ספק כוח AC ואיבודי חשמל

ההספק של מעגל שיש לו רק התנגדויות אקטיביות נקרא ההספק הפעיל P. הוא מחושב כרגיל באמצעות אחת מהנוסחאות הבאות:

כוח פעיל מאפיין את הצריכה הבלתי הפיכה (הבלתי הפיכה) של האנרגיה הנוכחית.

בשלשלאות זרם חליפין יש הרבה יותר סיבות הגורמות לאובדני אנרגיה בלתי ניתנים לשחזור מאשר במעגלי DC. הסיבות הללו הן כדלקמן:

1. חימום החוט באמצעות זרם... עבור זרם ישר, חימום הוא כמעט הצורה היחידה של איבוד אנרגיה. ועבור זרם חילופין, שהוא זהה בערכו לזרם ישר, אובדן האנרגיה לחימום החוט גדול יותר עקב עליית ההתנגדות של החוט עקב אפקט פני השטח. הגבוה יותר תדר נוכחי, ככל שזה משפיע יותר אפקט פני השטח וההפסד הגדול יותר לחימום החוט.

2. הפסדים ליצירת זרמי מערבולת, הנקראים אחרת זרמי פוקו... זרמים אלו מושרים בכל הגופים המתכתיים בשדה מגנטי שנוצר על ידי זרם חילופין. מתוך פעולה זרמי מערבולת גופי מתכת מתחממים.ניתן לראות הפסדי זרם מערבולת משמעותיים במיוחד בליבות פלדה. הפסדי אנרגיה ליצירת זרמי מערבולת גדלים עם התדירות הגוברת.

זרמי מערבולת - בליבה מסיבית, b - בליבה למלרית

3. אובדן היסטרזה מגנטית... בהשפעת שדה מגנטי מתחלף, הליבות הפרומגנטיות ממוגנטות מחדש. במקרה זה מתרחש חיכוך הדדי של חלקיקי הליבה, וכתוצאה מכך הליבה מתחממת. ככל שהתדירות גדלה ההפסדים מ היסטרזה מגנטית גדל.

4. הפסדים בדיאלקטריים מוצקים או נוזליים... בדיאלקטריים כאלה, השדה החשמלי המתחלף גורם קיטוב של מולקולות, כלומר, מטענים מופיעים בצדדים מנוגדים של המולקולות, שווים בערכם אך שונים בסימן. מולקולות מקוטבות מסתובבות תחת פעולת השדה וחוות חיכוך הדדי. בגלל זה, הדיאלקטרי מתחמם. ככל שהתדירות גדלה, ההפסדים שלה גדלים.

5. הפסדי דליפת בידוד... החומרים המבודדים בהם נעשה שימוש אינם דיאלקטריים אידיאליים ונצפות בהם דליפות דליפות. במילים אחרות, התנגדות הבידוד, למרות שהיא גבוהה מאוד, אינה שווה לאינסוף. סוג זה של הפסד קיים גם בזרם ישר. במתחים גבוהים, ייתכן אפילו שמטענים יזרום לאוויר המקיף את החוט.

6. הפסדים כתוצאה מקרינה של גלים אלקטרומגנטיים... כל כבל AC פולט גלים אלקטרומגנטיים, וככל שהתדר עולה, האנרגיה של הגלים הנפלטים עולה בחדות (פרופורציונלית לריבוע התדר).גלים אלקטרומגנטיים עוזבים את המוליך באופן בלתי הפיך, ולכן צריכת האנרגיה עבור פליטת גלים שווה ערך להפסדים בהתנגדות אקטיבית כלשהי. באנטנות משדרי רדיו, סוג זה של אובדן הוא אובדן אנרגיה שימושי.

7. הפסדים עבור העברת כוח למעגלים אחרים... כתוצאה מכך תופעות של אינדוקציה אלקטרומגנטית מתח AC מסויים מועבר ממעגל אחד למשנהו שנמצא בקרבת מקום. במקרים מסוימים, כמו בשנאים, העברת אנרגיה זו מועילה.

ההתנגדות הפעילה של מעגל ה-AC לוקחת בחשבון את כל הסוגים המפורטים של הפסדי אנרגיה שאינם ניתנים לשחזור... עבור מעגל סדרתי, ניתן להגדיר את ההתנגדות הפעילה כיחס בין ההספק הפעיל, עוצמת כל ההפסדים לריבוע של הנוכחי:

לפיכך, עבור זרם נתון, ההתנגדות הפעילה של המעגל גדולה יותר, ככל שההספק הפעיל גדול יותר, כלומר, סך הפסדי האנרגיה גדולים יותר.

ההספק בקטע המעגל עם התנגדות אינדוקטיבית נקרא הספק תגובתי Q... הוא מאפיין את האנרגיה התגובתית, כלומר את האנרגיה שאינה נצרכת באופן בלתי הפיך, אלא רק מאוחסנת באופן זמני בשדה מגנטי. כדי להבדיל בינו לבין הספק פעיל, הספק תגובתי נמדד לא בוואטים, אלא בוולט-אמפר תגובתי (var או var)... מבחינה זו הוא נקרא בעבר נטול מים.

כוח תגובתי נקבע על ידי אחת הנוסחאות:

כאשר UL הוא המתח בקטע עם התנגדות אינדוקטיבית xL; אני הזרם בקטע הזה.

עבור מעגל סדרתי עם התנגדות אקטיבית ואינדוקטיבית, מושג הספק הכולל S מובא... הוא נקבע על ידי מכפלת מתח המעגל הכולל U והזרם I ומתבטא בוולט-אמפר (VA או VA)

ההספק בקטע עם התנגדות פעילה מחושב על ידי אחת מהנוסחאות לעיל או על ידי הנוסחה:

כאשר φ היא זווית הפאזה בין מתח U לזרם I.

מקדם cosφ הוא גורם ההספק... זה נקרא לעתים קרובות "קוסינוס פי"... גורם ההספק מראה כמה מההספק הכולל הוא כוח פעיל:

הערך של cosφ יכול להשתנות מאפס לאחדות, בהתאם ליחס בין התנגדות פעילה לתגובתית. אם יש רק אחד במעגל תגובתיות, אז φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 וההספק במעגל הוא תגובתי בלבד. אם יש רק התנגדות פעילה, אז φ = 0, cosφ = 1 ו- P = S, כלומר, כל ההספק במעגל הוא פעיל בלבד.

ככל שה-cosφ נמוך יותר, נתח ההספק הפעיל של ההספק הנראה קטן יותר וההספק התגובתי גבוה יותר. אבל עבודת הזרם, כלומר המעבר של האנרגיה שלו לסוג אחר של אנרגיה, מאופיינת רק בכוח פעיל. וכוח תגובתי מאפיין את האנרגיה הנעה בין הגנרטור לחלק התגובתי של המעגל.

עבור רשת החשמל, זה חסר תועלת ואפילו מזיק. יש לציין כי בהנדסת רדיו כוח תגובתי הכרחי ושימושי במספר מקרים. לדוגמה, במעגלים מתנודדים, שנמצאים בשימוש נרחב בהנדסת רדיו ומשמשים ליצירת תנודות חשמליות, עוצמתן של התנודות הללו היא כמעט תגובתי בלבד.
הדיאגרמה הווקטורית מראה כיצד שינוי cosφ משנה את זרם המקלט I בהספק שלו ללא שינוי.

דיאגרמת וקטור של זרמי מקלט בהספק קבוע וגורמי הספק שונים

כפי שניתן לראות, גורם ההספק cosφ הוא אינדיקטור חשוב למידת ניצול ההספק הכולל שפותח על ידי מחולל ה-EMF המתחלף... יש צורך לשים לב במיוחד לעובדה שב-cosφ <1 על המחולל ליצור מתח וזרם שהתוצר שלהם גדול מהספק פעיל. לדוגמה, אם ההספק הפעיל ברשת החשמל הוא 1000 קילוואט ו-cosφ = 0.8, ההספק הנראה יהיה שווה ל:

נניח שבמקרה זה ההספק האמיתי מתקבל במתח של 100 קילו וולט וזרם של 10 A. עם זאת, על הגנרטור לייצר מתח של 125 קילו וולט כדי שההספק הנראה יהיה

ברור ששימוש בגנרטור למתח גבוה יותר הוא חסרון ויתרה מכך, במתחים גבוהים יותר יהיה צורך לשפר את בידוד החוטים כדי למנוע דליפה מוגברת או התרחשות של נזק. זה יביא לעליית מחיר רשת החשמל.

הצורך להגדיל את מתח הגנרטור עקב נוכחות של כוח תגובתי אופייני למעגל סדרתי עם התנגדות אקטיבית ותגובתית. אם יש מעגל מקביל עם ענפים פעילים ותגובתיים, אז הגנרטור חייב ליצור יותר זרם ממה שצריך עם התנגדות פעילה אחת. במילים אחרות, הגנרטור טעון בזרם תגובתי נוסף.

לדוגמה, עבור הערכים שלעיל P = 1000 קילוואט, cosφ = 0.8 ו-S = ​​1250 קילוואט, כאשר הוא מחובר במקביל, הגנרטור צריך לתת זרם של לא 10 A, אלא 12.5 A במתח של 100 קילו וולט. .במקרה זה, לא רק הגנרטור חייב להיות מתוכנן לזרם גדול יותר, אלא גם את החוטים של הקו החשמלי שדרכו יועבר זרם זה יהיה צורך לקחת בעובי גדול יותר, מה שגם יעלה את העלות לקו. אם בקו ובפיתולי הגנרטור ישנם חוטים המיועדים לזרם של 10 A, אז ברור שזרם של 12.5 A יגרום לחימום מוגבר בחוטים אלו.

לפיכך, למרות התוספת זרם תגובתי מעביר את האנרגיה התגובתית מהגנרטור לעומסים תגובתיים ולהיפך, אך יוצר הפסדי אנרגיה מיותרים עקב ההתנגדות הפעילה של החוטים.

ברשתות חשמל קיימות ניתן לחבר מקטעים בעלי התנגדות תגובתית הן בסדרה והן במקביל למקטעים בעלי התנגדות אקטיבית. לכן, גנרטורים חייבים לפתח מתח מוגבר וזרם מוגבר כדי ליצור, בנוסף להספק פעיל שימושי, הספק תגובתי.

ממה שנאמר ברור עד כמה זה חשוב לחשמול הגדלת ערך cosφ... הפחתה שלו נגרמת על ידי הכללת עומסים תגובתיים ברשת החשמל. לדוגמה, מנועים חשמליים או שנאים במצב סרק או לא עמוס במלואו יוצרים עומסים תגובתיים משמעותיים מכיוון שיש להם השראות פיתול גבוהה יחסית. כדי להגדיל את העלות, חשוב שהמנועים והשנאים יפעלו בעומס מלא. זה קיים מספר דרכים להגדיל את העלות.

לסיכום, נציין שכל שלושת הכוחות קשורים זה בזה על ידי היחס הבא:

כלומר, כוח לכאורה אינו הסכום האריתמטי של כוח פעיל ותגובתי.נהוג לומר שהחזקה S היא הסכום הגיאומטרי של החזקות P ו-Q.

ראה גם: תגובתיות בהנדסת חשמל