Alimentazione CA e perdite di potenza

La potenza di un circuito che ha solo resistenze attive è chiamata potenza attiva P. Viene calcolata come di consueto utilizzando una delle seguenti formule:

La potenza attiva caratterizza il consumo irreversibile (irreversibile) dell'energia attuale.

In catene corrente alternata ci sono molte più cause che causano perdite di energia irrecuperabili rispetto ai circuiti DC. Questi motivi sono i seguenti:

1. Riscaldare il filo con la corrente… Per la corrente continua, il riscaldamento è quasi l'unica forma di perdita di energia. E per la corrente alternata, che ha lo stesso valore della corrente continua, la perdita di energia per il riscaldamento del filo è maggiore a causa dell'aumento della resistenza del filo dovuto all'effetto superficiale. Il più alto frequenza attuale, più colpisce effetto superficiale e la maggiore perdita per il riscaldamento del filo.

2. Perdite per creare correnti parassite, altrimenti chiamate correnti di Foucault… Queste correnti sono indotte in tutti i corpi metallici in un campo magnetico generato da corrente alternata. Dall'azione correnti parassite i corpi metallici si riscaldano.Perdite di corrente parassita particolarmente significative possono essere osservate nei nuclei di acciaio. Le perdite di energia per creare correnti parassite aumentano con l'aumentare della frequenza.

Correnti parassite — in un nucleo massiccio, b — in un nucleo lamellare

3. Perdita dell'isteresi magnetica... Sotto l'influenza di un campo magnetico alternato, i nuclei ferromagnetici vengono rimagnetizzati. In questo caso si verifica l'attrito reciproco delle particelle del nucleo, a seguito del quale il nucleo si riscalda. Come la frequenza aumenta le perdite da isteresi magnetica sta crescendo.

4. Perdite in dielettrici solidi o liquidi... In tali dielettrici, il campo elettrico alternato provoca polarizzazione delle molecole, cioè cariche appaiono ai lati opposti delle molecole, uguali in valore ma differenti nel segno. Le molecole polarizzate ruotano sotto l'azione del campo e sperimentano l'attrito reciproco. A causa di ciò, il dielettrico si riscalda. All'aumentare della frequenza, le sue perdite aumentano.

5. Perdite di dispersione dell'isolamento... Le sostanze isolanti utilizzate non sono dielettrici ideali e in esse si osservano perdite di dispersione. In altre parole, la resistenza di isolamento, sebbene molto elevata, non è uguale all'infinito. Questo tipo di perdita esiste anche in corrente continua. Ad alte tensioni, è persino possibile che le cariche fluiscano nell'aria che circonda il filo.

6. Perdite dovute alla radiazione di onde elettromagnetiche… Qualsiasi cavo CA emette onde elettromagnetiche, e all'aumentare della frequenza, l'energia delle onde emesse aumenta bruscamente (proporzionale al quadrato della frequenza).Le onde elettromagnetiche lasciano irreversibilmente il conduttore, e quindi il consumo di energia per l'emissione di onde è equivalente a perdite in qualche resistenza attiva. Nelle antenne dei trasmettitori radio, questo tipo di perdita è una perdita di energia utile.

7. Perdite per la trasmissione di potenza ad altri circuiti... Di conseguenza fenomeni di induzione elettromagnetica parte dell'alimentazione CA viene trasferita da un circuito a un altro situato nelle vicinanze. In alcuni casi, come nei trasformatori, questo trasferimento di energia è vantaggioso.

La resistenza attiva del circuito CA tiene conto di tutti i tipi elencati di perdite di energia non recuperabili... Per un circuito in serie, è possibile definire la resistenza attiva come il rapporto tra potenza attiva, la forza di tutte le perdite e il quadrato di il corrente:

Pertanto, per una data corrente, la resistenza attiva del circuito è tanto maggiore quanto maggiore è la potenza attiva, cioè maggiori sono le perdite di energia totali.

Viene chiamata la potenza nella sezione del circuito con resistenza induttiva potenza reattiva Q... Caratterizza l'energia reattiva, cioè l'energia che non viene irrimediabilmente consumata, ma solo temporaneamente immagazzinata in un campo magnetico. Per distinguerlo dalla potenza attiva, la potenza reattiva non viene misurata in watt, ma in volt-ampere reattivi (var o var)... A questo proposito, in precedenza era chiamato anidro.

La potenza reattiva è determinata da una delle formule:

dove UL è la tensione nella sezione con resistenza induttiva xL; I è la corrente in questa sezione.

Per un circuito in serie con resistenza attiva e induttiva, viene introdotto il concetto di potenza totale S... È determinato dal prodotto della tensione totale del circuito U e della corrente I ed è espresso in volt-ampere (VA o VA)

La potenza nella sezione con resistenza attiva è calcolata da una delle formule precedenti o dalla formula:

dove φ è l'angolo di fase tra la tensione U e la corrente I.

Il coefficiente di cosφ è il fattore di potenza... Viene spesso chiamato «coseno phi»… Il fattore di potenza mostra quanta parte della potenza totale è potenza attiva:

Il valore di cosφ può variare da zero all'unità, a seconda del rapporto tra resistenza attiva e reattiva. Se ce n'è solo uno nel circuito reattività, allora φ = 90°, cosφ = 0, P = 0 e la potenza nel circuito è puramente reattiva. Se c'è solo resistenza attiva, allora φ = 0, cosφ = 1 e P = S, cioè tutta la potenza nel circuito è puramente attiva.

Più basso è il cosφ, minore è la quota di potenza attiva della potenza apparente e maggiore è la potenza reattiva. Ma il lavoro della corrente, cioè la transizione della sua energia in qualche altro tipo di energia, è caratterizzato solo dal potere attivo. E la potenza reattiva caratterizza l'energia che fluttua tra il generatore e la parte reattiva del circuito.

Per la rete elettrica è inutile e persino dannoso. Va notato che nell'ingegneria radio la potenza reattiva è necessaria e utile in un certo numero di casi. Ad esempio, nei circuiti oscillanti, ampiamente utilizzati nell'ingegneria radio e utilizzati per generare oscillazioni elettriche, la forza di queste oscillazioni è quasi puramente reattiva.
Il diagramma vettoriale mostra come cambiando cosφ cambia la corrente del ricevitore I con la sua potenza invariata.

Diagramma vettoriale delle correnti del ricevitore a potenza costante e vari fattori di potenza

Come si può vedere, il fattore di potenza cosφ è un indicatore importante del grado di utilizzo della potenza totale sviluppata dal generatore EMF alternato... È necessario prestare particolare attenzione al fatto che a cosφ <1 il generatore deve creare una tensione e una corrente il cui prodotto è maggiore della potenza attiva. Ad esempio, se la potenza attiva nella rete elettrica è 1000 kW e cosφ = 0,8, allora la potenza apparente sarà pari a:

Supponiamo che in questo caso la potenza reale sia ottenuta con una tensione di 100 kV e una corrente di 10 A. Tuttavia, il generatore deve generare una tensione di 125 kV affinché la potenza apparente sia

È chiaro che l'utilizzo di un generatore per una tensione più elevata è svantaggioso e, inoltre, a tensioni più elevate sarà necessario migliorare l'isolamento dei fili per evitare maggiori dispersioni o il verificarsi di danni. Ciò comporterà un aumento del prezzo della rete elettrica.

La necessità di aumentare la tensione del generatore per la presenza di potenza reattiva è caratteristica di un circuito in serie con resistenza attiva e reattiva. Se esiste un circuito parallelo con rami attivi e reattivi, il generatore deve creare più corrente di quella necessaria con una singola resistenza attiva. In altre parole, il generatore viene caricato con corrente reattiva aggiuntiva.

Ad esempio, per i valori sopra P = 1000 kW, cosφ = 0,8 e S = 1250 kVA, quando collegato in parallelo, il generatore dovrebbe fornire una corrente non di 10 A, ma di 12,5 A a una tensione di 100 kV .in questo caso, non solo il generatore dovrà essere progettato per una corrente maggiore, ma i fili della linea elettrica attraverso i quali verrà trasmessa tale corrente dovranno essere presi con uno spessore maggiore, il che aumenterà anche il costo per linea. Se nella linea e agli avvolgimenti del generatore sono presenti fili progettati per una corrente di 10 A, allora è chiaro che una corrente di 12,5 A causerà un aumento del riscaldamento in questi fili.

Quindi, sebbene l'extra corrente reattiva trasferisce l'energia reattiva dal generatore ai carichi reattivi e viceversa, ma crea inutili perdite di energia dovute alla resistenza attiva dei fili.

Nelle reti elettriche esistenti, le sezioni con resistenza reattiva possono essere collegate sia in serie che in parallelo con sezioni con resistenza attiva. Pertanto, i generatori devono sviluppare una maggiore tensione e una maggiore corrente per creare, oltre alla potenza attiva utile, potenza reattiva.

Da quanto detto si capisce quanto sia importante per l'elettrificazione aumentando il valore del cosφ… La sua riduzione è causata dall'inclusione di carichi reattivi nella rete elettrica. Ad esempio, motori elettrici o trasformatori inattivi o non a pieno carico creano carichi reattivi significativi perché hanno un'induttanza dell'avvolgimento relativamente elevata. Per aumentare il cosφ è importante che motori e trasformatori funzionino a pieno carico. Esiste diversi modi per aumentare il cosφ.

In conclusione, notiamo che tutte e tre le forze sono interconnesse dalla seguente relazione:

cioè la potenza apparente non è la somma aritmetica della potenza attiva e reattiva.È consuetudine dire che la potenza S è la somma geometrica delle potenze P e Q.

Guarda anche: Reattanza in ingegneria elettrica