توان فعال (P)
به عبارت دیگر، توان فعال را می توان: توان بالفعل، واقعی، مفید، واقعی نامید. در یک مدار DC، برق تامین کننده یک بار DC به عنوان حاصلضرب ساده ولتاژ در سراسر بار و جریان جاری تعریف می شود.
زیرا در مدار DC مفهوم زاویه فاز بین جریان و ولتاژ وجود ندارد. به عبارت دیگر، هیچ ضریب توانی در مدار DC وجود ندارد.
اما در مورد سیگنال های سینوسی، یعنی در مدارهای جریان متناوب، به دلیل وجود اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ، وضعیت پیچیده تر است. بنابراین، توان متوسط (قدرت فعال) که در واقع بار را تغذیه می کند، به صورت زیر داده می شود:
در یک مدار جریان متناوب، اگر کاملاً فعال (مقاومتی) باشد، فرمول قدرت مانند جریان مستقیم است: P = U I.
فرمول هایی برای قدرت فعال
P = U I - در مدارهای DC
P = U I cosθ - در مدارهای AC تک فاز
P = √3 U L I L cosθ - در مدارهای AC سه فاز
P = 3 U Ph I Ph cosθ
P = √ (S 2 – Q 2) یا
P =√ (VA 2 – var 2) یا
توان اکتیو = √ (توان ظاهری 2 – توان راکتیو 2) یا
kW = √ (kVA 2 - kvar 2)
توان راکتیو (Q)
همچنین می توان آن را قدرت بی فایده یا بی آب نامید.
نیرویی که دائماً بین منبع و بار به عقب و جلو جریان می یابد به عنوان راکتیو (Q) شناخته می شود.
توان راکتیو به توانی گفته می شود که به دلیل خواص راکتیو آن توسط بار مصرف می شود و سپس برمی گردد. واحد توان فعال وات است، 1 W = 1 V x 1 A. انرژی توان راکتیوابتدا انباشته می شود و سپس در فرم آزاد می شود میدان مغناطیسییا میدان الکتریکی در مورد اندوکتانس یا خازن به ترتیب.
توان راکتیو به این صورت تعریف می شود
و می تواند برای بار القایی مثبت (+Ue) و برای بار خازنی منفی (-Ue) باشد.
واحد توان راکتیو ولت آمپر راکتیو (var) است: 1 var = 1 ولت x 1 آمپر. به عبارت ساده، یک واحد توان راکتیو، بزرگی میدان مغناطیسی یا الکتریکی تولید شده توسط 1 ولت x 1 آمپر را مشخص می کند.
فرمول های توان راکتیو
توان راکتیو = √ (توان ظاهری 2 – توان فعال 2)
var =√ (VA 2 - P 2)
kvar = √ (kVA 2 - kW 2)
توان ظاهری (S)
توان ظاهری حاصل ضرب ولتاژ و جریان است که زاویه فاز بین آنها را نادیده می گیرد. تمام توان در شبکه AC (تلف شده و جذب/بازگشته) توان کل است.
ترکیب توان راکتیو و اکتیو توان ظاهری نامیده می شود. حاصلضرب مقدار ولتاژ موثر و مقدار جریان موثر در مدار جریان متناوب، توان ظاهری نامیده می شود.
این حاصل ضرب مقادیر ولتاژ و جریان بدون در نظر گرفتن زاویه فاز است. واحد توان ظاهری (S) VA، 1 VA = 1 V x 1 A است. اگر مدار کاملاً فعال باشد، توان ظاهری برابر با توان اکتیو است و در مدار القایی یا خازنی (در صورت وجود راکتانس) ، توان ظاهری بیشتر از توان فعال است.
فرمول قدرت کامل
توان ظاهری = √ (توان اکتیو 2 + توان راکتیو 2)
kUA = √(kW 2 + kUAR 2)
لازم به ذکر است که:
- مقاومت توان فعال را مصرف می کند و آن را به صورت گرما و نور آزاد می کند.
- اندوکتانس توان راکتیو را مصرف می کند و آن را به شکل میدان مغناطیسی آزاد می کند.
- خازن توان راکتیو را مصرف می کند و آن را به شکل میدان الکتریکی آزاد می کند.
برای مهندسین قدرت شرکت ها و بزرگ مراکز خریددر وجود انرژی راکتیو شکی نیست. صورت‌حساب‌های ماهانه و پول بسیار واقعی که صرف پرداخت می‌شود الکتریسیته راکتیو، به واقعیت وجود آن متقاعد شود. اما برخی از مهندسان برق به طور جدی با محاسبات ریاضی ثابت می کنند که این نوع برق تخیلی است، که جداسازی انرژی الکتریکیبه صورت مصنوعی به اجزای فعال و واکنشی تبدیل می شود.
بیایید سعی کنیم این موضوع را درک کنیم، به خصوص که ما تفاوت ها را نمی دانیم انواع متفاوتسازندگان در مورد برق حدس و گمان می زنند. آنها با وعده درصد زیادی، دانسته یا ندانسته یک نوع انرژی الکتریکی را با دیگری جایگزین می کنند.
بیایید با مفاهیم الکتریسیته فعال و راکتیو شروع کنیم.بدون رفتن به جنگل فرمول های مهندسی برق، می توانیم تعیین کنیم انرژی فعال به عنوان چیزی که کار می کند: غذا را روی اجاق های برقی گرم می کند، اتاق شما را روشن می کند، هوا را با استفاده از کولر خنک می کند. و الکتریسیته راکتیو شرایط لازم را برای انجام چنین کاری ایجاد می کند.انرژی واکنشی وجود نخواهد داشت و موتورها نمی توانند بچرخند، یخچال کار نخواهد کرد. ولتاژ 220 ولت به محل شما عرضه نمی شود، زیرا هیچ ترانسفورماتور قدرتی بدون مصرف برق راکتیو کار نمی کند.
اگر سیگنال های جریان و ولتاژ به طور همزمان بر روی یک اسیلوسکوپ مشاهده شوند، آنگاه این دو سینوسی همیشه نسبت به یکدیگر جابجا می شوند به اندازه ای به نام زاویه فاز. این تغییر سهم انرژی راکتیو را در کل انرژی مصرف شده توسط بار مشخص می کند. تنها با اندازه گیری جریان در بار، جداسازی بخش راکتیو انرژی غیرممکن است.
با توجه به اینکه انرژی راکتیو کار نمی کند، می توان آن را در نقطه مصرف تولید کرد. برای این کار از خازن استفاده می شود. واقعیت این است که سیم پیچ ها و خازن ها مصرف می کنند انواع مختلفانرژی راکتیو: القایی و خازنی به ترتیب.آنها منحنی جریان در مقابل ولتاژ را در جهت مخالف تغییر می دهند.
با توجه به این شرایط یک خازن را می توان مصرف کننده انرژی خازنی یا مولد انرژی القایی در نظر گرفت.برای موتوری که انرژی القایی مصرف می کند، یک خازن نزدیک می تواند به منبع انرژی تبدیل شود. چنین برگشت پذیری فقط برای عناصر مدار راکتیو که کار نمی کنند امکان پذیر است. برای انرژی فعال، چنین برگشت پذیری وجود ندارد: تولید آن با مصرف سوخت مرتبط است. از این گذشته، قبل از اینکه بتوانید کار کنید، باید انرژی مصرف کنید.
در شرایط خانگی، سازمان های انتقال نیرو برای انرژی راکتیو هزینه ای دریافت نمی کنند و یک کنتور خانگی فقط جزء فعال انرژی الکتریکی را محاسبه می کند. وضعیت در شرکت های بزرگ کاملاً متفاوت است: تعداد زیادی ازموتورهای الکتریکی، دستگاه های جوشو ترانسفورماتورها که برای کار کردن به انرژی راکتیو نیاز دارند، بار اضافی روی خطوط برق ایجاد می کنند. در همان زمان، تلفات جریان و حرارت انرژی فعال افزایش می یابد.
در این موارد مصرف انرژی راکتیو توسط کنتور در نظر گرفته شده و جداگانه پرداخت می شود. هزینه برق راکتیو کمتر از هزینه برق فعال است، اما برای حجم زیاد مصرف، پرداخت ها می تواند بسیار قابل توجه باشد. علاوه بر این، جریمه هایی برای مصرف انرژی راکتیو بیش از مقادیر تعیین شده اعمال می شود. بنابراین، تولید چنین انرژی در محل مصرف برای چنین بنگاه‌هایی از نظر اقتصادی سودآور است.
برای این کار از خازن‌های جداگانه یا واحدهای جبران خودکار استفاده می‌شود که حجم مصرف را کنترل می‌کنند و بانک‌های خازن را متصل یا جدا می‌کنند. نوین سیستم های جبران خسارتبه شما امکان می دهد مصرف انرژی راکتیو از شبکه خارجی را به میزان قابل توجهی کاهش دهید.
با بازگشت به سوال مطرح شده در عنوان مقاله، می توان به آن پاسخ مثبت داد. انرژی واکنشی وجود دارد. بدون آن، بهره برداری از تاسیسات الکتریکی که در آن میدان مغناطیسی ایجاد می شود، غیرممکن است. بدون انجام کار قابل مشاهده، با این وجود، شرط لازم برای انجام کار انجام شده توسط انرژی الکتریکی فعال است.
همانند تئوری کلی حرکات نوسانی، نمودارهای برداری در تئوری جریان های متناوب بسیار سودمند هستند. واضح است که نیروی الکتروموتور سینوسی متغیر است
را می توان به عنوان یک برآمدگی بر روی محور متدین یک بردار در حال چرخش در خلاف جهت عقربه های ساعت با سرعت زاویه ای، که طول آن برابر است و موقعیت اولیه آن در لحظه با محور آبسیسا منطبق است، نشان داد.
بیایید از خود بپرسیم که چگونه جریانی که تحت تأثیر نیروی حرکتی سینوسی از یک سیم پیچ با اندوکتانس عبور می کند در یک نمودار برداری نمایش داده می شود.
برنج. 341. نمودار برداری برای مورد مقاومت القایی.
برنج. 342. نمودار برداری برای حالت ظرفیت.
ما دیدیم که جریان در این مورد یک چهارم یک دوره از ولتاژ عقب است. تأخیر یک چهارم پریود در یک نمودار برداری با تأخیر بردار جریان نشان داده می‌شود، بنابراین، بردار جریان «القایی» عمود بر بردار ولتاژ (شکل 341) خواهد بود و با عقب‌تر از آن 90. قدر این بردار
اگر با عبور جریان متناوب از خازن سروکار داشته باشیم، جریان نیروی محرکه الکتریکی را یک چهارم پریود هدایت می کند. این بدان معنی است که بردار نشان دهنده جریان "خازنی" باید بردار ولتاژ را با (شکل 342) هدایت کند. اندازه این بردار، همانطور که در بالا دیدیم، توسط رابطه تعیین می شود
در مورد مقاومت اهمی فعال، جریان در فاز با ولتاژ است. این بدان معنی است که بردار جریان در جهت با بردار ولتاژ منطبق است، البته مقدار آن توسط قانون اهم تعیین می شود.
جریانی که بردار آن با بردار ولتاژ منطبق باشد جریان فعال نامیده می شود. جریان هایی که بردارهای آنها از بردار ولتاژ عقب مانده یا جلو می روند، جریان های راکتیو نامیده می شوند. انتخاب این نام با این واقعیت توضیح داده می شود که این جریان های فعال هستند که مصرف برق مدار جریان متناوب را تعیین می کنند، در حالی که ژنراتور همان مقدار را در طول هر چهارم از دوره صرف می کند تا جریان راکتیو (یعنی جریان) را تحریک کند. که از ولتاژ عقب می ماند یا آن را یک چهارم دوره پیش می برد). در نتیجه معلوم می شود که جریان راکتیو کار تولید نمی کند.
به طور کلی، زمانی که تغییر فاز بین جریان و ولتاژ با زاویه (بر حسب رادیان) تعیین می شود، کار انجام شده توسط جریان متناوب در یک عدد صحیح (یا نیم عدد صحیح) از دوره ها متناسب با
در واقع، اجازه دهید جریان یک زاویه از ولتاژ عقب بماند
سپس کار انجام شده توسط جریان در یک دوره توسط انتگرال تعیین می شود
و میانگین توان مصرف شده توسط جریان با نسبت این کار به مدت دوره تعیین می شود:
اگر مقادیر موثر جریان و ولتاژ را وارد کنید، پس
هنگامی که، یعنی با جریان های کاملا راکتیو، توان انتقال یافته از طریق مدار الکتریکی از ژنراتور به بار به طور متوسط صفر است.
برای هر مقدار معین ولتاژ و جریان، هرچه اختلاف فاز بین آنها کمتر باشد و بر این اساس، هرچه به وحدت نزدیکتر باشد، قدرت انتقال یافته توسط جریان از ژنراتور به بار بیشتر است. بنابراین ضریب توان مدار نامیده می شود.
در بسیاری از موارد جریان های راکتیو ضروری هستند. بنابراین، اگر یک آهنربای الکتریکی را با جریان متناوب تغذیه کنیم، که مثلاً برای بلند کردن اجسام آهنی در نظر گرفته شده است، سیم پیچ الکترومغناطیس، که در حالت ایده آل یک مقاومت القایی صرف را نشان می دهد، یک جریان راکتیو از شبکه مصرف می کند که از ولتاژ شبکه عقب می ماند.
با این حال، در بیشتر موارد، به ویژه هنگام تغذیه ترانسفورماتورهایی که برای تبدیل ولتاژهای متناوب کار می کنند، جریان فعالی که هنگام بارگیری سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور ایجاد می شود (§ 84) مهم است. جریان راکتیو که برای ایجاد میدان مغناطیسی در هسته ترانسفورماتور ضروری است، در اصل، ماهیت کمکی دارد. مستقیماً هیچ کار مفیدی تولید نمی کند.
فرض کنید، همانطور که اغلب اتفاق می افتد، تعداد زیادی ترانسفورماتور به شبکه متصل شده اند. هر یک از آنها یک جریان راکتیو شناخته شده را برای ایجاد یک میدان مغناطیسی هسته می کشد. این به طور قابل توجهی ضریب قدرت نصب را بدتر می کند.
با این حال، می توان با بهره گیری از پدیده رزونانس (§ 83) به انطباق بردار جریان با بردار ولتاژ دست یافت. برای این کار علاوه بر ترانسفورماتورها، ظرفیت C را نیز در شبکه قرار می دهند و آن را طوری انتخاب می کنند که جریان راکتیو آن برابر با کل جریان راکتیو ترانسفورماتورها باشد.
سپس تنها جریان فعال در مدار خارجی جریان می یابد، در حالی که جریان های راکتیو ترانسفورماتورها و خازن ها متقابلا یکدیگر را جبران می کنند. آنها فقط در مدار گردش می کنند: ظرفیت - سیم پیچ ترانسفورماتورها، بدون ورود به شبکه تامین و ژنراتور نیروگاه. برای خط تغذیه و برای ژنراتور نیروگاه، شرایط عملیاتی آنها مطلوب ترین خواهد بود.
این رویداد قابل توجه است اهمیت اقتصادی. کاملاً واضح است که نیروگاه ها و خطوط برقی که با جریان راکتیو بی فایده بارگذاری نمی شوند، می توانند بیشتر با جریان فعال بارگذاری شوند.
لازم به ذکر است که ایده جریان راکتیو به عنوان جریانی که فاز آن نسبت به ولتاژ جابجا می شود و بنابراین به طور متوسط هیچ اثری ایجاد نمی کند و با اتلاف انرژی (برای گرم کردن سیم ها) همراه نیست. البته، یک ایده آل سازی (ساده سازی شماتیک) از فرآیندهایی است که در واقعیت هنگام عبور جریان متناوب از سیم پیچ ها یا خازن ها اتفاق می افتد. این نتیجه گیری که فازهای جریان های عبوری از سیم پیچ یا خازن با فاز ولتاژ 90 درجه متفاوت است، تنها در صورتی دقیق خواهد بود که عبور این جریان ها با گرمایش سیم ها و سایر تلفات همراه نباشد (همانطور که در فرض شد. بند قبلی). اما جریان عبوری از سیم پیچ نسبت به گرمایش سیم ها که طبق قانون ژول لنز اتفاق می افتد، با جریان فعال همان فرکانس (و در فرکانس بالا، مقاومت سیم پیچ) تفاوتی ندارد. سیم پیچی به دلیل اثر پوستی می تواند قابل توجه باشد).
علاوه بر این، بخشی از انرژی جریان به دلیل تلفات هیسترزیس در هسته سیم پیچ (در صورت وجود) و جریان های فوکو در هادی های اطراف، به عنوان مثال، در "صفحه نمایش" فلزی که در آن سیم پیچ های رادیویی قرار می گیرند، تلف می شود. نشتی جریان نیز ممکن است به دلیل عایق ناقص و غیره رخ دهد. تلفات انرژی فعلی، اما معمولاً کمتر از سیم پیچ ها، هنگام عبور جریان از خازن ها نیز مشاهده می شود. در این مورد، آنها عمدتاً به دلیل یک تاخیر زمانی معین از قدرت میدان پلاریزاسیون دی الکتریک (در قسمتی از آن که تحت تأثیر
تأثیر حرکت مولکولی-حرارتی)، و همچنین گاهی اوقات با وجود جریان های هدایت یونی کوچک در دی الکتریک خازن.
به دلیل تلفات، جریان عبوری از سیم پیچ یا خازن هرگز کاملا راکتیو نیست، یعنی تغییر فاز آن نسبت به ولتاژ هرگز دقیقاً برابر نیست و همیشه از زاویه ای که سوزن تلف می نامند کمتر است. تحت تأثیر ولتاژ، یک جریان کاملا راکتیو با دامنه باید از یک سیم پیچ ایده آل عبور کند - در واقع، همانطور که در پایان پاراگراف بعدی نشان داده شده است (به شکل توضیحی درباره قانون تعمیم یافته اهم که در آنجا به دست می آید). یک جریان برانگیخته شده با دامنه کاهش یافته به دلیل تلفات به مقدار این جریان واقعی از طریق سیم پیچ نشان دهنده مجموع جریان فعال و جریان راکتیو ناشی از تلفات است.
با کاهش دامنه به مقدار نشان داده شده در شکل. 343. مطابق شکل. 343
برنج. 343. در اثر تلفات، دامنه جریان عبوری از سیم پیچ به یک مقدار و دامنه جریان راکتیو به مقداری که زاویه تلفات است کاهش می یابد.
روابط مشابه و نمودار یکسان برای جریان عبوری از خازن معتبر است. از آنجایی که جریان اکتیو جریانی است که فاز آن با ولتاژ منطبق است، بدیهی است که توان تلف شده در اثر تلفات برابر است. با آن (مقاومت از دست دادن نامیده می شود)، اگر این مقاومت دقیقاً از شرط برابری اتلاف توان تعیین شود:
همانطور که اشاره شد،
بنابراین معلوم می شود که
با جایگزینی این مقدار دامنه جریان فعال به عبارت فوق برای مماس زاویه تلفات، به فرمولی می رسیم که در هنگام تجزیه و تحلیل تأثیر تلفات بر حالت جریان متناوب در حالت اصلی در نظر گرفته می شود. مدارهای الکتریکی:
از معنای اشتقاق این فرمول مشخص می شود که رابطه مشابهی برای مماس تلفات در مدار با خازن نیز معتبر است.
در محاسبات مهندسی رادیو، اغلب از متقابل مماس تلفات استفاده می شود که به آن ضریب کیفیت مدار الکتریکی می گویند (به صفحات 460 و 485 مراجعه کنید):
تلفات در سیم پیچ های القایی بزرگ به شدت به طراحی و خواص مغناطیسی هسته و طراحی سیم پیچ بستگی دارد. با طراحی مناسب، تلفات در هسته و سیم پیچ (نه به یک اندازه وابسته به فرکانس) باید تا حد امکان یکسان شود.
برای کاهش تلفات ناشی از جریان فوکو، هسته ها از ورقه های نازک آهن ترانسفورماتور (0.5-0.35 میلی متر ضخامت)، با یک لایه نازک (0.05 میلی متر) از لاک پوشانده می شوند تا آنها را از یکدیگر عایق کنند. تلفات در چنین هسته هایی تقریباً به ازای هر کیلوگرم جرم هسته است. سطح مقطع سیم ها با در نظر گرفتن افزایش مقاومت آنها به دلیل اثر پوستی انتخاب می شود به طوری که در حین کار تلفات سیم پیچ تقریباً برابر با تلفات هسته است. مجموع تلفات در هسته و سیم پیچ ترانسفورماتورهای توان بالا (حدود 3-4٪ و در ترانسفورماتورهای بسیار بالا (حدود چند دهم درصد)
تلفات در ترانسفورماتورهای کوچک آزمایشگاهی و ترانسفورماتورهای "قدرت" مورد استفاده در تجهیزات رادیویی معمولاً کمتر از 10-12٪ (معمولاً حدود 10-12٪) نیست. حتی بخش بزرگتری از توان (معمولا 30٪) تشکیل می شود. تلفات در چوک ها و ترانسفورماتورهای تقویت کننده فرکانس صوتی سیم پیچ اولیه ترانسفورماتورها برای جریان فرکانس صوتی شامل 2000-5000 دور و دارای اندوکتانس است.
سیم‌پیچ‌های مدارهای تشدید فرکانس رادیویی دارای اندوکتانسی برابر هزارم (و برای امواج کوتاه، میلیونیم) هنری هستند. این اندوکتانس توسط تعداد نسبتاً کمی دور سیم بدون هسته فرومغناطیسی ایجاد می شود. از این نظر، تلفات در سیم پیچ های فرکانس رادیویی کوچک است - حدود 1٪ (مماس تلفات - از 0.02 تا 0.005).
تلفات خازن ها (به استثنای خازن های الکترولیتی) معمولاً از مقدار مماس تلفات بیشتر نمی شود.در خازن های الکترولیتی مماس تلفات می تواند به 0.2 برسد.
از جمله بهترین عایق ها (دارای مقاومتسفارش اهم-سانتی متر) برجسته شود کمترین مقدارمماس از دست دادن: کوارتز ذوب شده، میکا-مسکوویت، پارافین و پلی استایرن. برای آنها
وابستگی کلی توان الکتریکی به جریان و ولتاژ الکتریکی برای مدت طولانی شناخته شده است: این محصول است. بیایید جریان را در ولتاژ ضرب کنیم - مقدار این مقدار مصرف شده توسط مدار را از شبکه دریافت می کنیم.
اما در واقعیت ممکن است همه چیز به این سادگی نباشد. زیرا به سادگی با ضرب ولتاژ در جریان، مقدار توان کل را بدست می آوریم. به نظر می رسد که این همان چیزی است که شما نیاز دارید! پس از همه، ما معمولا علاقه مند هستیم معنی کاملهر اندازه
با این حال، این رابطه را نمی توان به برق الکتریسیته تعمیم داد، زیرا برق و توانی که بر اساس آن خوانش کنتور آپارتمان ما تغییر می کند، کل نیست، بلکه فعال است.
قدرت فعال- این توانی است که در لحظه ای که هم ولتاژ و هم ولتاژ سنکرون در شبکه وجود دارد در یک لحظه مصرف می شود. برق. در واقع، در مدارهای DC، به استثنای فرآیندهای گذرا در حین سوئیچینگ روشن و خاموش، این اتفاق می افتد.
ولتاژ به طور مداوم "فشار" می کند؛ اگر مدار بسته باشد، جریان خاصی دائما "فشار می دهد". در نتیجه، توان ظاهری و اکتیو برابر می‌شوند، زیرا جریان و ولتاژ هماهنگ هستند.
مدارهای AC موضوع متفاوتی هستند. ولتاژ در آنها در هر ثانیه پنجاه بار تغییر جهت می دهد و جریان ... گاهی عقب می ماند و گاهی ولتاژ را هدایت می کند. به عنوان مثال، اگر در یک مدار "القایی" وجود داشته باشد، یعنی سیم پیچی از سیم با چرخش های زیاد، جریان روی چنین عنصر مداری از ولتاژ عقب می ماند.
دلیل آن EMF پشتی خود القایی است که در برابر تغییر جریان در سیم پیچ مقاومت می کند. معلوم می شود که ولتاژ قبلاً به اندوکتانس اعمال شده است و جریان هنوز نمی تواند به دلیل تداخل EMF برگشتی افزایش یابد.
در میان دانشجویان بسیاری از دانشگاه‌های مهندسی برق، مقایسه هنری زیر وجود دارد: «جریان در هر پیچ زمان می‌برد، اما ولتاژ در انتهای سیم‌پیچ وجود دارد.»
Emf ضد القایی باعث افت ولتاژ و کاهش جریان در مدار می شود. یعنی سیم پیچ منبع راکتانس القایی است. اما تفاوت آن با مقاومت فعال در این است که هیچ گرمایی تولید نمی کند و به معنای معمول هیچ انرژی مصرف نمی کند.
به سادگی یک انتقال "خالی" الکتریسیته از منبع به اندوکتانس وجود دارد. و انرژی که مانند یک توپ در تنیس روی میز به جلو و عقب هدایت می شود، شبکه را به هیچ کجا ترک نمی کند. این انرژی راکتیو است و مصرف کننده در خانه مجبور نیست هزینه آن را به شرکت فروش انرژی بپردازد.
انرژی واکنشی، تولید شده در شبکه در واحد زمان را می توان توان راکتیو در نظر گرفت. به همان روش فعال محاسبه می شود - با ضرب جزء راکتیو جریان و ولتاژ.
جزء راکتیو جریان مولفه ای است که با ولتاژ در فاز منطبق نیست. مقدار "عدم تطابق" با زاویه تغییر فاز مشخص می شود. در مورد اندوکتانس خالص، تغییر فاز حداکثر 90 درجه است. این بدان معنی است که وقتی ولتاژ به بالاترین مقدار خود می رسد، جریان تازه شروع به افزایش می کند.
و اگر یک خازن (خازن) در مدار وجود داشته باشد، برعکس، ولتاژ 90 درجه از جریان عقب می ماند، زیرا برای اینکه افت ولتاژ رخ دهد، خازن باید صفحات خود را شارژ کند. .
به همین ترتیب، منبع و خازن در یک مدار، انرژی راکتیو را مبادله می کنند که برای هیچ چیز هدر نخواهد رفت.
در یک مدار واقعی هیچ بار صرفاً فعال یا صرفاً راکتیو وجود ندارد، بنابراین توان کل همیشه از یک جزء فعال و راکتیو تشکیل شده است و زاویه فاز بین صفر تا 90 درجه است.
مولفه راکتیو جریان برابر است با ضرب آن ضربدر سینوس زاویه فاز و مولفه فعال برابر است با ضرب ضرب در کسینوس این زاویه:
Q=I*sinφ; P=I*cosφ
توان کل را می توان با استفاده از قضیه فیثاغورث پیدا کرد:
S=√(P^2+Q^2);
در عین حال توان راکتیو بر خلاف توان اکتیو را نمی توان بر حسب وات محاسبه کرد، زیرا ناکارآمد است. بنابراین، یک واحد اندازه گیری ویژه برای توان راکتیو - ولت آمپر راکتیو (VARs) اختراع شد. و مجموع بر حسب ولت آمپر اندازه گیری می شود، بدون اینکه ماهیت بار مشخص شود.
همانطور که می دانید، یک ژنراتور جریان متناوب دو نوع انرژی الکتریکی تولید می کند - فعال و راکتیو. انرژی فعال در کوره های الکتریکی، لامپ ها، ماشین های الکتریکی و سایر مصرف کنندگان مصرف می شود و به انواع دیگر انرژی - حرارتی، سبک، مکانیکی تبدیل می شود. انرژی راکتیو توسط مصرف کنندگان مصرف نمی شود و از طریق خط تغذیه به ژنراتور بازگردانده می شود. این مستلزم افزایش جریان عبوری از ES است و بر این اساس نیاز به افزایش سطح مقطع آنها دارد.
جبران توان راکتیو
در مدارهای الکتریکی حاوی مقاومت ترکیبی (بار)، به ویژه اجزای فعال (لامپ های رشته ای، بخاری های الکتریکی و غیره) و القایی (موتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورهای توزیع، تجهیزات جوشکاری، لامپ های فلورسنت و غیره)، کل توان گرفته شده از شبکه را می توان با نمودار برداری زیر بیان کرد:
تاخیر فاز جریان از ولتاژ در عناصر القایی باعث ایجاد فواصل زمانی می شود (شکل را ببینید) زمانی که ولتاژ و جریان دارای علائم مخالف هستند: ولتاژ مثبت و جریان منفی و بالعکس. در این لحظات، برق توسط بار مصرف نمی شود، بلکه از طریق شبکه به سمت ژنراتور برگشت داده می شود. در این حالت، انرژی الکتریکی ذخیره شده در هر عنصر القایی در سراسر شبکه توزیع می شود، نه در عناصر فعال، بلکه حرکات نوسانی (از بار به ژنراتور و عقب) انجام می دهد. توان مربوطه را توان راکتیو می نامند.
توان کل شامل توان اکتیو است که کار مفیدی را انجام می دهد و توان راکتیو صرف شده برای ایجاد میدان های مغناطیسی و ایجاد بار اضافی بر روی خطوط برقتغذیه. رابطه بین توان کل و فعال که از طریق کسینوس زاویه بین بردارهای آنها بیان می شود، ضریب توان نامیده می شود.
انرژی فعال به انرژی مفید - مکانیکی، حرارتی و انرژی های دیگر تبدیل می شود. انرژی واکنشی با انجام کار مفید همراه نیست، بلکه ایجاد آن ضروری است میدان الکترومغناطیسی، که وجود آن شرط لازم برای کار الکتروموتورها و ترانسفورماتورها می باشد. مصرف توان راکتیو از سازمان تامین کننده انرژی غیرعملی است، زیرا منجر به افزایش توان ژنراتورها، ترانسفورماتورها، سطح مقطع کابل های تغذیه (کاهش توان) و همچنین افزایش تلفات فعال و افت ولتاژ می شود. (به دلیل افزایش مولفه راکتیو جریان شبکه تامین). بنابراین توان راکتیو باید مستقیماً از مصرف کننده دریافت (تولید) شود. این تابع انجام می شود تاسیسات جبران توان راکتیو (RPC)که عناصر اصلی آن خازن هستند.
تاسیسات KRM گیرنده های الکتریکی با جریان خازنی هستند که در حین کار، توان راکتیو پیشرو (جریان در ولتاژ منجر به فاز) را برای جبران توان راکتیو عقب مانده تولید شده توسط یک بار القایی تولید می کنند.
توان راکتیو Q متناسب با جریان راکتیو است که از عنصر القایی عبور می کند:
Q = U x IL،
جایی که IL جریان راکتیو (القایی) است، U ولتاژ شبکه است. بنابراین، کل جریان تامین کننده بار شامل اجزای فعال و القایی است:
I = IR + IL.
برای کاهش سهم جریان راکتیو در سیستم "بار ژنراتور"، جبران کننده ها (واحدهای KRM) به صورت موازی با بار متصل می شوند. در این حالت، توان راکتیو دیگر بین ژنراتور و بار حرکت نمی کند، بلکه نوسانات محلی را بین عناصر راکتیو - سیم پیچ های القایی بار و جبران کننده ایجاد می کند. چنین جبرانی توان راکتیو (کاهش جریان القایی در سیستم بار ژنراتور) به ویژه اجازه می دهد تا توان اکتیو بیشتری را با همان توان ظاهری نامی ژنراتور به بار منتقل کند.
چرا جبران توان راکتیو ضروری است؟
بار اصلی در شبکه های برق صنعتی، الکتروموتورهای ناهمزمان و ترانسفورماتورهای توزیع است. در حین کار، این بار القایی منبع الکتریسیته راکتیو (قدرت راکتیو) است که بین بار و منبع (ژنراتور) در نوسان است، با انجام کار مفید همراه نیست، اما صرف ایجاد میدان های الکترومغناطیسی می شود و یک نیروی اضافی ایجاد می کند. بار روی خطوط منبع تغذیه
توان راکتیو با تاخیر (در عناصر القایی جریان فاز از ولتاژ عقب است) بین سینوسی فاز ولتاژ و جریان شبکه مشخص می شود. نشانگر مصرف توان راکتیو می باشد ضریب توان (KM)، عددی برابر با کسینوس زاویه (φ) بین جریان و ولتاژ است. توان مصرفی مصرف کننده به عنوان نسبت توان اکتیو مصرف شده به کل توان گرفته شده از شبکه تعریف می شود، به عنوان مثال: cos(f) = P/S. این ضریب معمولاً برای مشخص کردن سطح توان راکتیو موتورها، ژنراتورها و شبکه سازمانی به طور کلی استفاده می شود. هر چه مقدار cos(f) به وحدت نزدیکتر باشد، سهم توان راکتیو گرفته شده از شبکه کمتر است.
مثال: با cos(ph) = 1، برای انتقال 500 کیلووات در شبکه AC 400 ولت، جریان 722 A مورد نیاز است. برای انتقال همان توان اکتیو با ضریب cos(ph) = 0.6، مقدار جریان به 1203 افزایش می یابد. آ.
- تلفات اضافی در هادی ها به دلیل افزایش جریان رخ می دهد.
- ظرفیت شبکه توزیع کاهش می یابد.
- ولتاژ شبکه از مقدار اسمی انحراف دارد (افت ولتاژ به دلیل افزایش مولفه راکتیو جریان شبکه تغذیه).
همه موارد فوق دلیل اصلی این است که شرکت های تامین برق از مصرف کنندگان می خواهند سهم توان راکتیو در شبکه را کاهش دهند.
راه حل این مشکل است جبران توان راکتیو -مهم و شرط لازمعملکرد اقتصادی و قابل اعتماد سیستم منبع تغذیه شرکت. این تابع انجام می شود دستگاه های جبران توان راکتیو (واحدهای خازن KRM)
,
که عناصر اصلی آن خازن هستند.
جبران صحیح توان راکتیو به شما امکان می دهد:
- كاهش دادن هزینه های عمومیبرای برق؛
- کاهش بار روی عناصر شبکه توزیع (خطوط تامین، ترانسفورماتورها و تابلو برق)، در نتیجه عمر مفید آنها را افزایش می دهد.
- کاهش تلفات جریان حرارتی و هزینه های انرژی؛
- کاهش تأثیر هارمونیک های بالاتر؛
- سرکوب تداخل شبکه، کاهش عدم تعادل فاز؛
- دستیابی به قابلیت اطمینان و کارایی بیشتر شبکه های توزیع.
علاوه بر این، در شبکه های موجودآن اجازه می دهد:
- عدم تولید انرژی راکتیو در شبکه در دوره‌های حداقل بار.
- کاهش هزینه تعمیر و به روز رسانی ناوگان تجهیزات الکتریکی؛
- افزایش ظرفیت سیستم منبع تغذیه مصرف کننده، که امکان اتصال بارهای اضافی را بدون افزایش هزینه شبکه ها فراهم می کند.
- ارائه اطلاعات در مورد پارامترها و وضعیت شبکه،
و در شبکه های جدید ایجاد شده - برای کاهش توان پست ها و مقطع خطوط کابل که هزینه آنها را کاهش می دهد.
جبران توان راکتیو کجا مورد نیاز است؟
یکی از جهت گیری های اصلی کاهش تلفات برق و افزایش راندمان تاسیسات الکتریکی شرکت های صنعتی، جبران توان راکتیو و همزمان بهبود کیفیت برق مستقیم در شبکه های سازمانی است. کمتر ضریب توان cos(f)در همان بار فعالگیرنده های الکتریکی، تلفات برق و افت ولتاژ در عناصر سیستم های منبع تغذیه بیشتر است. بنابراین، شما باید همیشه برای به دست آوردن تلاش کنید بالاترین ارزشضریب قدرت
برای حل این مشکل دستگاه های جبران کننده تماس گرفتند تاسیسات جبران توان راکتیو (RPC),
که عناصر اصلی آن خازن هستند. استفاده از تاسیسات KRM امکان حذف پرداخت برای مصرف از شبکه و تولید توان راکتیو به شبکه را فراهم می کند، در حالی که میزان پرداخت برای انرژی مصرف شده، تعیین شده توسط تعرفه های سیستم قدرت، به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
کاربرد تاسیسات KRM به طور موثر
در شرکت هایی که از ماشین آلات، کمپرسورها، پمپ ها، ترانسفورماتورهای جوشکاری، کوره های الکتریکی، کارخانه های الکترولیز و سایر مصرف کنندگان انرژی با بارهای بسیار متغیر استفاده می شود، یعنی در صنایع متالورژی، معدن، صنایع غذایی، مهندسی مکانیک، نجاری و تولید مصالح ساختمانی - یعنی هر جا به دلیل ویژگی های تولید و فرآیندهای تکنولوژیکی، مقدار cos(f) از 0.5 تا 0.8 متغیر است.
کاربرد واحدهای جبران توان راکتیو KRM لازم است در شرکت هایی که از:
- موتورهای آسنکرون (cos(f) ~ 0.7)؛
- موتورهای آسنکرون، در بار جزئی (cos(f) ~ 0.5)؛
- واحدهای الکترولیز یکسو کننده (cos(f) ~ 0.6).
- کوره های قوس الکتریکی (cos(f) ~ 0.6)؛
- کوره های القایی (cos(f) ~ 0.2-0.6)؛
- پمپ های آب (cos(f) ~ 0.8)؛
- کمپرسورها (cos(f) ~ 0.7)؛
- ماشین آلات، ماشین ابزار (cos(f) ~ 0.5)؛
- ترانسفورماتورهای جوشکاری (cos(f) ~ 0.4)؛
- لامپ های فلورسنت (cos(f) ~ 0.5-0.6).
کاهش مقدار توان ظاهری هنگام جبران توان راکتیو:
* داده‌های به‌دست‌آمده بر اساس تجربه عمومی در عملیات نصب KRM
برای تمرین این واقعیت ضروری است که یک بار راکتیو ماهیت القایی را می توان با اتصال یک بار خازنی به موازات آن جبران کرد. با مطالعه دقیق، این پدیده آشکار می شود: جریان عقب ماندگی شاخه القایی چنین مداری با جریان پیشرو شاخه خازنی جبران می شود. با انتخاب مناسب ظرفیت، تاخیر جریان در مدار را می توان تقریباً به طور کامل جبران کرد (cos f = 1). خازن هایی که به صورت موازی با یک بار القایی متصل می شوند تا RM آن را جبران کنند، جبران کننده یا کسینوس نامیده می شوند (زیرا آنها برای افزایش cos f اتحادیه اروپا عمل می کنند).
روش های جبران خسارت
جبران PM می تواند فردی (محلی)، زمانی که خازن ها در مجاورت هر مصرف کننده نصب می شوند، و جبران خسارت گروهی با استفاده از واحدهای خازن ویژه، که معمولاً در نزدیکی پست های ترانسفورماتور، نقاط توزیع و غیره قرار دارند، به ابتدای هر خط گروه متصل می شوند. این روش برای نیروگاه های بزرگ مناسب است.
چرا جبران توان راکتیو در شبکه های توزیع برق مورد نیاز است؟
توان اکتیو فقط توسط ژنراتورهای نیروگاه تولید می شود. توان راکتیو توسط ژنراتورهای نیروگاه ها (موتورهای سنکرون ایستگاه ها در حالت تحریک بیش از حد) و همچنین دستگاه های جبران کننده (به عنوان مثال بانک های خازن) تولید می شود.
انتقال توان راکتیو از ژنراتورها از طریق شبکه الکتریکی به مصرف کننده ها (گیرنده های انرژی القایی) باعث مصرف توان اکتیو در شبکه به صورت تلفات و بارگذاری اضافی عناصر شبکه برق و کاهش ظرفیت کلی آنها می شود.
بنابراین، برای مثال، یک ژنراتور با توان نامی 1250 کیلوولت آمپر در ضریب توان نامی cosφ=0.8می تواند توان اکتیو معادل 1250×0.8=1000 کیلووات را در اختیار مصرف کننده قرار دهد. اگر ژنراتور با сosφ=0.6سپس توان اکتیو معادل 1250×0.6=750 کیلو وات به شبکه عرضه می شود (قدرت اکتیو به میزان یک چهارم کم مصرف می شود).
بنابراین، به عنوان یک قاعده، افزایش خروجی توان راکتیو توسط ژنراتورهای ایستگاه به منظور تحویل آن به مصرف کنندگان غیرعملی است. بیشترین اثر اقتصادی با قرار دادن دستگاه های جبران کننده (تولید توان راکتیو) در نزدیکی گیرنده های انرژی القایی مصرف کننده توان راکتیو حاصل می شود.
گیرنده های انرژی القایی یا مصرف کننده های توان راکتیو
- تبدیل کننده.این یکی از حلقه های اصلی در انتقال برق از منبع انرژی الکتریکی به مصرف کننده است و برای تبدیل از طریق در نظر گرفته شده است. القای الکترومغناطیسیسیستم جریان متناوب یک ولتاژ به یک سیستم جریان متناوب ولتاژ دیگر با فرکانس ثابت و بدون تلفات توان قابل توجه.
- موتور آسنکرون.موتورهای آسنکرون به همراه توان اکتیو تا 65 درصد توان راکتیو سیستم قدرت را مصرف می کنند.
- کوره های القاییاین گیرنده های الکتریکی بزرگی هستند که برای عملکرد خود به مقدار زیادی توان راکتیو نیاز دارند. کوره های القایی فرکانس صنعتی اغلب برای ذوب فلزات استفاده می شود.
- واحدهای مبدل که جریان متناوب را با استفاده از یکسو کننده ها به جریان مستقیم تبدیل می کنند.این تاسیسات به طور گسترده ای در شرکت های صنعتیو حمل و نقل ریلی با استفاده از جریان مستقیم.
- حوزه اجتماعی و خانگی.افزایش تعداد درایوهای الکتریکی مختلف، دستگاه های تثبیت کننده و تبدیل و استفاده از مبدل های نیمه هادی منجر به افزایش توان راکتیو مصرفی می شود و این به نوبه خود بر عملکرد سایر گیرنده های الکتریکی تأثیر می گذارد و عمر مفید آنها را کاهش می دهد. و تلفات برق اضافی ایجاد می کند. لامپ های فلورسنت مدرن (به اصطلاح کم مصرف) که به طور فزاینده ای در آپارتمان ها و ادارات استفاده می شوند، مصرف کننده توان راکتیو نیز هستند.
عدم جبران توان راکتیو چه چیزی را برای مشترکین به همراه دارد؟
- برای ترانسفورماتور هنگام کاهش cosφظرفیت توان فعال به دلیل افزایش بار راکتیو کاهش می یابد.
- افزایش توان کل در هنگام کاهش cosφمنجر به افزایش جریان و در نتیجه تلفات توان می شود که متناسب با مجذور جریان است.
- افزایش جریان مستلزم افزایش سطح مقطع سیم و کابل است و هزینه های سرمایه ای برای شبکه های برق افزایش می یابد.
- در هنگام کاهش جریان را افزایش دهید cosφمنجر به افزایش افت ولتاژ در تمام قسمت های سیستم قدرت می شود که باعث کاهش ولتاژ در بین مصرف کنندگان می شود.
- در شرکت های صنعتی، کاهش ولتاژ باعث اختلال می شود کار معمولیگیرنده های الکتریکی سرعت چرخش موتورهای الکتریکی کاهش می یابد که منجر به کاهش بهره وری ماشین آلات کار می شود، بهره وری کوره های الکتریکی کاهش می یابد، کیفیت جوش بدتر می شود، شار نوری لامپ ها کاهش می یابد، توان عملیاتی شبکه های الکتریکی کارخانه کاهش می یابد، و در نتیجه کیفیت محصولات بدتر می شود.