetisch veld dat wordt opgewekt door wisselstroom. Van actie wervelstromen metalen lichamen worden warm.Bijzonder significante wervelstroomverliezen kunnen worden waargenomen in stalen kernen. Energieverliezen om wervelstromen te creëren nemen toe met toenemende frequentie.

Wervelstromen - in een massieve kern, b - in een lamellaire kern

3. Verlies van magnetische hysteresis... Onder invloed van een wisselend magnetisch veld worden de ferromagnetische kernen opnieuw gemagnetiseerd. Er treedt dan onderlinge wrijving van de kerndeeltjes op, waardoor de kern opwarmt. Naarmate de frequentie toeneemt, nemen de verliezen toe magnetische hysterese groeit.

4. Verliezen in vaste of vloeibare diëlektrica... In dergelijke diëlektrica wordt het wisselende elektrische veld veroorzaakt polarisatie van moleculen, dat wil zeggen, ladingen verschijnen aan weerszijden van de moleculen, gelijk in waarde maar verschillend van teken. Gepolariseerde moleculen roteren onder invloed van het veld en ervaren onderlinge wrijving. Hierdoor warmt het diëlektricum op. Naarmate de frequentie toeneemt, nemen de verliezen toe.

5. Isolatielekkageverliezen... De gebruikte isolerende stoffen zijn geen ideale diëlektrica en leklekken worden daarin waargenomen. Met andere woorden, de isolatieweerstand, hoewel zeer hoog, is niet gelijk aan oneindig. Dit type verlies bestaat ook in gelijkstroom. Bij hoge spanningen is het zelfs mogelijk dat er ladingen in de lucht rond de draad stromen.

6. Verliezen door straling van elektromagnetische golven... Alle AC-kabels zendt elektromagnetische golven uit, en naarmate de frequentie toeneemt, neemt de energie van de uitgezonden golven scherp toe (evenredig met het kwadraat van de frequentie).Elektromagnetische golven verlaten de geleider onomkeerbaar en daarom is het energieverbruik voor de emissie van golven gelijk aan verliezen in een actieve weerstand. In antennes van radiozenders is dit soort verlies nuttig energieverlies.

7. Verliezen voor krachtoverbrenging naar andere circuits... Als gevolg daarvan verschijnselen van elektromagnetische inductie wat wisselstroom wordt overgedragen van het ene circuit naar het andere in de buurt. In sommige gevallen, zoals bij transformatoren, is deze energieoverdracht gunstig.

De actieve weerstand van het AC-circuit houdt rekening met alle vermelde soorten niet-herstelbare energieverliezen... Voor een serieschakeling kunt u de actieve weerstand definiëren als de verhouding van actief vermogen, de sterkte van alle verliezen tot het kwadraat van de huidige:

Dus voor een gegeven stroom is de actieve weerstand van het circuit groter, hoe groter het actieve vermogen, d.w.z. hoe groter de totale energieverliezen.

Het vermogen in het circuitgedeelte met inductieve weerstand wordt reactief vermogen Q genoemd... Het kenmerkt de reactieve energie, dat wil zeggen de energie die niet onherstelbaar wordt verbruikt, maar slechts tijdelijk wordt opgeslagen in een magnetisch veld. Om het te onderscheiden van actief vermogen, wordt reactief vermogen niet gemeten in watt, maar in reactieve volt-ampère (var of var). In dit opzicht heette het voorheen watervrij.

Blindvermogen wordt bepaald door een van de formules:

waarbij UL de spanning is in de sectie met inductieve weerstand xL; I is de stroom in deze sectie.

Voor een serieschakeling met actieve en inductieve weerstand wordt het concept van totaal vermogen S geïntroduceerd... Het wordt bepaald door het product van de totale circuitspanning U en de stroom I en wordt uitgedrukt in volt-ampère (VA of VA)

Het vermogen in de sectie met actieve weerstand wordt berekend met een van de bovenstaande formules of met de formule:

waarbij φ de fasehoek is tussen spanning U en stroom I.

De coëfficient van cosφ is de arbeidsfactor... Wordt vaak genoemd «cosinus phi»… De vermogensfactor geeft aan hoeveel van het totale vermogen werkelijk vermogen is:

De waarde van cosφ kan variëren van nul tot één, afhankelijk van de verhouding tussen actieve en reactieve weerstand. Als er maar één in het circuit is reactiviteit, dan φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 en het vermogen in de schakeling is puur reactief. Als er alleen actieve weerstand is, dan is φ = 0, cosφ = 1 en P = S, dat wil zeggen dat al het vermogen in het circuit puur actief is.

Hoe lager de cosφ, hoe kleiner het aandeel actief vermogen in het schijnbare vermogen en hoe hoger het blindvermogen. Maar het werk van stroom, dat wil zeggen de overgang van zijn energie in een ander type energie, wordt alleen gekenmerkt door actieve kracht. En reactief vermogen kenmerkt de energie die fluctueert tussen de generator en het reactieve deel van het circuit.

Voor het elektriciteitsnet is het nutteloos en zelfs schadelijk. Opgemerkt moet worden dat blindvermogen in de radiotechniek in een aantal gevallen noodzakelijk en nuttig is. In oscillerende circuits, die veel worden gebruikt in radiotechniek en worden gebruikt om elektrische oscillaties op te wekken, is de sterkte van deze oscillaties bijvoorbeeld bijna puur reactief.
Het vectordiagram laat zien hoe veranderende cosφ de ontvangerstroom I verandert met zijn vermogen ongewijzigd.

Vectordiagram van ontvangerstromen bij constant vermogen en verschillende vermogensfactoren

Zoals te zien is, is de arbeidsfactor cosφ een belangrijke indicator van de mate van benutting van het totale vermogen dat wordt ontwikkeld door de alternerende EMF-generator... Het is noodzakelijk om speciale aandacht te besteden aan het feit dat bij cosφ <1 de generator moet creëren een spanning en stroom waarvan het product groter is dan het actieve vermogen. Als het actieve vermogen in het elektriciteitsnet bijvoorbeeld 1000 kW is en cosφ = 0,8, dan is het schijnbare vermogen gelijk aan:

Stel dat in dit geval het werkelijke vermogen wordt verkregen bij een spanning van 100 kV en een stroom van 10 A. De generator moet echter een spanning van 125 kV genereren om het schijnbare vermogen te kunnen

Het is duidelijk dat het gebruik van een generator voor een hogere spanning nadelig is en bovendien zal bij hogere spanningen de isolatie van de draden moeten worden verbeterd om verhoogde lekkage of optreden van schade te voorkomen. Dit zal leiden tot een verhoging van de prijs van het elektriciteitsnet.

De noodzaak om de generatorspanning te verhogen vanwege de aanwezigheid van reactief vermogen is kenmerkend voor een serieschakeling met actieve en reactieve weerstand. Als er een parallelschakeling is met actieve en reactieve aftakkingen, dan moet de generator meer stroom opwekken dan nodig is met een enkele actieve weerstand. Met andere woorden, de generator wordt belast met extra blindstroom.

Voor de bovenstaande waarden P = 1000 kW, cosφ = 0,8 en S = 1250 kVA, zou de generator bijvoorbeeld bij parallelschakeling een stroom moeten geven van niet 10 A, maar 12,5 A bij een spanning van 100 kV .in dit geval moet niet alleen de generator ontworpen zijn voor een grotere stroom, maar zullen de draden van de elektrische lijn waar deze stroom doorheen gaat dikker moeten worden genomen, wat ook de kosten per lijn zal verhogen. Als er in de lijn en bij de wikkelingen van de generator draden zijn die zijn ontworpen voor een stroom van 10 A, dan is het duidelijk dat een stroom van 12,5 A een verhoogde opwarming in deze draden zal veroorzaken.

Dus hoewel de extra reactieve stroom brengt de reactieve energie van de generator over op reactieve belastingen en vice versa, maar veroorzaakt onnodige energieverliezen door de actieve weerstand van de draden.

In bestaande elektrische netwerken kunnen secties met blinde weerstand zowel in serie als parallel worden geschakeld met secties met actieve weerstand. Daarom moeten generatoren een hogere spanning en een grotere stroom ontwikkelen om naast nuttig actief vermogen ook reactief vermogen te creëren.

Uit wat er is gezegd, is duidelijk hoe belangrijk het is voor elektrificatie verhoging van de cosφ-waarde… De vermindering ervan wordt veroorzaakt door de opname van reactieve belastingen in het elektriciteitsnet. Elektromotoren of transformatoren die stationair of niet volledig belast zijn, creëren bijvoorbeeld aanzienlijke reactieve belastingen omdat ze een relatief hoge wikkelinductantie hebben. Om cosφ te verhogen is het belangrijk dat motoren en transformatoren op vollast draaien. Het bestaat verschillende manieren om cosφ te verhogen.

Concluderend merken we op dat alle drie de krachten met elkaar verbonden zijn door de volgende relatie:

dat wil zeggen, schijnbaar vermogen is niet de rekenkundige som van actief en reactief vermogen.Het is gebruikelijk om te zeggen dat de macht S de meetkundige som is van de machten P en Q.

Zie ook: Reactantie in de elektrotechniek