Напајање наизменичном струјом и губици струје

Снага кола које има само активне отпоре назива се активна снага П. Израчунава се као и обично помоћу једне од следећих формула:

Активна снага карактерише неповратну (неповратну) потрошњу струје струје.

У ланцима наизменична струја постоји много више узрока који изазивају непоправљиве губитке енергије него у ДЦ колима. Ови разлози су следећи:

1. Загревање жице струјом... За једносмерну струју, грејање је скоро једини облик губитка енергије. А за наизменичну струју, која је иста по вредности са једносмерном, губитак енергије за загревање жице је већи због повећања отпора жице услед површинског ефекта. Више фреквенција струје, што више утиче површински ефекат а већи губитак за загревање жице.

2. Губици који стварају вртложне струје, иначе зване Фоуцаултове струје... Ове струје се индукују у свим металним телима у магнетном пољу које генерише наизменична струја. Од акције вртложне струје метална тела се загревају.Посебно значајни губици вртложним струјама могу се уочити у челичним језграма. Губици енергије за стварање вртложних струја расту са повећањем фреквенције.

Вртложне струје — у масивном језгру, б — у ламеларном језгру

3. Губитак магнетне хистерезе... Под утицајем наизменичног магнетног поља феромагнетна језгра се ремагнетишу. У овом случају долази до међусобног трења честица језгра, услед чега се језгро загрева. Како фреквенција повећава губитке од магнетна хистереза расте.

4. Губици у чврстим или течним диелектрицима... У таквим диелектрицима наизменично електрично поље изазива поларизација молекула, односно наелектрисања се појављују на супротним странама молекула, једнака по вредности, али различита по предзнаку. Поларизовани молекули ротирају под дејством поља и доживљавају међусобно трење. Због тога се диелектрик загрева. Како се фреквенција повећава, њени губици се повећавају.

5. Губици због цурења изолације… Коришћене изолационе супстанце нису идеални диелектрици и у њима се примећују цурења. Другим речима, отпор изолације, иако веома висок, није једнак бесконачности. Ова врста губитка постоји и код једносмерне струје. При високим напонима, чак је могуће да наелектрисања теку у ваздух који окружује жицу.

6. Губици услед зрачења електромагнетних таласа… Било који кабл за наизменичну струју емитује електромагнетне таласе, а како се фреквенција повећава, енергија емитованих таласа нагло расте (пропорционално квадрату фреквенције).Електромагнетни таласи неповратно напуштају проводник, па је стога потрошња енергије за емитовање таласа еквивалентна губицима у неком активном отпору. У антенама радио предајника, ова врста губитка је користан губитак енергије.

7. Губици за пренос снаге на друга кола... Као последица појаве електромагнетне индукције нека снага наизменичне струје се преноси са једног кола на друго које се налази у близини. У неким случајевима, као што су трансформатори, овај пренос енергије је користан.

Активни отпор кола наизменичне струје узима у обзир све наведене врсте ненадокнадивих губитака енергије... За серијско коло, активни отпор можете дефинисати као однос активне снаге, јачине свих губитака према квадрату струја:

Дакле, за дату струју, активни отпор кола је већи, што је већа активна снага, односно већи су укупни губици енергије.

Снага у делу кола са индуктивним отпором назива се реактивна снага К... Она карактерише реактивну енергију, односно енергију која се не троши неповратно, већ се само привремено складишти у магнетном пољу. Да бисмо га разликовали од активне снаге, реактивна снага се мери не у ватима, већ у реактивним волт-амперима (вар или вар)... У том погледу, раније се звала безводна.

Реактивна снага се одређује по једној од формула:

где је УЛ напон у делу са индуктивним отпором кЛ; Ја сам струја у овој секцији.

За серијско коло са активним и индуктивним отпором уводи се концепт укупне снаге С... Одређује се производом укупног напона кола У и струје И и изражава се у волт-амперима (ВА или ВА)

Снага у делу са активним отпором израчунава се по једној од горњих формула или по формули:

где је φ фазни угао између напона У и струје И.

Коефицијент цосφ је фактор снаге... Често се назива «косинус фи»… Фактор снаге показује колики је део укупне снаге активна снага:

Вредност цосφ може да варира од нуле до јединице, у зависности од односа између активног и реактивног отпора. Ако је у колу само један реактивност, тада је φ = 90 °, цосφ = 0, П = 0 и снага у колу је чисто реактивна. Ако постоји само активни отпор, онда је φ = 0, цосφ = 1 и П = С, то јест, сва снага у колу је чисто активна.

Што је нижи цосφ, мањи је удео активне снаге у привидној снази и већа је реактивна снага. Али рад струје, односно прелазак њене енергије у неку другу врсту енергије, карактерише само активна снага. А реактивна снага карактерише енергију која флуктуира између генератора и реактивног дела кола.

За електричну мрежу је бескорисно, па чак и штетно. Треба напоменути да је у радиотехници реактивна снага неопходна и корисна у великом броју случајева. На пример, у осцилаторним колима, која се широко користе у радиотехници и користе се за генерисање електричних осцилација, јачина ових осцилација је скоро чисто реактивна.
Векторски дијаграм показује како промена цосφ мења струју пријемника И са непромењеном снагом.

Векторски дијаграм струја пријемника при константној снази и различитим факторима снаге

Као што се види, фактор снаге цосφ је важан показатељ степена искоришћености укупне снаге коју развија наизменични ЕМФ генератор... Посебно је потребно обратити пажњу на то да при цосφ <1 генератор мора да ствара напон и струја чији је производ већи од активне снаге. На пример, ако је активна снага у електричној мрежи 1000 кВ и цосφ = 0,8, тада ће привидна снага бити једнака:

Претпоставимо да се у овом случају стварна снага добија при напону од 100 кВ и струји од 10 А. Међутим, генератор мора да генерише напон од 125 кВ да би привидна снага била

Јасно је да је употреба генератора за већи напон штетна и, штавише, на вишим напонима биће потребно побољшати изолацију жица како би се избегло повећано цурење или појава оштећења. То ће довести до повећања цене електричне мреже.

Потреба за повећањем напона генератора због присуства реактивне снаге је карактеристична за серијско коло са активним и реактивним отпором. Ако постоји паралелно коло са активним и реактивним гранама, онда генератор мора створити више струје него што је потребно са једним активним отпором. Другим речима, генератор је оптерећен додатном реактивном струјом.

На пример, за горе наведене вредности П = 1000 кВ, цосφ = 0,8 и С = 1250 кВА, када је повезан паралелно, генератор треба да даје струју не 10 А, већ 12,5 А на напону од 100 кВ .у овом случају, не само да генератор мора бити пројектован за већу струју, већ ће се жице електричне линије кроз које ће се ова струја преносити морати узети са већом дебљином, што ће такође повећати цену по линији. Ако у линији и на намотајима генератора постоје жице дизајниране за струју од 10 А, онда је јасно да ће струја од 12,5 А изазвати повећано загревање у овим жицама.

Тако, иако екстра реактивна струја преноси реактивну енергију са генератора на реактивна оптерећења и обрнуто, али ствара непотребне губитке енергије због активног отпора жица.

У постојећим електричним мрежама секције са реактивним отпором могу се повезати и серијски и паралелно са одељцима са активним отпором. Због тога генератори морају развити повећан напон и повећану струју да би, поред корисне активне снаге, створили и реактивну снагу.

Из реченог је јасно колико је то важно за електрификацију повећање вредности цосφ… Његово смањење је узроковано укључивањем реактивних оптерећења у електричну мрежу. На пример, електромотори или трансформатори који раде у празном ходу или нису потпуно оптерећени стварају значајна реактивна оптерећења јер имају релативно високу индуктивност намотаја. Да би се повећао цосφ, важно је да мотори и трансформатори раде при пуном оптерећењу. Постоји неколико начина за повећање цосφ.

У закључку напомињемо да су све три силе међусобно повезане следећом релацијом:

односно привидна снага није аритметички збир активне и реактивне снаге.Уобичајено је рећи да је степен С геометријски збир степена П и К.

Такође видети: Реактанца у електротехници