Alimentació de CA i pèrdues de potència

La potència d'un circuit que només té resistències actives s'anomena potència activa P. Es calcula com és habitual mitjançant una de les fórmules següents:

La potència activa caracteritza el consum irreversible (irreversible) d'energia actual.

En cadenes corrent altern hi ha moltes més causes que provoquen pèrdues d'energia irrecuperables que en els circuits de corrent continu. Aquests motius són els següents:

1. Escalfament del cable amb corrent... Per al corrent continu, la calefacció és gairebé l'única forma de pèrdua d'energia. I per al corrent altern, que és el mateix en valor que el corrent continu, la pèrdua d'energia per escalfar el cable és més gran a causa de l'augment de la resistència del cable a causa de l'efecte superficial. Com més alt freqüència actual, més afecta efecte superficial i la major pèrdua per escalfar el cable.

2. Pèrdues per crear corrents de Foucault, també anomenats corrents de Foucault... Aquests corrents s'indueixen en tots els cossos metàl·lics en un camp magnètic generat per corrent altern. Des de l'acció corrents de Foucault els cossos metàl·lics s'escalfen.Es poden observar pèrdues de corrents de Foucault especialment significatives als nuclis d'acer. Les pèrdues d'energia per crear corrents de Foucault augmenten amb l'augment de la freqüència.

Corrents de Foucault - en un nucli massiu, b - en un nucli lamel·lar

3. Pèrdua d'histèresi magnètica... Sota la influència d'un camp magnètic altern, els nuclis ferromagnètics es remagneteixen. En aquest cas, es produeix la fricció mútua de les partícules del nucli, com a resultat de la qual cosa el nucli s'escalfa. A mesura que augmenta la freqüència les pèrdues de histèresi magnètica està creixent.

4. Pèrdues en dielèctrics sòlids o líquids... En aquests dielèctrics, el camp elèctric altern provoca polarització de molècules, és a dir, les càrregues apareixen als costats oposats de les molècules, iguals en valor però diferents en signe. Les molècules polaritzades giren sota l'acció del camp i experimenten fricció mútua. A causa d'això, el dielèctric s'escalfa. A mesura que augmenta la freqüència, augmenten les seves pèrdues.

5. Pèrdues per fuites d'aïllament... Les substàncies aïllants utilitzades no són dielèctrics ideals i s'hi observen fuites. És a dir, la resistència d'aïllament, encara que molt alta, no és igual a l'infinit. Aquest tipus de pèrdues també existeix en corrent continu. A alts voltatges, fins i tot és possible que les càrregues flueixin a l'aire que envolta el cable.

6. Pèrdues per radiació d'ones electromagnètiques... Qualsevol cable de CA emet ones electromagnètiques, i a mesura que augmenta la freqüència, l'energia de les ones emeses augmenta bruscament (proporcionalment al quadrat de la freqüència).Les ones electromagnètiques surten irreversiblement del conductor i, per tant, el consum d'energia per a l'emissió d'ones equival a pèrdues en alguna resistència activa. En les antenes d'emissores de ràdio, aquest tipus de pèrdua és una pèrdua d'energia útil.

7. Pèrdues per transmissió de potència a altres circuits... Com a conseqüència Fenòmens d'inducció electromagnètica part de la potència de CA es transfereix d'un circuit a un altre situat a prop. En alguns casos, com en els transformadors, aquesta transferència d'energia és beneficiosa.

La resistència activa del circuit de CA té en compte tots els tipus enumerats de pèrdues d'energia no recuperables... Per a un circuit en sèrie, podeu definir la resistència activa com la relació de potència activa, la força de totes les pèrdues al quadrat de l'actual:

Així, per a un corrent donat, la resistència activa del circuit és més gran, com més gran és la potència activa, és a dir, més grans són les pèrdues totals d'energia.

La potència a la secció del circuit amb resistència inductiva s'anomena potència reactiva Q... Caracteritza l'energia reactiva, és a dir, l'energia que no es consumeix irremeiablement, sinó que només s'emmagatzema temporalment en un camp magnètic. Per distingir-la de la potència activa, la potència reactiva no es mesura en watts, sinó en volt-amperes reactius (var o var)... En aquest sentit, abans s'anomenava anhidre.

La potència reactiva ve determinada per una de les fórmules:

on UL és la tensió a la secció amb resistència inductiva xL; I és l'actual en aquesta secció.

Per a un circuit en sèrie amb resistència activa i inductiva, s'introdueix el concepte de potència total S... Es determina pel producte de la tensió total del circuit U i la intensitat I i s'expressa en volt-amperes (VA o VA)

La potència a la secció amb resistència activa es calcula mitjançant una de les fórmules anteriors o per la fórmula:

on φ és l'angle de fase entre la tensió U i el corrent I.

El coeficient de cosφ és el factor de potència... Sovint s'anomena «cosinus phi»... El factor de potència mostra quant de la potència total és potència activa:

El valor de cosφ pot variar de zero a la unitat, depenent de la relació entre la resistència activa i la reactiva. Si només n'hi ha un al circuit reactivitat, aleshores φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 i la potència del circuit és purament reactiva. Si només hi ha resistència activa, aleshores φ = 0, cosφ = 1 i P = S, és a dir, tota la potència del circuit és purament activa.

Com més baix sigui el cosφ, menor serà la quota de potència activa de la potència aparent i més gran serà la potència reactiva. Però el treball del corrent, és a dir, la transició de la seva energia a algun altre tipus d'energia, es caracteritza només per la potència activa. I la potència reactiva caracteritza l'energia que oscil·la entre el generador i la part reactiva del circuit.

Per a la xarxa elèctrica, és inútil i fins i tot nociu. Cal tenir en compte que en enginyeria de ràdio la potència reactiva és necessària i útil en diversos casos. Per exemple, en els circuits oscil·lants, que s'utilitzen àmpliament en enginyeria de ràdio i s'utilitzen per generar oscil·lacions elèctriques, la força d'aquestes oscil·lacions és gairebé purament reactiva.
El diagrama vectorial mostra com el canvi de cosφ canvia el corrent del receptor I amb la seva potència sense canvis.

Diagrama vectorial dels corrents del receptor a potència constant i diversos factors de potència

Com es pot veure, el factor de potència cosφ és un indicador important del grau d'aprofitament de la potència total desenvolupada pel generador de CEM altern... Cal prestar especial atenció al fet que a cosφ <1 el generador ha de crear una tensió i un corrent el producte dels quals és superior a la potència activa. Per exemple, si la potència activa a la xarxa elèctrica és de 1000 kW i cosφ = 0,8, aleshores la potència aparent serà igual a:

Suposem que en aquest cas la potència real s'obté a una tensió de 100 kV i un corrent de 10 A. Tanmateix, el generador ha de generar una tensió de 125 kV perquè la potència aparent sigui

És evident que l'ús d'un generador per a una tensió més alta és desavantatge i, a més, a tensions més altes caldrà millorar l'aïllament dels cables per evitar un augment de les fuites o l'aparició de danys. Això comportarà un augment del preu de la xarxa elèctrica.

La necessitat d'augmentar la tensió del generador a causa de la presència de potència reactiva és característica d'un circuit en sèrie amb resistència activa i reactiva. Si hi ha un circuit paral·lel amb branques actives i reactives, el generador ha de crear més corrent del que es necessita amb una sola resistència activa. En altres paraules, el generador està carregat amb un corrent reactiu addicional.

Per exemple, per als valors anteriors P = 1000 kW, cosφ = 0,8 i S = 1250 kVA, quan es connecta en paral·lel, el generador hauria de donar un corrent no de 10 A, sinó de 12,5 A a una tensió de 100 kV. .en aquest cas, no només s'ha de dissenyar el generador per a un corrent més gran, sinó que els cables de la línia elèctrica per on es transmetrà aquest corrent s'hauran d'agafar amb un gruix més gran, fet que també augmentarà el cost per línia. Si a la línia i als bobinatges del generador hi ha cables dissenyats per a un corrent de 10 A, està clar que un corrent de 12,5 A provocarà un augment de l'escalfament en aquests cables.

Així, encara que l'extra corrent reactiu transfereix l'energia reactiva del generador a les càrregues reactives i viceversa, però crea pèrdues d'energia innecessàries a causa de la resistència activa dels cables.

A les xarxes elèctriques existents, els trams amb resistència reactiva es poden connectar tant en sèrie com en paral·lel amb els trams amb resistència activa. Per tant, els generadors han de desenvolupar una tensió i un corrent augmentats per crear, a més de la potència activa útil, potència reactiva.

Pel que s'ha dit, queda clar com d'important és per a l'electrificació augmentant el valor del cosφ… La seva reducció es produeix per la inclusió de càrregues reactives a la xarxa elèctrica. Per exemple, els motors elèctrics o transformadors que estan al ralentí o no estan completament carregats creen càrregues reactives importants perquè tenen una inductància de bobinat relativament alta. Per augmentar el cosφ, és important que els motors i transformadors funcionin a plena càrrega. Existeix diverses maneres d'augmentar el cosφ.

En conclusió, observem que les tres forces estan interconnectades per la següent relació:

és a dir, la potència aparent no és la suma aritmètica de la potència activa i reactiva.S'acostuma a dir que la potència S és la suma geomètrica de les potències P i Q.

Vegeu també: Reactància en enginyeria elèctrica