Reattanza in ingegneria elettrica

Famoso nell'ingegneria elettrica Legge di Ohm spiega che se una differenza di potenziale viene applicata alle estremità di una sezione del circuito, sotto la sua azione scorrerà una corrente elettrica, la cui forza dipende dalla resistenza del mezzo.

Le sorgenti di tensione CA creano una corrente nel circuito ad esse collegato, che può seguire la forma dell'onda sinusoidale della sorgente o essere spostata in avanti o indietro di un angolo rispetto ad essa.

Se il circuito elettrico non cambia la direzione del flusso di corrente e il suo vettore di fase coincide completamente con la tensione applicata, allora tale sezione ha una resistenza puramente attiva. Quando c'è una differenza nella rotazione dei vettori, parlano della natura reattiva della resistenza.

Diversi elementi elettrici hanno diverse capacità di deviare la corrente che li attraversa e cambiarne la grandezza.

Reattanza della bobina

Prendi una fonte di tensione CA stabilizzata e un pezzo di filo lungo isolato. Innanzitutto, colleghiamo il generatore all'intero filo dritto, quindi ad esso, ma avvolto in anelli attorno circuito magnetico, che viene utilizzato per migliorare il passaggio dei flussi magnetici.

Misurando accuratamente la corrente in entrambi i casi, si può vedere che nel secondo esperimento si osserverà una significativa diminuzione del suo valore e un ritardo di fase ad un certo angolo.

Ciò è dovuto alla comparsa di forze opposte di induzione manifestate sotto l'azione della legge di Lenz.

Nella figura, il passaggio della corrente primaria è mostrato da frecce rosse, e il campo magnetico da essa generato è mostrato in blu. La direzione del suo movimento è determinata dalla regola della mano destra. Attraversa anche tutte le spire adiacenti all'interno della bobina e induce una corrente in esse, indicata dalle frecce verdi, che indebolisce il valore della corrente primaria applicata spostando la sua direzione rispetto all'EMF applicato.

Maggiore è il numero di spire avvolte sulla bobina, maggiore è la reattanza induttiva X.Lriduce la corrente primaria.

Il suo valore dipende dalla frequenza f, l'induttanza L, calcolata dalla formula:

xL= 2πfL = ωL

Superando le forze di induttanza, la corrente della bobina ritarda la tensione di 90 gradi.

Resistenza del trasformatore

Questo dispositivo ha due o più bobine su un circuito magnetico comune. Uno di loro riceve elettricità da una fonte esterna e viene trasmessa agli altri secondo il principio della trasformazione.

La corrente primaria che passa attraverso la bobina di potenza induce un flusso magnetico dentro e intorno al circuito magnetico, che attraversa le spire della bobina secondaria e forma una corrente secondaria in essa.

Perché è perfetto per creare progettazione del trasformatore è impossibile, parte del flusso magnetico si disperderà nell'ambiente e creerà perdite.Questi sono chiamati flusso di dispersione e influenzano la quantità di reattanza di dispersione.

A questi si aggiunge la componente attiva della resistenza di ciascuna bobina. Il valore totale ottenuto è chiamato impedenza elettrica del trasformatore o suo resistenza complessa Z, creando una caduta di tensione su tutti gli avvolgimenti.

Per l'espressione matematica delle connessioni all'interno del trasformatore, la resistenza attiva degli avvolgimenti (solitamente in rame) è indicata con gli indici "R1" e "R2", e quella induttiva con "X1" e "X2".

L'impedenza in ciascuna bobina è:

• Z1 = R1 + jX1;

• Z2 = R1 + jX2.

In questa espressione, il pedice «j» denota un'unità immaginaria situata sull'asse verticale del piano complesso.

Il regime più critico in termini di resistenza induttiva e presenza di una componente di potenza reattiva si crea quando i trasformatori sono collegati in parallelo.

Resistenza del condensatore

Strutturalmente, comprende due o più piastre conduttive separate da uno strato di materiale con proprietà dielettriche. A causa di questa separazione, la corrente continua non può passare attraverso il condensatore, ma la corrente alternata può, ma con una deviazione dal suo valore originale.

Il suo cambiamento è spiegato dal principio di azione della resistenza reattiva - capacitiva.

Sotto l'azione di una tensione alternata applicata, che cambia in forma sinusoidale, si verifica un salto sulle piastre, un accumulo di cariche di energia elettrica di segno opposto. Il loro numero totale è limitato dalle dimensioni del dispositivo ed è caratterizzato dalla capacità. Più è grande, più tempo ci vuole per caricarsi.

Durante il successivo mezzo ciclo di oscillazione, la polarità della tensione attraverso le piastre del condensatore viene invertita.Sotto la sua influenza, c'è un cambiamento nei potenziali, una ricarica delle cariche formate sulle piastre. In questo modo si crea il flusso della corrente primaria e si crea l'opposizione al suo passaggio man mano che diminuisce di intensità e si sposta lungo l'angolo.

Gli elettricisti scherzano su questo. La corrente continua sul grafico è rappresentata da una linea retta, e quando passa lungo il filo, la carica elettrica, raggiungendo la piastra del condensatore, poggia sul dielettrico, entrando in un vicolo cieco. Questo ostacolo gli impedisce di passare.

L'armonica sinusoidale attraversa gli ostacoli e la carica, rotolando liberamente sulle lastre verniciate, perde una piccola frazione dell'energia che viene catturata sulle lastre.

Questo scherzo ha un significato nascosto: quando viene applicata una tensione pulsante costante o rettificata alle piastre tra le piastre, a causa dell'accumulo di cariche elettriche da esse, viene creata una differenza di potenziale rigorosamente costante, che appiana tutti i salti nell'alimentazione circuito. Questa proprietà di un condensatore con capacità aumentata viene utilizzata negli stabilizzatori di tensione costante.

In generale, la resistenza capacitiva Xc, ovvero l'opposizione al passaggio di corrente alternata attraverso di essa, dipende dal progetto del condensatore, che determina la capacità «C», ed è espressa dalla formula:

Xc = 1/2πfC = 1 / ω°C

A causa della ricarica delle piastre, la corrente attraverso il condensatore aumenta la tensione di 90 gradi.

Reattività della linea elettrica

Ogni linea elettrica è progettata per trasmettere energia elettrica. È consuetudine rappresentarlo come sezioni di circuito equivalenti con parametri distribuiti di attivo r, reattivo (induttivo) x resistenza e conduttanza g, per unità di lunghezza, solitamente un chilometro.

Se trascuriamo l'influenza della capacità e della conduttanza, allora possiamo usare un circuito equivalente semplificato per una linea con parametri paralleli.

Linea elettrica aerea

La trasmissione di elettricità su fili scoperti esposti richiede una distanza significativa tra loro e dal suolo.

In questo caso, la resistenza induttiva di un chilometro di conduttore trifase può essere rappresentata dall'espressione X0. Dipende:

• distanza media degli assi dei fili tra loro asr;

• diametro esterno dei fili di fase d;

• permeabilità magnetica relativa del materiale µ;

• resistenza induttiva esterna della linea X0';

• resistenza induttiva interna della linea X0 «.

Per riferimento: la resistenza induttiva di 1 km di una linea aerea di metalli non ferrosi è di circa 0,33 ÷ 0,42 Ohm / km.

Linea di trasmissione via cavo

Una linea elettrica che utilizza un cavo ad alta tensione è strutturalmente diversa da una linea aerea. La sua distanza tra le fasi dei fili è notevolmente ridotta ed è determinata dallo spessore dello strato isolante interno.

Tale cavo a tre fili può essere rappresentato come un condensatore con tre guaine di fili tese su una lunga distanza. All'aumentare della sua lunghezza, la capacità aumenta, la resistenza capacitiva diminuisce e la corrente capacitiva che si chiude lungo il cavo aumenta.

I guasti a terra monofase si verificano più spesso nelle linee dei cavi sotto l'influenza di correnti capacitive. Per la loro compensazione nelle reti 6 ÷ 35 kV, vengono utilizzati reattori di soppressione dell'arco (DGR), che sono collegati attraverso il neutro messo a terra della rete. I loro parametri sono selezionati da metodi sofisticati di calcoli teorici.

I vecchi GDR non funzionavano sempre in modo efficace a causa della scarsa qualità dell'accordatura e delle imperfezioni del design. Sono progettati per le correnti di guasto nominali medie, che spesso differiscono dai valori effettivi.

Al giorno d'oggi vengono introdotti nuovi sviluppi di GDR, in grado di monitorare automaticamente le situazioni di emergenza, misurare rapidamente i loro parametri principali e regolare per un'estinzione affidabile delle correnti di guasto a terra con una precisione del 2%. Grazie a ciò, l'efficienza dell'operazione GDR aumenta immediatamente del 50%.

Il principio di compensazione della componente reattiva della potenza dalle unità del condensatore

Le reti elettriche trasmettono elettricità ad alta tensione su lunghe distanze. La maggior parte dei suoi utenti sono motori elettrici con resistenza induttiva ed elementi resistivi. La potenza totale inviata ai consumatori è costituita dal componente attivo P, utilizzato per svolgere lavoro utile, e dal componente reattivo Q, che provoca il riscaldamento degli avvolgimenti di trasformatori e motori elettrici.

La componente reattiva Q derivante dalle reattanze induttive riduce la qualità dell'energia. Per eliminare i suoi effetti dannosi negli anni ottanta del secolo scorso, nel sistema di alimentazione dell'URSS è stato utilizzato uno schema di compensazione collegando banchi di condensatori con resistenza capacitiva, che ha ridotto coseno di un angolo φ.

Sono stati installati nelle sottostazioni che alimentano direttamente i consumatori problematici. Ciò garantisce la regolazione locale della qualità dell'energia.

In questo modo è possibile ridurre sensibilmente il carico sull'apparecchiatura riducendo la componente reattiva a parità di potenza attiva trasmessa.Questo metodo è considerato il metodo più efficace per risparmiare energia non solo nelle imprese industriali, ma anche nei servizi residenziali e comunali. Il suo uso competente può migliorare significativamente l'affidabilità dei sistemi di alimentazione.