القوة النشطة (ف)
بعبارة أخرى ، يمكن تسمية القوة النشطة: قوة فعلية ، حقيقية ، مفيدة ، حقيقية. في دائرة التيار المستمر ، تُعرَّف الطاقة التي تزود حمل التيار المستمر بأنها المنتج البسيط للجهد عبر الحمل وتدفق التيار ، أي
لأنه في دائرة التيار المستمر لا يوجد مفهوم لزاوية الطور بين التيار والجهد. بمعنى آخر ، لا يوجد عامل قدرة في دائرة التيار المستمر.
ولكن مع الإشارات الجيبية ، أي في دوائر التيار المتردد ، يكون الوضع أكثر تعقيدًا بسبب وجود فرق طور بين التيار والجهد. لذلك ، يتم تعريف متوسط قيمة الطاقة (الطاقة النشطة) التي تشغل الحمل فعليًا على النحو التالي:
في دائرة التيار المتردد ، إذا كانت نشطة تمامًا (مقاومة) ، فإن صيغة الطاقة هي نفسها بالنسبة للتيار المباشر: P \ u003d U I.
صيغ القوة النشطة
P = U I - في دوائر التيار المستمر
P = U I cosθ - في دوائر التيار المتردد أحادية الطور
P = √3 U L I L cosθ - في دوائر التيار المتردد ثلاثية الطور
P = 3 U Ph I Ph cosθ
P \ u003d √ (S 2 - Q 2) أو
P = √ (VA 2 - var 2) أو
القوة النشطة = (القوة الظاهرة 2 - القوة التفاعلية 2) أو
كيلوواط = √ (كيلو فولت أمبير 2 - كفار 2)
قوة رد الفعل (س)
سيكون من القوي أيضًا أن نطلق عليها اسم قوة عديمة الفائدة أو عديمة الطاقة.
تُعرف القوة التي تتدفق باستمرار ذهابًا وإيابًا بين المصدر والحمل بالقدرة التفاعلية (Q).
الطاقة التفاعلية هي الطاقة التي يتم استهلاكها ثم إرجاعها بواسطة الحمل بسبب خصائصها التفاعلية. وحدة الطاقة النشطة هي واط ، 1 واط = 1 فولت × 1 أ. الطاقة قوة رد الفعلتراكمت أولاً ثم تم إصدارها باسم حقل مغناطيسيأو مجال كهربائي في حالة محث أو مكثف ، على التوالي.
يتم تعريف القوة التفاعلية على أنها
ويمكن أن تكون موجبة (+ Ue) للأحمال الاستقرائية والسالبة (-Ue) للأحمال السعوية.
وحدة القدرة التفاعلية هي الفولت أمبير التفاعلي (var): 1 var = 1 V x 1 A. ببساطة ، تحدد وحدة القدرة التفاعلية حجم المجال المغناطيسي أو الكهربائي الناتج بواسطة 1 V x 1 A.
صيغ القوة التفاعلية
القوة التفاعلية = (القوة الظاهرة 2 - القوة النشطة 2)
فار \ u003d √ (VA 2 - P 2)
kvar = √ (kVA 2 - kW 2)
إجمالي الطاقة (S)
القوة الظاهرة هي نتاج الجهد والتيار ، متجاهلة زاوية الطور بينهما. كل طاقة التيار المتردد الرئيسية (المشتتة والممتصة / المرتجعة) ظاهرة.
يسمى الجمع بين القوة التفاعلية والقوة النشطة بالقوة الظاهرة. يُطلق على ناتج القيمة الفعالة للجهد والقيمة الفعالة للتيار في دائرة تيار متناوب القدرة الظاهرة.
إنه نتاج قيم الجهد والتيار دون النظر إلى زاوية الطور. وحدة القدرة الظاهرة (S) هي VA ، 1 VA = 1 V x 1 A. إذا كانت الدائرة نشطة تمامًا ، فإن القدرة الظاهرة تساوي الطاقة النشطة ، وفي دائرة حثي أو سعوية (في وجود مفاعلة) ) ، القوة الظاهرة أكبر من القوة النشطة.
صيغة لإجمالي القوة
القوة الظاهرة = (القوة التفاعلية 2 + القوة التفاعلية 2)
kUA = √ (kW 2 + kUAR 2)
وتجدر الإشارة إلى أن:
- يستهلك المقاوم الطاقة النشطة ويمنحها في شكل حرارة وضوء.
- يأخذ الحث القدرة التفاعلية ويعيدها في شكل مجال مغناطيسي.
- يأخذ المكثف الطاقة التفاعلية ويطلقها في شكل مجال كهربائي.
لمهندسي الطاقة للمؤسسات والكبيرة مراكز التسوقليس هناك شك في وجود الطاقة التفاعلية. الفواتير الشهرية والأموال الحقيقية التي يتم دفعها رد الفعل الكهرباء يقنع بحقيقة وجودها. لكن بعض المهندسين الكهربائيين بجدية ، بحسابات رياضية ، أثبتوا أن هذا النوع من الكهرباء خيال ، هذا الفصل طاقة كهربائيةإلى مكونات نشطة ومتفاعلة بشكل مصطنع.
لنحاول وسنفهم هذه المسألة خاصة وأن الجهل بالاختلافات أنواع مختلفةيتكهن صناع الكهرباء. وعدوا باهتمام كبير ، فهم بوعي أو بدون قصد يستبدلون نوعًا واحدًا من الطاقة الكهربائية بآخر.
لنبدأ بمفاهيم الكهرباء النشطة والمتفاعلة.بدون الخوض في غابة معادلات الهندسة الكهربائية ، من الممكن تحديدها الطاقة النشطة كالتي تعمل: يسخن الطعام على المواقد الكهربائية ، ويضيء غرفتك ، ويبرد الهواء باستخدام مكيف الهواء. وتخلق الكهرباء التفاعلية الظروف اللازمة للقيام بمثل هذا العمل.لن تكون هناك قوة تفاعلية ، ولن تتمكن المحركات من الدوران ، ولن تعمل الثلاجة. لن تتلقى أماكن عملك جهدًا كهربائيًا قدره 220 فولت ، حيث لا يعمل محول طاقة واحد دون استهلاك الكهرباء التفاعلية.
إذا تم ملاحظة إشارات التيار والجهد في وقت واحد على راسم الذبذبات ، فإن هذين الجيوب الأنفية لهما دائمًا تحول بالنسبة لبعضهما البعض بمقدار يسمى زاوية المرحلة. هذا التحول هو الذي يميز مساهمة الطاقة التفاعلية في إجمالي الطاقة التي يستهلكها الحمل. من خلال قياس التيار فقط في الحمل ، من المستحيل عزل الجزء التفاعلي من الطاقة.
بالنظر إلى أن الطاقة التفاعلية لا تعمل ، يمكن توليدها في مكان الاستهلاك. هذا هو الغرض من المكثفات. الحقيقة هي أن الملفات والمكثفات تستهلك أنواع مختلفةالطاقة التفاعلية: حثي وسعوي ، على التوالي.يقومون بتحويل منحنى التيار بالنسبة للجهد في اتجاهين متعاكسين.
بسبب هذه الظروف يمكن اعتبار المكثف مستهلكًا للطاقة السعوية أو مولدًا حثيًا.بالنسبة للمحرك الذي يستهلك طاقة استقرائية ، يمكن أن يصبح المكثف الموجود في مكان قريب مصدره. هذه الانعكاسية ممكنة فقط لعناصر الدائرة التفاعلية التي لا تعمل. بالنسبة للطاقة النشطة ، لا توجد مثل هذه القابلية للانعكاس: يرتبط توليدها بتكاليف الوقود. بعد كل شيء ، قبل القيام بالعمل ، تحتاج إلى إنفاق الطاقة.
في الظروف المحلية ، لا تفرض مؤسسات نقل الطاقة رسومًا على الطاقة التفاعلية ، ولا يحسب عداد منزلي سوى المكون النشط للطاقة الكهربائية. الوضع مختلف تمامًا في المؤسسات الكبيرة: عدد كبير منمحركات كهربائية، آلة لحاموالمحولات التي تتطلب طاقة تفاعلية للعمل ، تخلق حملًا إضافيًا على خطوط الكهرباء. في الوقت نفسه ، يزداد فقدان التيار والحرارة للطاقة النشطة بالفعل.
في هذه الحالات ، يتم أخذ استهلاك الطاقة التفاعلية في الاعتبار بواسطة العداد ويتم دفعها بشكل منفصل. تكلفة الكهرباء التفاعلية أقل من تكلفة الكهرباء النشطة ، ولكن مع وجود كميات كبيرة من استهلاكها ، يمكن أن تكون المدفوعات كبيرة للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم فرض غرامات على استهلاك الطاقة التفاعلية التي تتجاوز القيم المتفق عليها. لذلك ، من المفيد اقتصاديًا لمثل هذه المؤسسات توليد هذه الطاقة في مكان استهلاكها.
لهذا الغرض ، يتم استخدام إما المكثفات الفردية ، أو إعدادات التعويض التلقائي التي تراقب أحجام الاستهلاك وتوصيل أو فصل بنوك المكثفات. حديث أنظمة التعويضتسمح بتقليل استهلاك الطاقة التفاعلية من الشبكة الخارجية بشكل كبير.
بالعودة إلى السؤال في عنوان المقال يمكنك الإجابة عليه بالإيجاب. الطاقة التفاعلية موجودة. بدونها ، يكون تشغيل التركيبات الكهربائية التي يتم فيها إنشاء مجال مغناطيسي أمرًا مستحيلًا. بدون القيام بعمل مرئي ، فهو مع ذلك شرط ضروري لأداء العمل الذي يتم تنفيذه بواسطة الطاقة الكهربائية النشطة.
كما هو الحال في النظرية العامة للحركات التذبذبية ، فإن المخططات المتجهية ذات فائدة كبيرة في نظرية التيارات المتناوبة. من الواضح أن القوة الدافعة الكهربائية المتغيرة جيبيًا
يمكن تصويره على أنه إسقاط على المحور الإحداثي لمتجه يدور عكس اتجاه عقارب الساعة بسرعة زاوية ، يكون طولها متساويًا ويتزامن موضعها الأولي في الوقت الحالي مع محور الإحداثي.
دعونا نسأل أنفسنا كيف سيمثل الرسم البياني المتجه التيار المتدفق تحت تأثير القوة الدافعة الكهربائية الجيبية من خلال ملف مع محاثة
أرز. 341. مخطط متجه لحالة المقاومة الاستقرائية.
أرز. 342. مخطط متجه لحالة السعة.
لقد رأينا أن التيار في هذه الحالة يتخلف عن الجهد بمقدار ربع فترة. سيتم تمثيل فترة ربع الفترة الفاصلة في مخطط متجه بتأخر متجه التيار بحيث يكون متجه التيار "الاستقرائي" عموديًا على متجه الجهد (الشكل 341) ، متخلفًا عنه بمقدار 90. قيمة متجه التيار "الاستقرائي" هذا المتجه
إذا كنا نتعامل مع مرور تيار متناوب عبر مكثف ، فإن التيار يسبق القوة الدافعة الكهربائية بربع الفترة. هذا يعني أن المتجه الذي يمثل التيار "السعوي" يجب أن يكون متقدمًا على متجه الجهد الموجود (الشكل 342). يتم تحديد قيمة هذا المتجه ، كما رأينا أعلاه ، من خلال العلاقة
في حالة المقاومة الأومية النشطة ، يكون التيار في الطور مع الجهد. هذا يعني أن متجه التيار يتطابق مع متجه الجهد ، وبالطبع يتحدد حجمه بقانون أوم.
التيار الذي يتزامن متجه مع متجه الجهد يسمى التيار النشط. التيارات ، نواقلها التي تتخلف عن متجه الجهد أو تقودها ، تسمى التيارات التفاعلية. يفسر اختيار مثل هذا الاسم بحقيقة أن التيارات النشطة هي التي تحدد استهلاك الطاقة لدائرة التيار المتناوب ، في حين أن إثارة التيار التفاعلي (أي التيار الذي يتخلف عن الجهد أو يقوده بواسطة a ربع الفترة) يستهلك المولد نفس الكمية خلال كل ربع من فترة الطاقة ، وكم في الربع التالي من الفترة يعيد هذا التيار التفاعلي للمولد (انظر الشكل 337) ؛ نتيجة لذلك ، اتضح أن التيار التفاعلي لا ينتج عملًا.
في حالة أكثر عمومية ، عندما يتم تحديد تحول الطور بين التيار والجهد بالزاوية (بالراديان) ، فإن العمل الذي يقوم به التيار المتردد في عدد صحيح (أو نصف عدد صحيح) من الفترات يتناسب مع
في الواقع ، دع التيار يتخلف عن الجهد بزاوية
ثم يتم تحديد العمل الحالي للفترة بالتكامل
ومتوسط الطاقة التي يستهلكها التيار يتحدد بنسبة هذا العمل إلى مدة الفترة:
إذا قدمنا القيم الفعالة للتيار والجهد ، إذن
على سبيل المثال ، مع التيارات التفاعلية البحتة ، تكون الطاقة المنقولة عبر الدائرة الكهربائية من المولد إلى الحمل في المتوسط تساوي الصفر.
بالنسبة لأي قيم معينة للجهد والتيار ، فكلما قل فرق الطور بينهما ، وبالتالي كلما اقتربنا من الوحدة ، زادت الطاقة المنقولة بالتيار من المولد إلى الحمل ؛ لذلك يسمى عامل القدرة للدائرة.
في كثير من الحالات ، هناك حاجة إلى التيارات التفاعلية. لذلك ، إذا قمنا بتغذية مغناطيس كهربائي بتيار متناوب ، مصمم ، على سبيل المثال ، لرفع الأجسام الحديدية ، فإن ملف المغناطيس الكهربائي ، الذي يمثل في الحالة المثالية مقاومة استقرائية بحتة ، سوف يستهلك تيارًا تفاعليًا من الشبكة التي تتخلف عن جهد التيار الكهربائي بواسطة
ومع ذلك ، في معظم الحالات ، لا سيما عند توفير المحولات المستخدمة لتحويل الفولتية المتناوبة ، يكون التيار النشط مهمًا ، والذي يتم إنشاؤه عند تحميل الملف الثانوي للمحول (§ 84). إن التيار التفاعلي ، الضروري لإنشاء مجال مغناطيسي في قلب المحول ، هو ، في جوهره ، شخصية مساعدة ؛ لا ينتج أي منها بشكل مباشر عمل مفيد.
لنفترض أن عددًا كبيرًا من المحولات متصلة بالشبكة ، كما هو الحال غالبًا. كل واحد منهم يستهلك تيارًا تفاعليًا معروفًا لإنشاء المجال المغناطيسي للنواة. هذا يقلل بشكل كبير من معامل القدرة للتركيب.
ومع ذلك ، من الممكن تحقيق تزامن متجه التيار مع متجه الجهد ، باستخدام ظاهرة الرنين (§ 83). للقيام بذلك ، بالإضافة إلى المحولات ، يتم تضمين السعة C أيضًا في الشبكة ، واختيارها بحيث يكون تيارها التفاعلي مساويًا للتيار التفاعلي الكلي للمحولات.
ثم سيتدفق التيار النشط فقط في الدائرة الخارجية ، بينما تعمل التيارات التفاعلية للمحولات والسعة على تعويض بعضها البعض. سوف يدورون فقط في الدائرة: السعة - لفات المحولات ، دون الدخول إلى شبكة الإمداد ومولد محطة الطاقة. بالنسبة لخط الإمداد والمولد ، ستكون محطة الطاقة وظروف عملها هي الأفضل.
هذا الحدث له مغزى الأهمية الاقتصادية. من الواضح تمامًا أن محطة الطاقة وخطوط النقل غير المحملة بتيار تفاعلي عديم الفائدة يمكن تحميلها بتيارات نشطة إلى حد كبير.
وتجدر الإشارة إلى أن فكرة التيار التفاعلي كتيار يتم إزاحة طوره بالنسبة للجهد وبالتالي لا ينتج أي عمل في المتوسط وغير مصحوب بتبديد الطاقة (لأسلاك التدفئة) ، بالطبع ، هو مثال (تبسيط تخطيطي) للعمليات التي تحدث في الواقع عند تمرير التيار المتردد عبر الملفات أو المكثفات. الاستنتاج بأن أطوار التيارات التي تمر عبر ملف أو مكثف تختلف عن طور الجهد بمقدار 90 درجة لن يكون دقيقًا إلا إذا كان مرور هذه التيارات غير مرتبط بتسخين الأسلاك وخسائر أخرى (كما هو مقترح في الفقرة السابقة). لكن التيار الذي يمر عبر الملف ، فيما يتعلق بتسخين الأسلاك ، والذي يحدث وفقًا لقانون Joule-Lenz ، لا يختلف عن التيار النشط من نفس التردد (وعند التردد العالي ، مقاومة الملف اللف بسبب تأثير الجلد يمكن أن يكون مهمًا).
بالإضافة إلى ذلك ، يتم تبديد جزء من الطاقة الحالية بسبب فقد التباطؤ في قلب الملف (إن وجد) وتيارات فوكو في الموصلات المحيطة ، على سبيل المثال ، في "الشاشات" المعدنية التي توضع فيها ملفات الراديو. قد يحدث التسرب الحالي أيضًا بسبب العزل غير الكامل ، إلخ. كما يتم ملاحظة فقد الطاقة الحالية ، ولكن عادةً ما يكون أصغر من الملفات ، عندما يمر التيار عبر المكثفات. في هذه الحالة ، تكون ناتجة بشكل أساسي عن بعض التأخير في الوقت من قوة مجال الاستقطاب للعزل الكهربائي (في ذلك الجزء منه ، والذي يتأثر بـ
تأثير الحركة الحرارية الجزيئية) ، وأحيانًا وجود تيارات توصيل أيونية صغيرة في عازل المكثف.
بسبب الخسائر ، فإن التيار عبر ملف أو مكثف لا يكون أبدًا تفاعليًا بحتًا ، أي أن إزاحة الطور بالنسبة للجهد لا تساوي أبدًا تمامًا ، ولكنها دائمًا ما تكون أقل من الزاوية التي تسمى إبرة الخسارة. تحت تأثير الجهد في ملف مثالي ، يجب أن يتدفق تيار تفاعلي بحت بسعة - في الواقع ، كما هو موضح في نهاية الفقرة التالية (في شكل شرح لقانون أوم المعمم المشتق هناك) ، تيار متحمس مع السعة التي انخفضت بسبب الخسائر في قيمة هذا التيار الفعلي من خلال الملف هو مجموع التيار النشط والتيار التفاعلي الذي نشأ بسبب الخسائر
بسعة مخفضة إلى القيمة الموجودة في الشكل. 343. حسب التين. 343
أرز. 343. بسبب الخسائر ، يتناقص اتساع التيار عبر الملف إلى قيمة واتساع التيار التفاعلي - إلى قيمة حيث تكون زاوية الخسارة.
العلاقات المماثلة ونفس الرسم البياني صالحة أيضًا للتيار عبر المكثف. نظرًا لأن التيار النشط هو تيار يتزامن طوره مع الجهد ، فمن الواضح أن الطاقة المشتتة بسبب الخسائر تساوي نفس القوة ستتبدد في دائرة تتكون من ملف مثالي بنفس المحاثة وبعض المقاومة متصلة بـ سلسلة معها (تسمى مقاومة الخسارة) ، إذا تم تحديد هذه المقاومة على وجه التحديد من شرط المساواة بين السلطات المشتتة:
كما ذكر أعلاه،
لذلك ، اتضح أن
باستبدال قيمة السعة الحالية النشطة بالتعبير أعلاه عن ظل الخسارة ، نصل إلى صيغة تعتبر هي الصيغة الرئيسية عند تحليل تأثير الخسائر على الوضع الحالي المتناوب في الدوائر الكهربائية:
بمعنى اشتقاق هذه الصيغة ، من الواضح أن علاقة مماثلة صالحة أيضًا لمماس الخسارة في دائرة ذات مكثف
في حسابات الهندسة الراديوية ، غالبًا ما يتم استخدام مقلوب الخسارة ، وهو ما يسمى عامل الجودة للدائرة الكهربائية (انظر الصفحتين 460 و 485):
الخسائر في المحرِّضات الكبيرة تعتمد بشكل كبير على التصميم والخصائص المغناطيسية لللب وتصميم الملف. مع التصميم المناسب ، يجب معادلة الخسائر في القلب وفي الملف (لا تعتمد بشكل متساوٍ على التردد) إلى أقصى حد ممكن.
لتقليل الخسائر في تيارات فوكو ، يتم تجنيد النوى من صفائح رقيقة من حديد المحولات (0.5-0.35 مم) ، مغطاة بطبقة رقيقة (0.05 مم) من الورنيش لعزلها عن بعضها البعض. تبلغ الخسائر في مثل هذه النوى حوالي كل كيلوغرام من كتلة اللب. يتم اختيار حجم الأسلاك مع الأخذ في الاعتبار الزيادة في مقاومتها بسبب تأثير الجلد ، بحيث تكون الخسائر في اللف أثناء التشغيل مساوية تقريبًا للخسائر في القلب. إجمالي الخسائر في قلب ولف المحولات عالية الطاقة (في حدود 3-4٪ ، وفي المحولات ذات الطاقة العالية جدًا (بترتيب عدة أعشار من المائة)
لا تقل الخسائر في المحولات الصغيرة من النوع المختبر وفي محولات "القدرة" المستخدمة في المعدات الراديوية عادةً عن 10-12٪ (أكثر من 30٪) هي خسائر في الإختناقات ومحولات مضخم التردد الصوتي. لف المحولات لتردد الصوت التيارات تتكون من 2000-5000 دورة ولها محاثة
لفائف الدوائر الرنانة للترددات الراديوية محاثة بترتيب الألف (والموجات القصيرة ، المليون) من هنري. يتم إنشاء هذا المحاثة بواسطة عدد صغير نسبيًا من لفات الأسلاك بدون قلب مغناطيسي حديدي. في هذا الصدد ، تكون الخسائر في ملفات RF صغيرة - حوالي 1 ٪ (زاوية الخسارة الظل - من 0.02 إلى 0.005).
لا تتجاوز الخسائر في المكثفات (باستثناء المكثفات الإلكتروليتية) عادةً ما يتوافق مع ظل الفقد.في المكثفات الإلكتروليتية ، يمكن أن يصل ظل الفقد إلى 0.2.
من بين أفضل العوازل (وجود المقاومة النوعيةترتيب أوم سم) تبرز أصغر قيمةظل الخسارة: الكوارتز المنصهر ، الميكا المسكوفيت ، البارافين والبوليسترين ؛ بالنسبة لهم
لطالما كان الاعتماد العام للطاقة الكهربائية على التيار الكهربائي والجهد الكهربي معروفًا: هذا منتج. نضرب التيار في الجهد - نحصل على قيمة هذه الكمية التي تستهلكها الدائرة من الشبكة.
لكن في الواقع ، قد لا تكون الأمور بهذه البساطة. لأنه بمجرد ضرب الجهد في التيار ، نحصل على قيمة القوة الظاهرة. يبدو - هذا ما تحتاجه! بعد كل شيء ، نحن مهتمون عادة القيمة الكاملةاي حجم.
ومع ذلك ، لا يمكن أن يمتد هذا الموقف إلى الطاقة الكهربائية ، لأن الكهرباء والطاقة ، التي على أساسها تتغير قراءات عداد شقتنا ، ليست كاملة ، ولكنها نشطة.
الطاقة النشطة- هذه هي الطاقة التي يتم استهلاكها في الوقت الحالي عندما يكون هناك جهد ومتزامن في الشبكة في نفس اللحظة كهرباء. في الواقع ، في دارات التيار المستمر ، باستثناء عابري التشغيل والتوقف ، هذا هو بالضبط ما يحدث.
الجهد "يضغط" باستمرار ، إذا كانت الدائرة مغلقة ، فإن تيارًا معينًا "يضغط" باستمرار. نتيجة لذلك ، تصبح القوة الظاهرة والنشطة متساوية ، حيث يعمل التيار والجهد في تناغم.
شيء آخر هو دوائر التيار المتردد. يتغير الجهد فيها اتجاهه خمسين مرة في الثانية ، والتيار ... يتأخر أحيانًا ، وأحيانًا متقدم على الجهد. على سبيل المثال ، إذا كان هناك "محاثة" في الدائرة ، أي ملف من الأسلاك به العديد من الدورات ، فإن التيار الموجود على عنصر الدائرة هذا سوف "يتأخر عن" الجهد.
السبب هو EMF الخلفي للحث الذاتي الذي يقاوم التغيير في التيار في الملف. اتضح أن الجهد قد تم تطبيقه بالفعل على المحرِّض ، ولا يمكن للتيار أن يزيد بأي شكل من الأشكال بسبب التداخل من EMF الخلفي.
بين طلاب العديد من الجامعات الكهربائية ، هناك مقارنة فنية: "يستغرق التيار وقتًا في كل منعطف ، والجهد موجود بالفعل في نهايات الملف."
تتسبب emf للحث المضاد في انخفاض الجهد وانخفاض التيار في الدائرة. أي أن الملف هو مصدر للمقاومة الاستقرائية. لكنها تختلف عن المقاومة النشطة من حيث أنه لا يتم توليد حرارة عليها ولا يتم استهلاك أي طاقة على الإطلاق بالمعنى المعتاد.
هناك ببساطة نقل "فارغ" للكهرباء من المصدر إلى المحاثة. والطاقة التي يتم إعادة توجيهها ذهابًا وإيابًا مثل كرة تنس الطاولة لا تترك الشبكة في أي مكان. هذه طاقة تفاعلية ولا يتعين على المستهلك في المنزل دفع ثمنها لشركة الإمداد بالطاقة.
الطاقة التفاعلية، المنتجة في الشبكة لكل وحدة زمنية ، يمكن اعتبارها قوة تفاعلية. يتم حسابه بنفس طريقة حساب العنصر النشط - من خلال ناتج المكون التفاعلي للتيار والجهد.
المكون التفاعلي للتيار لا يتطابق مع الجهد في مرحلته. تتميز قيمة "عدم التطابق" بزاوية تحول الطور. في حالة الحث الخالص ، يكون إزاحة الطور بحد أقصى -90 درجة. هذا يعني أنه عندما يصل الجهد إلى أعلى قيمته ، يبدأ التيار في الارتفاع.
وإذا كان المكثف (السعة) موجودًا في الدائرة ، فإن الجهد ، على العكس من ذلك ، سيتأخر عن التيار بمقدار 90 درجة نظرًا لحقيقة أنه من أجل حدوث انخفاض في الجهد ، يحتاج المكثف إلى شحن لوحاته.
بنفس الطريقة ، سيتبادل المصدر والمكثف في نفس الدائرة الطاقة التفاعلية ، والتي لن يتم إنفاقها على أي شيء.
في الدائرة الحقيقية ، لا يوجد حمل مقاوم بحت أو تفاعلي بحت ، وبالتالي فإن القوة الظاهرة تتكون دائمًا من مكون نشط ومتفاعل ، وتكون زاوية الطور بين صفر و 90 درجة.
المكون التفاعلي للتيار يساوي حاصل ضرب جيب زاوية إزاحة الطور ، والمكون النشط يساوي المنتج بجيب جيب التمام لهذه الزاوية:
س = أنا * الخطيئةφ ؛ P = I * cosφ
يمكن إيجاد القوة الكلية باستخدام نظرية فيثاغورس:
S = √ (P ^ 2 + Q ^ 2) ؛
في الوقت نفسه ، لا يمكن حساب القدرة التفاعلية ، على عكس القوة النشطة ، بالواط ، لأنها غير فعالة. لذلك ، بالنسبة للقدرة التفاعلية ، فقد توصلوا إلى وحدة قياس خاصة - الأمبيرات التفاعلية (VARs). ويقاس الإجمالي بالفولت أمبير ، دون تحديد طبيعة الحمل.
كما تعلم ، ينتج المولد نوعين من الطاقة الكهربائية - النشطة والمتفاعلة. يتم إنفاق الطاقة النشطة في الأفران الكهربائية والمصابيح والآلات الكهربائية والمستهلكين الآخرين ، وتتحول إلى أنواع أخرى من الطاقة - الحرارية والضوء والميكانيكية. لا يستهلك المستهلكون الطاقة التفاعلية ويتم إرجاعها عبر خط الإمداد إلى المولد. وهذا يستلزم زيادة في التيار المتدفق عبر ES ، وبالتالي ، يتطلب زيادة في منطقة المقطع العرضي.
تعويض القدرة التفاعلية
في الدوائر الكهربائية التي تحتوي على مقاومات مشتركة (حمل) ، على وجه الخصوص ، النشطة (المصابيح المتوهجة ، السخان الكهربائي ، إلخ) والحثية (المحركات الكهربائية ، محولات التوزيع ، معدات اللحام ، مصابيح الفلورسنت ، إلخ) ، إجمالي الطاقة المأخوذة من الشبكة ، يمكن التعبير عنها بالرسم البياني المتجه التالي:
يؤدي تأخر طور التيار من الجهد في العناصر الحثية إلى فترات زمنية (انظر الشكل). عندما يكون للجهد والتيار إشارات معاكسة: الجهد موجب والتيار سالب والعكس صحيح. في هذه اللحظات ، لا يستهلك الحمل الطاقة ، ولكن يتم إعادتها عبر الشبكة باتجاه المولد. في هذه الحالة ، تنتشر الكهرباء المخزنة في كل عنصر استقرائي عبر الشبكة ، ولا تتبدد في العناصر النشطة ، ولكنها تقوم بحركات تذبذبية (من الحمل إلى المولد والعكس). تسمى القوة المقابلة القوة التفاعلية.
إجمالي الطاقة هو مجموع الطاقة النشطة ، التي تؤدي عملاً مفيدًا ، والطاقة التفاعلية ، التي يتم إنفاقها على إنشاء مجالات مغناطيسية وخلق حمل إضافي على خطوط القوةتَغذِيَة. النسبة بين القوة الظاهرة والنشطة ، معبراً عنها بدلالة جيب تمام الزاوية بين نواقلها ، تسمى عامل القدرة.
يتم تحويل الطاقة النشطة إلى طاقة مفيدة - ميكانيكية وحرارية وطاقة أخرى. لا ترتبط الطاقة التفاعلية بأداء العمل المفيد ، ولكن من الضروري الخلق حقل كهرومغناطيسيووجودها شرط ضروري لتشغيل المحركات والمحولات الكهربائية. استهلاك الطاقة التفاعلية من مؤسسة إمداد الطاقة غير مناسب ، لأنه يؤدي إلى زيادة قوة المولدات والمحولات والمقطع العرضي لكابلات الإمداد (انخفاض في الإنتاجية) ، فضلاً عن زيادة الخسائر النشطة و انخفاض الجهد (بسبب زيادة المكون التفاعلي لتيار شبكة الإمداد). لذلك ، يجب الحصول على القدرة التفاعلية (توليدها) مباشرة من المستهلك. يتم تنفيذ هذه الوظيفة وحدات تعويض القدرة التفاعلية (KRM)، عناصرها الرئيسية هي المكثفات.
تركيبات KRM هي مستقبلات طاقة ذات تيار سعوي ، والتي تولد أثناء التشغيل طاقة تفاعلية رائدة (تيار في الطور يؤدي الجهد) للتعويض عن الطاقة التفاعلية المتأخرة الناتجة عن الحمل الاستقرائي.
تتناسب القوة التفاعلية Q مع التيار التفاعلي المتدفق عبر العنصر الاستقرائي:
س = UxIL ،
حيث IL هو التيار التفاعلي (الاستقرائي) ، U هو الجهد الرئيسي. وبالتالي ، فإن إجمالي التيار الذي يزود الحمل هو مجموع المكونات النشطة والحثية:
أنا = IR + IL.
لتقليل نسبة التيار التفاعلي في نظام "حمل المولد" ، يتم توصيل المعوضات (تركيبات KRM) بالتوازي مع الحمل. في هذه الحالة ، لم تعد الطاقة التفاعلية تتحرك بين المولد والحمل ، ولكنها تحدث تذبذبات محلية بين العناصر التفاعلية - لفات الحمل الاستقرائي والمعوض. إن تعويض الطاقة التفاعلية هذا (تقليل التيار الاستقرائي في نظام حمل المولد) يجعل من الممكن ، على وجه الخصوص ، نقل طاقة أكثر نشاطًا إلى الحمل عند نفس القدرة الظاهرية للمولد الاسمي.
لماذا يلزم تعويض القدرة التفاعلية؟
الحمل الرئيسي في شبكات الطاقة الصناعية هو المحركات الكهربائية غير المتزامنة ومحولات التوزيع. هذا الحمل الاستقرائي في عملية التشغيل هو مصدر للكهرباء التفاعلية (الطاقة التفاعلية) ، والتي تتأرجح بين الحمل والمصدر (المولد) ، ولا ترتبط بأداء العمل المفيد ، ولكنها تُنفق على إنشاء المجالات الكهرومغناطيسية وتخلق حمل إضافي على خطوط إمداد الطاقة.
تتميز القدرة التفاعلية بالتأخير (في العناصر الحثية ، يتأخر التيار عن الجهد في الطور) بين الجيوب الأنفية للجهد والمراحل الحالية للشبكة. مؤشر استهلاك الطاقة التفاعلية هو معامل القدرة (كم)، يساوي عدديًا جيب تمام الزاوية (φ) بين التيار والجهد. يتم تعريف KM للمستهلك على أنه نسبة الطاقة النشطة المستهلكة إلى إجمالي الطاقة المأخوذة بالفعل من الشبكة ، أي: cos (f) = P / S. يستخدم هذا المعامل لتوصيف مستوى القوة التفاعلية للمحركات والمولدات وشبكة المؤسسة ككل. كلما اقتربت قيمة cos (φ) من الوحدة ، قلت حصة القوة التفاعلية المأخوذة من الشبكة.
مثال: عند cos (f) = 1 ، لإرسال 500 KW في شبكة تيار متردد 400 V ، يلزم وجود تيار 722 A. لنقل نفس القدرة النشطة بمعامل cos (f) = 0.6 ، ترتفع القيمة الحالية حتى 1203 أ.
- هناك خسائر إضافية في الموصلات بسبب زيادة التيار ؛
- يتم تقليل قدرة شبكة التوزيع ؛
- ينحرف جهد التيار الكهربائي عن القيمة الاسمية (انخفاض الجهد بسبب زيادة المكون التفاعلي لتيار التيار الكهربائي).
كل ما سبق هو السبب الرئيسي الذي يجعل شركات الإمداد بالطاقة تطلب من المستهلكين تقليل حصة الطاقة التفاعلية في الشبكة.
حل هذه المشكلة هو تعويض القدرة التفاعلية -مهم و شرط ضروريأداء اقتصادي وموثوق لنظام إمداد الطاقة للمؤسسة. يتم تنفيذ هذه الوظيفة أجهزة تعويض الطاقة التفاعلية (وحدات مكثف KRM)
,
العناصر الرئيسية منها هي المكثفات.
يسمح تعويض القدرة التفاعلية المناسب بما يلي:
- يقلل المصروفات العامةللكهرباء
- تقليل الحمل على عناصر شبكة التوزيع (خطوط الإمداد والمحولات والمفاتيح الكهربائية) ، وبالتالي إطالة عمرها التشغيلي ؛
- تقليل خسائر التيار الحراري وتكاليف الكهرباء ؛
- تقليل تأثير التوافقيات الأعلى ؛
- قمع تداخل الشبكة ، وتقليل عدم توازن الطور ؛
- لتحقيق قدر أكبر من الموثوقية والكفاءة لشبكات التوزيع.
الى جانب ذلك ، في الشبكات الموجودةتسمح:
- القضاء على توليد الطاقة التفاعلية في الشبكة خلال ساعات الحمل الأدنى ؛
- تقليل تكلفة إصلاح وتجديد أسطول المعدات الكهربائية ؛
- زيادة قدرة نظام إمداد الطاقة للمستهلك ، مما سيسمح بتوصيل أحمال إضافية دون زيادة تكلفة الشبكات ؛
- تقديم معلومات حول المعلمات وحالة الشبكة ،
وفي الشبكات التي تم إنشاؤها حديثًا - لتقليل طاقة المحطات الفرعية والمقطع العرضي لخطوط الكابلات ، مما يقلل من تكلفتها.
حيث يلزم تعويض القدرة التفاعلية
أحد الاتجاهات الرئيسية لتقليل خسائر الكهرباء وزيادة كفاءة التركيبات الكهربائية للمؤسسات الصناعية هو تعويض الطاقة التفاعلية مع زيادة متزامنة في جودة الكهرباء مباشرة في شبكات المؤسسات. أقل معامل القدرة cos (ph)في نفس الوقت الحمل النشطمستقبلات الطاقة ، كلما زاد فقد الطاقة وانخفاض الجهد في عناصر أنظمة الإمداد بالطاقة. لذلك ، يجب على المرء دائمًا أن يسعى للحصول عليه أعظم قيمةعامل القوى.
لحل هذه المشكلة ، يتم استخدام أجهزة تعويضية تسمى منشآت تعويض الطاقة التفاعلية (KRM),
العناصر الرئيسية منها هي المكثفات. يتيح استخدام تركيبات KRM استبعاد الدفع مقابل الاستهلاك من الشبكة وتوليد الطاقة التفاعلية في الشبكة ، بينما يتم تقليل مبلغ الدفع مقابل الطاقة المستهلكة ، التي تحددها تعريفة نظام الطاقة ، بشكل كبير.
تطبيق تركيبات KRM على نحو فعال
في المؤسسات التي يتم فيها استخدام أدوات الآلات والضواغط والمضخات ومحولات اللحام والأفران الكهربائية ومحطات التحليل الكهربائي ومستهلكين آخرين للطاقة مع حمل متغير بشكل حاد ، أي في الصناعات المعدنية والتعدين والأغذية والهندسة الميكانيكية والنجارة ومواد البناء الإنتاج - أي حيثما كان ذلك بسبب خصائص الإنتاج والعمليات التكنولوجية ، تتراوح قيمة cos (f) من 0.5 إلى 0.8.
تطبيق وحدات تعويض القدرة التفاعلية KRM ضروري الشركات التي تستخدم:
- محركات غير متزامنة (cos (f) ~ 0.7) ؛
- محركات غير متزامنة ، عند التحميل الجزئي (cos (f) ~ 0.5) ؛
- محطات التحليل الكهربائي المعدل (cos (f) ~ 0.6) ؛
- أفران القوس الكهربائي (cos (f) ~ 0.6) ؛
- أفران الحث (cos (f) ~ 0.2-0.6) ؛
- مضخات المياه (كوس (و) ~ 0.8) ؛
- الضواغط (cos (f) ~ 0.7) ؛
- الآلات والأدوات الآلية (cos (f) ~ 0.5) ؛
- محولات اللحام (كوس (و) ~ 0.4) ؛
- مصابيح الفلورسنت (cos (f) ~ 0.5-0.6).
تخفيض واضح للقدرة مع تعويض القدرة التفاعلية:
* تم الحصول على البيانات على أساس الخبرة التشغيلية المعممة لمنشآت KRM
من الضروري للممارسة أنه يمكن تعويض الحمل التفاعلي ذي الطبيعة الاستقرائية عن طريق توصيل حمولة سعوية بالتوازي معها. عند دراسة متأنية ، تصبح هذه الظاهرة واضحة: يتم تعويض التيار المتأخر للفرع الاستقرائي لمثل هذه الدائرة بواسطة التيار الرئيسي للفرع السعوي. مع اختيار السعة المناسب ، يمكن تعويض التأخر الحالي في الدائرة بالكامل تقريبًا (cos f = 1). المكثفات المتصلة بالتوازي مع الحمل الاستقرائي للتعويض عن RM تسمى التعويض ، أو جيب التمام (لأنها تعمل على زيادة cos f لـ EM).
طرق التعويض
يمكن أن يكون تعويض الجسيمات فرديًا (محليًا) ، عندما يتم تركيب المكثفات على مقربة من كل مستهلك ومجموعة باستخدام وحدات مكثف خاصة ، توجد عادةً بالقرب من المحولات الفرعية ، ونقاط التوزيع ، وما إلى ذلك ، متصلة ببداية كل خط مجموعة. هذه الطريقة مناسبة لمحطات الطاقة الكبيرة.
لماذا يلزم تعويض القدرة التفاعلية في شبكات التوزيع الكهربائي؟
يتم توليد الطاقة النشطة فقط من خلال مولدات محطات توليد الطاقة. يتم إنشاء الطاقة التفاعلية بواسطة مولدات محطات الطاقة (المحركات المتزامنة للمحطات في وضع الإثارة المفرطة) ، وكذلك الأجهزة التعويضية (على سبيل المثال ، البنوك المكثفة).
يؤدي نقل الطاقة التفاعلية من المولدات عبر الشبكة الكهربائية إلى المستهلكين (مستقبلات الطاقة الحثية) إلى تكاليف طاقة نشطة في الشبكة على شكل خسائر بالإضافة إلى تحميل عناصر الشبكة الكهربائية ، مما يقلل من الإنتاجية الإجمالية.
لذلك ، على سبيل المثال ، مولد بقوة مقدرة تبلغ 1250 كيلو فولت أمبير عند معامل القدرة المُقدر cosφ = 0.8يمكن أن يمنح المستهلك قوة نشطة تساوي 1250 × 0.8 = 1000 كيلو واط. إذا كان المولد سيعمل مع cosφ = 0.6، ثم ستتلقى الشبكة طاقة نشطة تساوي 1250 × 0.6 = 750 كيلو واط (الطاقة النشطة أقل من اللازم بمقدار الربع).
لذلك ، كقاعدة عامة ، لا يُنصح بزيادة ناتج الطاقة التفاعلية بواسطة مولدات المحطات من أجل توصيلها للمستهلكين. يتم تحقيق أكبر تأثير اقتصادي عندما توجد الأجهزة التعويضية (توليد الطاقة التفاعلية) بالقرب من مستقبلات القدرة الحثية التي تستهلك الطاقة التفاعلية.
مستقبلات القدرة الحثية أو مستهلكي الطاقة التفاعلية
- محول.هي إحدى الروابط الرئيسية في نقل الكهرباء من مصدر الطاقة الكهربائية للمستهلك وهي مصممة ليتم تحويلها من خلال الحث الكهرومغناطيسيأنظمة التيار المتردد لجهد واحد إلى نظام تيار متناوب لجهد آخر بتردد ثابت وبدون فقد طاقة كبير.
- محرك غير متزامن.تستهلك المحركات غير المتزامنة ، جنبًا إلى جنب مع الطاقة النشطة ، ما يصل إلى 65٪ من الطاقة التفاعلية لنظام الطاقة.
- أفران الحث.هذه هي أجهزة استقبال طاقة كبيرة تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة التفاعلية لتشغيلها. غالبًا ما تستخدم أفران الحث بتردد الطاقة لصهر المعادن.
- تركيبات المحولات التي تحول التيار المتردد إلى تيار مباشر باستخدام المقومات.تستخدم هذه التركيبات على نطاق واسع في المؤسسات الصناعيةوالنقل بالسكك الحديدية باستخدام التيار المباشر.
- المجال الاجتماعي.تؤدي الزيادة في عدد المحركات الكهربائية المختلفة ، وأجهزة التثبيت والتحويل ، واستخدام محولات أشباه الموصلات إلى زيادة الطاقة التفاعلية المستهلكة ، وهذا بدوره يؤثر على عمل مستهلكي الطاقة الآخرين ، ويقلل من عمر خدمتهم ، و يخلق خسائر إضافية في الطاقة. مصابيح الفلورسنت الحديثة (ما يسمى بتوفير الطاقة) ، والتي تستخدم بشكل متزايد في الشقق والمكاتب ، هي أيضًا مستهلكة للطاقة التفاعلية.
إلى ماذا يؤدي نقص تعويض القوة التفاعلية للمشتركين؟
- للمحولات مع انخفاض كوسφينخفض إنتاجية الطاقة النشطة بسبب زيادة الحمل التفاعلي.
- زيادة القوة الإجمالية عند النزول كوسφيؤدي إلى زيادة في خسائر الطاقة الحالية ، وبالتالي ، والتي تتناسب مع مربع التيار.
- تتطلب الزيادة في التيار زيادة في المقاطع العرضية للأسلاك والكابلات ، وتتزايد التكاليف الرأسمالية للشبكات الكهربائية.
- زيادة التيار مع التناقص كوسφيؤدي إلى زيادة فقدان الجهد في جميع أجزاء نظام الطاقة ، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد بالنسبة للمستهلكين.
- في المؤسسات الصناعية ، يؤدي انخفاض الجهد إلى تعطيل التشغيل العادي للمستقبلات الكهربائية. ينخفض تواتر دوران المحركات الكهربائية ، مما يؤدي إلى انخفاض في إنتاجية آلات العمل ، وانخفاض إنتاجية الأفران الكهربائية ، وتدهور جودة اللحام ، وانخفاض التدفق الضوئي للمصابيح ، وانخفاض إنتاجية الشبكات الكهربائية للمصنع ، و نتيجة لذلك ، تتدهور جودة المنتج.