Aktívny výkon (P)
Inými slovami, aktívny výkon možno nazvať: skutočný, skutočný, užitočný, skutočný výkon. V jednosmernom obvode je energia dodávajúca jednosmernú záťaž definovaná ako jednoduchý súčin napätia na záťaži a pretekajúceho prúdu, t.j.
pretože v obvode jednosmerného prúdu neexistuje žiadna koncepcia fázového uhla medzi prúdom a napätím. Inými slovami, v obvode jednosmerného prúdu nie je žiadny účinník.
Ale pri sínusových signáloch, to znamená v striedavých obvodoch, je situácia komplikovanejšia v dôsledku prítomnosti fázového rozdielu medzi prúdom a napätím. Preto je priemerná hodnota výkonu (činného výkonu), ktorý skutočne napája záťaž, definovaná ako:
V obvode striedavého prúdu, ak je čisto aktívny (odpor), vzorec pre výkon je rovnaký ako pre jednosmerný prúd: P \u003d U I.
Vzorce pre aktívny výkon
P = U I - v obvodoch jednosmerného prúdu
P = U I cosθ - v jednofázových striedavých obvodoch
P = √3 U L I L cosθ - v trojfázových striedavých obvodoch
P = 3 U Ph I Ph cosθ
P \u003d √ (S 2 - Q 2) alebo
P =√ (VA 2 - var 2) príp
Činný výkon = √ (zdanlivý výkon 2 - jalový výkon 2) resp
kW = √ (kVA 2 - kvar 2)
Jalový výkon (Q)
Bolo by tiež silné nazvať to zbytočnou alebo zbytočnou silou.
Výkon, ktorý neustále prúdi tam a späť medzi zdrojom a záťažou, je známy ako jalový výkon (Q).
Jalový výkon je výkon, ktorý je spotrebovaný a potom vrátený záťažou vďaka svojim reaktívnym vlastnostiam. Jednotkou aktívneho výkonu je watt, 1 W = 1 V x 1 A. Energia jalový výkon najprv nahromadené a potom uvoľnené ako magnetické pole alebo elektrické pole v prípade induktora alebo kondenzátora.
Jalový výkon je definovaný ako
a môže byť kladný (+Ue) pre indukčné záťaže a záporný (-Ue) pre kapacitné záťaže.
Jednotkou jalového výkonu je jalový voltampér (var): 1 var = 1 V x 1 A. Jednoducho povedané, jednotka jalového výkonu určuje veľkosť magnetického alebo elektrického poľa produkovaného 1 V x 1 A.
Vzorce pre jalový výkon
Jalový výkon = √ (zdanlivý výkon 2 – aktívny výkon 2)
var \u003d √ (VA 2 – P 2)
kvar = √ (kVA 2 - kW 2)
Hrubý výkon (S)
Zdanlivý výkon je súčinom napätia a prúdu, pričom sa ignoruje fázový uhol medzi nimi. Všetka sieťová energia striedavého prúdu (rozptýlená a absorbovaná/vrátená) je zrejmá.
Kombinácia jalového a aktívneho výkonu sa nazýva zdanlivý výkon. Súčin efektívnej hodnoty napätia a efektívnej hodnoty prúdu v obvode striedavého prúdu sa nazýva zdanlivý výkon.
Je to súčin hodnôt napätia a prúdu bez zohľadnenia fázového uhla. Jednotkou zdanlivého výkonu (S) je VA, 1 VA = 1 V x 1 A. Ak je obvod čisto aktívny, zdanlivý výkon sa rovná činnému výkonu a v indukčnom alebo kapacitnom obvode (za prítomnosti reaktancie) je zdanlivý výkon väčší ako činný výkon.
Vzorec pre hrubú silu
Zdanlivý výkon = √ (jalový výkon 2 + jalový výkon 2)
kUA = √(kW 2 + kUAR 2)
Treba poznamenať, že:
- Rezistor spotrebúva aktívny výkon a odovzdáva ho vo forme tepla a svetla.
- Indukčnosť odoberá jalový výkon a vracia ho späť vo forme magnetického poľa.
- Kondenzátor prijíma jalový výkon a uvoľňuje ho vo forme elektrického poľa.
Pre energetikov podnikov a veľkých nákupné centrá o existencii reaktívnej energie niet pochýb. Mesačné účty a veľmi reálne peniaze, ktoré idú zaplatiť reaktívna elektrina , presvedčiť o reálnosti svojej existencie. Niektorí elektrotechnici však vážne, matematickými výpočtami, dokazujú, že tento typ elektriny je fikciou, že oddelenie elektrická energia na aktívne a reaktívne zložky umelo.
Skúsme a pochopíme túto otázku, najmä preto, že nepoznáme rozdiely odlišné typyšpekulujú tvorcovia elektriny. Sľubujúc obrovský záujem, vedome či nevedome nahrádzajú jeden druh elektrickej energie iným.
Začnime s pojmami aktívnej a reaktívnej elektriny. Bez toho, aby sme sa dostali do džungle elektrotechnických vzorcov, je možné určiť aktívna energia ako tá, ktorá funguje: ohrieva jedlo na elektrických sporákoch, rozžiari vašu izbu, ochladzuje vzduch klimatizáciou. A reaktívna elektrina vytvára potrebné podmienky na vykonávanie takejto práce. Nebude existovať žiadny jalový výkon a motory sa nebudú môcť otáčať, chladnička nebude fungovať. Vaše priestory nebudú dostávať napätie 220 voltov, pretože ani jeden napájací transformátor nefunguje bez spotreby reaktívnej elektriny.
Ak sú prúdové a napäťové signály súčasne pozorované na osciloskope, potom tieto dve sínusoidy majú vždy voči sebe posun o hodnotu tzv. fázový uhol. Práve tento posun charakterizuje príspevok reaktívnej energie k celkovej energii spotrebovanej záťažou. Meraním iba prúdu v záťaži nie je možné izolovať jalovú časť energie.
Vzhľadom na to, že jalová energia nefunguje, môže byť generovaná v mieste spotreby. Na to slúžia kondenzátory. Faktom je, že cievky a kondenzátory spotrebúvajú rôzne druhy reaktívna energia: indukčná a kapacitná, resp. Posúvajú krivku prúdu vzhľadom na napätie v opačných smeroch.
Vzhľadom na tieto okolnosti kondenzátor možno považovať za spotrebiteľa kapacitnej energie alebo za indukčný generátor. Pre motor, ktorý spotrebúva indukčnú energiu, sa môže stať jeho zdrojom kondenzátor umiestnený v blízkosti. Takáto reverzibilita je možná len pre reaktívne prvky obvodu, ktoré nefungujú. Pre aktívnu energiu takáto reverzibilita neexistuje: jej tvorba je spojená s nákladmi na palivo. Koniec koncov, pred prácou musíte vynaložiť energiu.
V domácich podmienkach organizácie na prenos energie neúčtujú poplatok za jalovú energiu a elektromer v domácnosti počíta iba aktívnu zložku elektrickej energie. Vo veľkých podnikoch je situácia úplne odlišná: veľké množstvo elektromotory, zváracie stroje a transformátory, ktoré vyžadujú reaktívnu energiu na prevádzku, vytvárajú dodatočné zaťaženie elektrických vedení. Súčasne sa zvyšujú prúdové a tepelné straty už aktívnej energie.
V týchto prípadoch sa spotreba jalovej energie zohľadňuje elektromerom a platí sa samostatne. Náklady na reaktívnu elektrinu sú nižšie ako náklady na aktívnu elektrinu, ale pri veľkých objemoch jej spotreby môžu byť platby veľmi významné. Okrem toho za spotrebu jalovej energie nad dohodnuté hodnoty sa ukladajú pokuty. Preto je pre takéto podniky ekonomicky výhodné vyrábať takúto energiu v mieste jej spotreby.
Na to sa používajú buď jednotlivé kondenzátory, alebo automatické nastavenia kompenzácie, ktoré monitorujú objemy spotreby a pripájajú alebo odpájajú kondenzátorové banky. Moderné kompenzačné systémy umožňujú výrazne znížiť spotrebu jalovej energie z vonkajšej siete.
Ak sa vrátime k otázke v nadpise článku, môžete na ňu odpovedať kladne. Reaktívna energia existuje. Bez nej je nemožná prevádzka elektrických inštalácií, v ktorých sa vytvára magnetické pole. Bez vykonávania viditeľnej práce je predsa nevyhnutnou podmienkou výkonu práce vykonávanej činnou elektrickou energiou.
Rovnako ako vo všeobecnej teórii oscilačných pohybov majú vektorové diagramy veľké využitie aj v teórii striedavých prúdov. Je zrejmé, že sínusovo sa mení elektromotorická sila
možno znázorniť ako projekciu vektora rotujúceho proti smeru hodinových ručičiek s uhlovou rýchlosťou, ktorého dĺžka je rovnaká a ktorého počiatočná poloha sa momentálne zhoduje s osou x.
Položme si otázku, ako bude vektorový diagram reprezentovať prúd tečúci pod vplyvom sínusovej elektromotorickej sily cez cievku s indukčnosťou
Ryža. 341. Vektorový diagram pre prípad indukčného odporu.
Ryža. 342. Vektorový diagram pre prípad kapacity.
Videli sme, že prúd v tomto prípade zaostáva za napätím o štvrtinu periódy. Štvrťperiodické oneskorenie bude vo vektorovom diagrame reprezentované oneskorením vektora prúdu o tak, že „indukčný“ vektor prúdu bude kolmý na vektor napätia (obr. 341) a bude za ním zaostávať o 90. Hodnota tohto vektora
Ak máme do činenia s prechodom striedavého prúdu cez kondenzátor, potom prúd predbehne elektromotorickú silu o štvrtinu periódy. To znamená, že vektor predstavujúci "kapacitný" prúd musí byť pred vektorom napätia zapnutý (obr. 342). Hodnota tohto vektora, ako sme videli vyššie, je určená vzťahom
V prípade aktívneho ohmického odporu je prúd vo fáze s napätím. To znamená, že vektor prúdu sa zhoduje v smere s vektorom napätia a jeho veľkosť je samozrejme určená Ohmovým zákonom.
Prúd, ktorého vektor sa zhoduje s vektorom napätia, sa nazýva aktívny prúd. Prúdy, ktorých vektory zaostávajú za vektorom napätia alebo ho vedú, sa nazývajú reaktívne prúdy. Výber takéhoto názvu je vysvetlený skutočnosťou, že sú to aktívne prúdy, ktoré určujú spotrebu energie obvodu striedavého prúdu, zatiaľ čo vybudenie jalového prúdu (t. j. prúdu, ktorý zaostáva za napätím alebo ho vedie o štvrtinu periódy) spotrebuje generátor počas každej štvrtiny periódy toľko energie ako v ďalšej štvrtine periódy, ktorú tento jalový prúd vracia generátoru (pozri obr. 33) V dôsledku toho sa ukazuje, že jalový prúd nevytvára prácu.
Vo všeobecnejšom prípade, keď je fázový posun medzi prúdom a napätím určený uhlom (v radiánoch), práca vykonaná striedavým prúdom v celočíselnom (alebo polovičnom) počte periód je úmerná
Skutočne, nechajte prúd zaostať za napätím o uhol
Potom je aktuálna práca za obdobie určená integrálom
a priemerný výkon spotrebovaný prúdom je určený pomerom tejto práce k trvaniu obdobia:
Ak zavedieme efektívne hodnoty prúdu a napätia, potom
Pri čisto reaktívnych prúdoch je výkon prenášaný elektrickým obvodom z generátora do záťaže v priemere rovný nule.
Pre akékoľvek dané hodnoty napätia a prúdu, čím menší je fázový rozdiel medzi nimi, a teda čím bližšie k jednote, tým viac energie sa prenáša prúdom z generátora do záťaže; preto sa nazýva účinník obvodu.
V mnohých prípadoch sú potrebné reaktívne prúdy. Ak teda napájame elektromagnet striedavým prúdom, povedzme na zdvíhanie železných predmetov, cievka elektromagnetu, predstavujúca v ideálnom prípade čisto indukčný odpor, spotrebuje jalový prúd zo siete, ktorý zaostáva za sieťovým napätím o
Vo väčšine prípadov, najmä pri napájaní transformátorov, ktoré slúžia na premenu striedavých napätí, je však dôležitý aktívny prúd, ktorý vzniká pri zaťažení sekundárneho vinutia transformátora (§ 84). Jalový prúd, ktorý je potrebný na vytvorenie magnetického poľa v jadre transformátora, je v podstate pomocný charakter; žiadne priamo neprodukuje užitočná práca.
Predpokladajme, že do siete je pripojených veľké množstvo transformátorov, ako to často býva. Každý z nich spotrebuje známy jalový prúd na vytvorenie magnetického poľa jadra. To výrazne znižuje účinník inštalácie.
Je však možné dosiahnuť zhodu vektora prúdu s vektorom napätia pomocou javu rezonancie (§ 83). Na tento účel je v sieti okrem transformátorov zahrnutá aj kapacita C, ktorá sa volí tak, aby sa jej jalový prúd rovnal celkovému jalovému prúdu transformátorov.
Vo vonkajšom obvode potom potečie iba aktívny prúd, pričom jalové prúdy transformátorov a kapacity sa navzájom kompenzujú. Budú cirkulovať iba v obvode: kapacitné - vinutia transformátora, bez vstupu do napájacej siete a generátora elektrárne. Pre napájacie vedenie a pre generátor bude elektráreň a jej pracovné podmienky najpriaznivejšie.
Táto udalosť má význam ekonomický význam. Je celkom jasné, že elektráreň a prenosové vedenia, ktoré nie sú zaťažené zbytočným jalovým prúdom, môžu byť zaťažené aktívnymi prúdmi vo väčšej miere.
Je potrebné poznamenať, že myšlienka jalového prúdu ako prúdu, ktorého fáza je posunutá vzhľadom na napätie, a ktorý teda v priemere nevytvára žiadnu prácu a nie je sprevádzaný rozptylom energie (pre vykurovacie drôty), je samozrejme idealizáciou (schematickým zjednodušením) procesov, ktoré sa v skutočnosti vyskytujú pri prechode striedavého prúdu cez cievky alebo kondenzátory. Záver, že fázy prúdov prechádzajúcich cievkou alebo kondenzátorom sa líšia od fázy napätia o 90°, by bol presný len vtedy, ak by prechod týchto prúdov nebol spojený s ohrevom vodičov a inými stratami (ako je naznačené v predchádzajúcom odseku). Prúd prechádzajúci cievkou sa však vo vzťahu k zahrievaniu drôtov, ku ktorému dochádza podľa zákona Joule-Lenz, nelíši od aktívneho prúdu rovnakej frekvencie (a pri vysokej frekvencii môže byť odpor vinutia cievky v dôsledku efektu kože významný).
Okrem toho sa časť prúdovej energie rozptýli v dôsledku hysteréznych strát v jadre cievky (ak nejaké sú) a Foucaultových prúdov v okolitých vodičoch, napríklad v kovových „obrazovkách“, v ktorých sú umiestnené rádiové cievky. Únik prúdu môže nastať aj kvôli nedokonalej izolácii atď. Straty energie prúdu, ale zvyčajne menšie ako v cievkach, sú pozorované aj pri prechode prúdu cez kondenzátory. V tomto prípade sú spôsobené najmä určitým časovým oneskorením od sily polarizačného poľa dielektrika (v tej jeho časti, ktorá je ovplyvnená
vplyv molekulárneho tepelného pohybu) a tiež niekedy prítomnosť malých iónových vodivých prúdov v dielektriku kondenzátora.
V dôsledku strát nie je prúd cez cievku alebo kondenzátor nikdy čisto reaktívny, to znamená, že jeho fázový posun vzhľadom na napätie nie je nikdy presne rovnaký, ale vždy sa ukáže, že je menší ako uhol nazývaný stratová ihla. Pri pôsobení napätia v ideálnej cievke by mal tiecť čisto jalový prúd s amplitúdou - v skutočnosti, ako je ukázané na konci nasledujúceho odseku (vo forme vysvetlenia tam odvodeného zovšeobecneného Ohmovho zákona), je excitovaný prúd s amplitúdou, ktorá sa znížila v dôsledku strát na hodnotu tohto skutočného prúdu cez cievku je súčtom aktívnych strát a strát jalového prúdu.
s amplitúdou zníženou na hodnotu z obr. 343. Podľa obr. 343
Ryža. 343. V dôsledku strát sa amplitúda prúdu cievkou znižuje na hodnotu a amplitúda jalového prúdu - na hodnotu, pri ktorej je uhol straty.
Podobné vzťahy a rovnaký diagram platia aj pre prúd cez kondenzátor. Keďže aktívny prúd je prúd, ktorého fáza sa zhoduje s napätím, je zrejmé, že stratový výkon v dôsledku strát sa rovná Rovnaký výkon bude disipovaný v obvode zloženom z ideálnej cievky s rovnakou indukčnosťou a určitým odporom zapojeným do série (nazývaný stratový odpor), ak je tento odpor určený len z podmienky rovnosti disipovaných výkonov:
Ako je spomenuté vyššie,
Preto sa ukazuje, že
Nahradením tejto hodnoty amplitúdy aktívneho prúdu do vyššie uvedeného výrazu pre stratovú tangentu sa dostaneme k vzorcu, ktorý sa považuje za hlavný pri analýze vplyvu strát na režim striedavého prúdu v elektrické obvody:
Z významu odvodenia tohto vzorca je zrejmé, že podobný vzťah platí aj pre stratovú tangentu v obvode s kondenzátorom
Pri rádiotechnických výpočtoch sa často používa prevrátená hodnota tangens straty, ktorá sa nazýva faktor kvality elektrického obvodu (pozri strany 460 a 485):
Straty vo veľkých induktoroch sú veľmi závislé od konštrukcie a magnetických vlastností jadra a konštrukcie vinutia. Pri správnom návrhu by sa straty v jadre a vo vinutí (nie rovnako závislé od frekvencie) mali čo najviac vyrovnať.
Na zníženie strát pre Foucaultove prúdy sú jadrá vyrobené z tenkých plechov transformátorového železa (0,5-0,35 mm hrubé), potiahnuté tenkou (0,05 mm) vrstvou laku, aby boli navzájom izolované. Straty v takýchto jadrách sú asi na kilogram hmotnosti jadra. Veľkosť drôtov sa volí s prihliadnutím na zvýšenie ich odporu v dôsledku kožného efektu, takže počas prevádzky sú straty vo vinutí približne rovnaké ako straty v jadre. Celkové straty v jadre a vinutí transformátorov s vysokým výkonom (rádovo 3-4% a v transformátoroch veľmi vysokého výkonu (rádovo niekoľko desatín percenta)
Straty v malých transformátoroch laboratórneho typu a vo "výkonových" transformátoroch používaných v rádiových zariadeniach zvyčajne nie sú menšie ako 10-12% (často okolo 30%) sú straty v tlmivkách a transformátoroch zosilňovača zvukovej frekvencie Primárne vinutie transformátorov pre prúdy zvukovej frekvencie pozostáva z 2000-5000 závitov a má indukčnosť
Cievky rezonančných obvodov rádiových frekvencií majú indukčnosť rádovo tisícin (a pre krátke vlny milióntiny) henryho. Takáto indukčnosť je vytvorená relatívne malým počtom závitov drôtu bez feromagnetického jadra. V tomto ohľade sú straty v RF cievkach malé - asi 1% (tangens straty uhla - od 0,02 do 0,005).
Straty v kondenzátoroch (s výnimkou elektrolytických kondenzátorov) zvyčajne nepresahujú to, čo zodpovedá stratovej tangente.V elektrolytických kondenzátoroch môže stratová tangenta dosiahnuť 0,2.
Medzi najlepšie izolátory (m rezistivita rádu ohm-cm) vyniknúť najmenšia hodnota stratová tangenta: tavený kremeň, sľuda-muskovit, parafín a polystyrén; pre nich
Všeobecná závislosť elektrickej energie od elektrického prúdu a napätia je už dlho známa: ide o produkt. Prúd vynásobíme napätím - zo siete dostaneme hodnotu tejto veličiny spotrebovanej obvodom.
V skutočnosti však veci nemusia byť také jednoduché. Pretože jednoduchým vynásobením napätia prúdom dostaneme hodnotu zdanlivého výkonu. Zdalo by sa - to je to, čo potrebujete! Koniec koncov, zvyčajne nás zaujíma plnú hodnotu akejkoľvek veľkosti.
Takýto postoj však nemožno rozšíriť na elektrickú energiu, keďže elektrina a sila, na základe ktorej sa menia stavy nášho bytového elektromera, nie sú plné, ale aktívne.
Aktívna sila- toto je výkon, ktorý sa spotrebuje v momente, keď je v sieti súčasne napätie aj synchrónne s ním elektriny. V skutočnosti sa v jednosmerných obvodoch, s výnimkou prechodových javov zapnutia a vypnutia, presne toto deje.
Napätie neustále „tlačí“, ak je obvod uzavretý, určitý prúd neustále „tlačí“. V dôsledku toho sa zdanlivý a činný výkon vyrovnajú, pretože prúd a napätie pôsobia v súlade.
Ďalšou vecou sú striedavé obvody. Napätie v nich mení smer päťdesiatkrát za sekundu a prúd ... niekedy zaostáva a niekedy pred napätím. Napríklad, ak je v obvode „indukčnosť“, to znamená cievka drôtu s mnohými závitmi, prúd na takomto prvku obvodu bude „zaostávať“ za napätím.
Dôvodom je spätné EMF samoindukcie odolávajúce zmene prúdu v cievke. Ukazuje sa, že napätie už bolo privedené na induktor a prúd sa nemôže žiadnym spôsobom zvýšiť v dôsledku rušenia zo spätného EMF.
Medzi študentmi mnohých elektrických univerzít existuje také umelecké prirovnanie: „Trvá čas, kým prúd prejde každým otočením, a napätie je už na koncoch cievky.“
Protiindukčné emf spôsobuje pokles napätia a pokles prúdu v obvode. To znamená, že cievka je zdrojom indukčného odporu. Od aktívneho odporu sa však líši tým, že sa na ňom nevytvára žiadne teplo a nespotrebúva sa vôbec žiadna energia v obvyklom zmysle.
Jednoducho dochádza k „prázdnej“ transfúzii elektriny zo zdroja na indukčnosť. A energia, ktorá je presmerovaná tam a späť ako loptička na stolný tenis, neopúšťa sieť nikam. Ide o jalovú energiu a spotrebiteľ v domácnosti za ňu nemusí platiť dodávateľskej spoločnosti.
Reaktívna energia, vyrobený v sieti za jednotku času, možno považovať za jalový výkon. Vypočítava sa rovnako ako aktívna - súčinom jalovej zložky prúdu a napätia.
Reaktívna zložka prúdu je taká, ktorá sa nezhoduje s napätím vo svojej fáze. Hodnota "nesúladu" je charakterizovaná uhlom fázového posunu. V prípade čistej indukčnosti je fázový posun maximálne -90°. To znamená, že keď napätie dosiahne najvyššiu hodnotu, prúd práve začne stúpať.
A ak je v obvode umiestnený kondenzátor (kapacita), napätie naopak zaostane za prúdom o 90 stupňov, pretože na výskyt poklesu napätia musí kondenzátor nabiť svoje dosky.
Rovnakým spôsobom si zdroj a kondenzátor v rovnakom obvode budú vymieňať reaktívnu energiu, ktorá nebude vynaložená na nič.
V skutočnom obvode neexistuje čisto odporová alebo čisto reaktívna záťaž, takže zdanlivý výkon vždy pozostáva z aktívnej a reaktívnej zložky a fázový uhol je medzi nulou a 90 °.
Reaktívna zložka prúdu sa rovná jeho súčinu sínusu uhla fázového posunu a aktívna zložka sa rovná súčinu kosínusu tohto uhla:
Q=I*sinφ; P=I*cosφ
Celkový výkon možno nájsť pomocou Pytagorovej vety:
S=√(P^2+Q^2);
Zároveň jalový výkon na rozdiel od aktívneho výkonu nemožno počítať vo wattoch, pretože je neefektívny. Preto pre jalový výkon prišli so špeciálnou jednotkou merania - reaktívne voltampéry (VAR). Celková suma sa meria vo voltampéroch bez špecifikácie charakteru záťaže.
Ako viete, alternátor produkuje dva druhy elektrickej energie - aktívnu a reaktívnu. Aktívna energia sa spotrebúva v elektrických peciach, lampách, elektrických strojoch a iných spotrebiteľoch, pričom sa mení na iné druhy energie - tepelnú, svetelnú, mechanickú. Reaktívna energia nie je spotrebovaná spotrebiteľmi a vracia sa cez prívodné vedenie do generátora. To má za následok zvýšenie prúdu pretekajúceho cez ES, a teda vyžaduje zväčšenie ich prierezovej plochy.
Kompenzácia jalového výkonu
V elektrických obvodoch obsahujúcich kombinované odpory (záťaž), najmä aktívne (žiarovky, elektrický ohrievač atď.) a indukčné (elektromotory, distribučné transformátory, zváracie zariadenia, žiarivky atď.) súčiastky, možno celkový výkon odoberaný zo siete vyjadriť nasledujúcim vektorovým diagramom:
Fázové oneskorenie prúdu od napätia v indukčných prvkoch spôsobuje časové intervaly (pozri obr.) Keď napätie a prúd majú opačné znamienka: napätie je kladné a prúd záporné a naopak. V týchto momentoch sa energia nespotrebováva záťažou, ale je privádzaná späť cez sieť smerom ku generátoru. V tomto prípade sa elektrina uložená v každom indukčnom prvku šíri sieťou, pričom sa nerozptyľuje v aktívnych prvkoch, ale vykonáva oscilačné pohyby (od záťaže ku generátoru a späť). Zodpovedajúci výkon sa nazýva jalový výkon.
Celkový výkon je súčtom aktívneho výkonu, ktorý vykonáva užitočnú prácu, a jalového výkonu, ktorý sa vynakladá na vytváranie magnetických polí a vytvára dodatočné zaťaženie siločiary výživa. Pomer medzi zdanlivým a činným výkonom, vyjadrený ako kosínus uhla medzi ich vektormi, sa nazýva účinník.
Aktívna energia sa premieňa na užitočnú – mechanickú, tepelnú a inú energiu. Reaktívna energia nie je spojená s výkonom užitočnej práce, ale je potrebné ju vytvárať elektromagnetického poľa, ktorého prítomnosť je nevyhnutnou podmienkou pre prevádzku elektromotorov a transformátorov. Spotreba jalového výkonu z organizácie napájania je nevhodná, pretože vedie k zvýšeniu výkonu generátorov, transformátorov, prierezu napájacích káblov (zníženie priepustnosti), ako aj k zvýšeniu aktívnych strát a poklesu napätia (v dôsledku zvýšenia jalovej zložky prúdu napájacej siete). Preto musí byť jalový výkon získavaný (generovaný) priamo od spotrebiteľa. Táto funkcia sa vykonáva Kompenzačné jednotky jalového výkonu (KRM), ktorého hlavnými prvkami sú kondenzátory.
Inštalácie KRM sú výkonové prijímače s kapacitným prúdom, ktoré počas prevádzky generujú vedúci jalový výkon (prúd vo fázovom vedení napätia) na kompenzáciu oneskoreného jalového výkonu generovaného indukčnou záťažou.
Jalový výkon Q je úmerný jalovému prúdu pretekajúcemu cez indukčný prvok:
Q=UxIL,
kde IL je jalový (indukčný) prúd, U je sieťové napätie. Celkový prúd dodávajúci záťaž je teda súčtom aktívnych a indukčných zložiek:
I = IR + IL.
Na zníženie podielu jalového prúdu v systéme "generátor-záťaž" sú paralelne so záťažou zapojené kompenzátory (inštalácie KRM). V tomto prípade sa jalový výkon už nepohybuje medzi generátorom a záťažou, ale vytvára lokálne oscilácie medzi reaktívnymi prvkami - vinutiami indukčnej záťaže a kompenzátorom. Takáto kompenzácia jalového výkonu (zníženie indukčného prúdu v systéme generátor-záťaž) umožňuje najmä preniesť viac aktívneho výkonu na záťaž pri rovnakom menovitom zdanlivom výkone generátora.
Prečo je potrebná kompenzácia jalového výkonu?
Hlavnou záťažou v priemyselných energetických sieťach sú asynchrónne elektromotory a distribučné transformátory. Táto indukčná záťaž v procese prevádzky je zdrojom jalovej elektriny (jalový výkon), ktorý osciluje medzi záťažou a zdrojom (generátorom), nie je spojený s výkonom užitočnej práce, ale vynakladá sa na vytváranie elektromagnetických polí a vytvára dodatočné zaťaženie napájacích vedení.
Jalový výkon je charakterizovaný oneskorením (v indukčných prvkoch prúd zaostáva za napätím vo fáze) medzi sínusoidami fáz napätia a prúdu siete. Ukazovateľ spotreby jalového výkonu je účinník (KM), číselne sa rovná kosínusu uhla (φ) medzi prúdom a napätím. KM odberateľa je definovaný ako pomer spotrebovaného činného výkonu k celkovému výkonu skutočne odobranému zo siete, t.j.: cos(f) = P/S. Tento koeficient sa používa na charakterizáciu úrovne jalového výkonu motorov, generátorov a siete podniku ako celku. Čím je hodnota cos(φ) bližšie k jednotke, tým menší je podiel jalového výkonu odoberaného zo siete.
Príklad: pri cos(f) = 1 je na prenos 500 KW v sieti striedavého prúdu 400 V potrebný prúd 722 A. Na prenos rovnakého činného výkonu s koeficientom cos(f) = 0,6 stúpne hodnota prúdu na 1203 A.
- existujú dodatočné straty vo vodičoch v dôsledku zvýšenia prúdu;
- kapacita distribučnej siete je znížená;
- sieťové napätie sa odchyľuje od menovitej hodnoty (pokles napätia v dôsledku zvýšenia jalovej zložky sieťového prúdu).
Všetky vyššie uvedené skutočnosti sú hlavným dôvodom, prečo spoločnosti dodávajúce energiu požadujú od spotrebiteľov zníženie podielu jalového výkonu v sieti.
Riešením tohto problému je kompenzácia jalového výkonu - dôležité a nevyhnutná podmienka hospodárne a spoľahlivé fungovanie systému napájania podniku. Táto funkcia sa vykonáva Zariadenia na kompenzáciu jalového výkonu (KRM-kondenzátorové jednotky)
,
ktorých hlavnými prvkami sú kondenzátory.
Správna kompenzácia jalového výkonu umožňuje:
- znížiť všeobecné výdavky na elektrinu;
- znížiť zaťaženie prvkov distribučnej siete (napájacie vedenia, transformátory a rozvádzače), čím sa predlžuje ich životnosť;
- znížiť tepelné straty prúdu a náklady na elektrickú energiu;
- znížiť vplyv vyšších harmonických;
- potlačiť rušenie siete, znížiť fázovú nerovnováhu;
- dosiahnuť vyššiu spoľahlivosť a efektívnosť distribučných sietí.
Okrem toho v existujúce siete dovoľuje:
- eliminovať tvorbu reaktívnej energie do siete počas hodín minimálneho zaťaženia;
- znížiť náklady na opravu a obnovu vozového parku elektrických zariadení;
- zvýšiť kapacitu napájacieho systému spotrebiteľa, čo umožní pripojenie ďalších záťaží bez zvýšenia nákladov na siete;
- poskytovať informácie o parametroch a stave siete,
a v novovytvorených sieťach - znížiť výkon rozvodní a prierez káblových vedení, čo zníži ich náklady.
Tam, kde je potrebná kompenzácia jalového výkonu
Jedným z hlavných smerov znižovania strát elektriny a zvyšovania účinnosti elektroinštalácie priemyselných podnikov je kompenzácia jalového výkonu pri súčasnom zvýšení kvality elektriny priamo v sieťach podnikov. Nižší účinník cos (ph) zároveň aktívne zaťaženie napájacie prijímače, tým väčšia je strata výkonu a pokles napätia v prvkoch napájacích systémov. Preto sa treba vždy snažiť získať najväčšiu hodnotuúčinník.
Na vyriešenie tohto problému sa používajú kompenzačné zariadenia, tzv zariadenia na kompenzáciu jalového výkonu (KRM),
ktorých hlavnými prvkami sú kondenzátory. Použitie inštalácií KRM umožňuje vylúčiť platbu za odber zo siete a výrobu jalového výkonu do siete, pričom sa výrazne zníži výška platby za spotrebovanú energiu, určená tarifami elektrizačnej sústavy.
Aplikácia inštalácií KRM efektívne
v podnikoch, kde sa používajú obrábacie stroje, kompresory, čerpadlá, zváracie transformátory, elektrické pece, elektrolýzy a iné spotrebiče energie s prudko sa meniacim zaťažením, teda v hutníckom, baníckom, potravinárskom priemysle, v strojárstve, drevospracujúcom priemysle a výrobe stavebných hmôt - teda všade tam, kde sa vzhľadom na špecifiká výrobných a technologických procesov pohybuje hodnota cos (f) od 0,8,5 do 0,5,5 až
Aplikácia kompenzačných jednotiek jalového výkonu KRM nevyhnutné spoločnosti využívajúce:
- Asynchrónne motory (cos(f) ~ 0,7);
- Asynchrónne motory, pri čiastočnom zaťažení (cos(f) ~ 0,5);
- Zariadenia na elektrolýzu usmerňovača (cos(f) ~ 0,6);
- Elektrické oblúkové pece (cos(f) ~ 0,6);
- Indukčné pece (cos(f) ~ 0,2-0,6);
- Vodné čerpadlá (cos(f) ~ 0,8);
- Kompresory (cos(f) ~ 0,7);
- Stroje, obrábacie stroje (cos(f) ~ 0,5);
- Zváracie transformátory (cos(f) ~ 0,4);
- Žiarivky (cos (f) ~ 0,5-0,6).
Zdanlivé zníženie výkonu s kompenzáciou jalového výkonu:
* údaje získané na základe všeobecných prevádzkových skúseností inštalácií KRM
Pre prax je podstatné, že jalovú záťaž indukčného charakteru možno kompenzovať paralelným pripojením kapacitnej záťaže. Pri starostlivom štúdiu je tento jav zrejmý: oneskorený prúd indukčnej vetvy takéhoto obvodu je kompenzovaný vedúcim prúdom kapacitnej vetvy. Pri správnom výbere kapacity môže byť prúdové oneskorenie v obvode takmer úplne kompenzované (cos f = 1). Kondenzátory zapojené paralelne s indukčnou záťažou na kompenzáciu jej RM sa nazývajú kompenzačné alebo kosínusové (keďže slúžia na zvýšenie cos f EM).
Kompenzačné metódy
Kompenzácia PM môže byť individuálna (lokálna), keď sú kondenzátory namontované v tesnej blízkosti každého spotrebiteľa a skupiny pomocou špeciálnych kondenzátorových jednotiek, zvyčajne umiestnených v blízkosti transformátorových staníc, distribučných bodov atď., pripojených na začiatok každého skupinového vedenia. Táto metóda je vhodná pre veľké elektrárne.
Prečo je potrebná kompenzácia jalového výkonu v elektrických distribučných sieťach?
Aktívny výkon vyrábajú iba generátory elektrární. Reaktívny výkon generujú generátory elektrární (synchrónne motory staníc v režime prebuzení), ako aj kompenzačné zariadenia (napríklad kondenzátorové banky).
Prenos jalového výkonu z generátorov cez elektrickú sieť k spotrebičom (indukčné prijímače) spôsobuje náklady na činný výkon v sieti vo forme strát a dodatočne zaťažuje prvky elektrickej siete, čím znižuje ich celkovú priepustnosť.
Takže napríklad generátor s menovitým výkonom 1250 kVA pri menovitom účinníku cosφ = 0,8 môže spotrebiteľovi poskytnúť aktívny výkon rovnajúci sa 1250 × 0,8 = 1000 kW. Ak bude generátor pracovať s cosφ = 0,6, potom bude sieť dostávať aktívny výkon rovný 1250 × 0,6 = 750 kW (aktívny výkon je nedostatočne využitý o štvrtinu).
Preto sa spravidla neodporúča zvyšovať výkon jalového výkonu generátormi staníc, aby ho dodali spotrebiteľom. Najväčší ekonomický efekt sa dosiahne, keď sú kompenzačné zariadenia (výroba jalového výkonu) umiestnené v blízkosti indukčných výkonových prijímačov, ktoré spotrebúvajú jalový výkon.
Indukčné prijímače energie alebo spotrebiče jalového výkonu
- Transformátor. Je jedným z hlavných článkov prenosu elektriny zo zdroja elektrickej energie k spotrebiteľovi a je určený na premenu cez elektromagnetická indukcia striedavé sústavy jedného napätia do sústavy striedavého prúdu iného napätia s konštantnou frekvenciou a bez výrazných strát výkonu.
- asynchrónny motor. Asynchrónne motory spolu s aktívnym výkonom spotrebujú až 65% jalového výkonu energetického systému.
- Indukčné pece. Ide o veľké výkonové prijímače, ktoré na svoju činnosť vyžadujú veľké množstvo jalového výkonu. Na tavenie kovov sa často používajú vysokofrekvenčné indukčné pece.
- Zariadenia s meničom, ktoré menia striedavý prúd na jednosmerný prúd pomocou usmerňovačov. Tieto inštalácie sú široko používané v priemyselné podniky a železničná doprava jednosmerným prúdom.
- Sociálna sféra. Zvýšenie počtu rôznych elektrických pohonov, stabilizačných a konvertorových zariadení, použitie polovodičových meničov vedie k zvýšeniu spotrebovaného jalového výkonu, čo zase ovplyvňuje prevádzku iných spotrebiteľov energie, znižuje ich životnosť a vytvára ďalšie straty energie. Spotrebiteľmi jalového výkonu sú aj moderné žiarivky (tzv. energeticky úsporné), ktoré sa čoraz častejšie používajú v bytoch a kanceláriách.
K čomu vedie nedostatočná kompenzácia jalového výkonu pre účastníkov?
- Pre transformátory s poklesom cosφ priepustnosť činného výkonu klesá v dôsledku zvýšenia jalového zaťaženia.
- Hrubý nárast výkonu pri zostupe cosφ vedie k zvýšeniu prúdu a následne k stratám výkonu, ktoré sú úmerné druhej mocnine prúdu.
- Zvýšenie prúdu si vyžaduje zvýšenie prierezov vodičov a káblov a kapitálové náklady na elektrické siete rastú.
- Zvyšujúci sa prúd pri znižovaní cosφ vedie k zvýšeniu straty napätia vo všetkých častiach energetického systému, čo spôsobuje zníženie napätia pre spotrebiteľov.
- V priemyselných podnikoch pokles napätia narúša normálnu prevádzku elektrických prijímačov. Frekvencia otáčania elektromotorov klesá, čo vedie k zníženiu produktivity pracovných strojov, znižuje sa produktivita elektrických pecí, zhoršuje sa kvalita zvárania, znižuje sa svetelný tok lámp, znižuje sa priepustnosť továrenských elektrických sietí a v dôsledku toho sa zhoršuje kvalita výrobkov.