التيار المتردد وفقدان الطاقة

تسمى قوة الدائرة التي تحتوي على مقاومات نشطة فقط بالقوة النشطة P. ويتم حسابها كالمعتاد باستخدام إحدى الصيغ التالية:

تميز القوة النشطة الاستهلاك غير القابل للانعكاس للطاقة الحالية.

في سلاسل التيار المتناوب هناك العديد من الأسباب التي تسبب خسائر طاقة غير قابلة للاسترداد أكثر من دارات التيار المستمر. هذه الأسباب هي كما يلي:

1. تسخين السلك بالتيار ... بالنسبة للتيار المباشر ، فإن التسخين يكاد يكون الشكل الوحيد لفقدان الطاقة. وبالنسبة للتيار المتردد ، وهو نفس القيمة مع التيار المباشر ، يكون فقد الطاقة لتسخين السلك أكبر بسبب زيادة مقاومة السلك بسبب تأثير السطح. الأعلى التردد الحالي، كلما زاد تأثيره تأثير السطح والخسارة الأكبر لتسخين السلك.

2. الخسائر في تكوين التيارات الدوامة ، والتي تسمى تيارات فوكو ... يتم تحفيز هذه التيارات في جميع الأجسام المعدنية في مجال مغناطيسي ناتج عن التيار المتردد. من العمل التيارات إيدي تسخين الأجسام المعدنية.يمكن ملاحظة خسائر التيار الدوامة الكبيرة بشكل خاص في النوى الفولاذية. تزداد فاقد الطاقة لخلق تيارات دوامة مع زيادة التردد.

تيارات إيدي - في نواة ضخمة ، ب - في قلب رقائقي

3. فقدان التباطؤ المغناطيسي ... تحت تأثير المجال المغناطيسي المتناوب ، يتم إعادة مغناطيسية النوى المغناطيسية. في هذه الحالة ، يحدث احتكاك متبادل للجسيمات الأساسية ، ونتيجة لذلك يتم تسخين اللب. حيث أن التردد يزيد الخسائر من التباطؤ المغناطيسي يكبر.

4. خسائر في المواد العازلة الصلبة أو السائلة .. في مثل هذه العوازل ، يسبب المجال الكهربائي المتناوب استقطاب الجزيئاتأي أن الشحنات تظهر على جوانب متقابلة من الجزيئات ، متساوية في القيمة ولكنها مختلفة في الإشارة. تدور الجزيئات المستقطبة تحت تأثير المجال وتتعرض للاحتكاك المتبادل. بسبب ذلك ، يسخن العازل. مع زيادة التردد ، تزداد خسائرها.

5. خسائر تسرب العزل ... المواد العازلة المستخدمة ليست عوازل مثالية ويلاحظ تسرب تسرب فيها. وبعبارة أخرى ، فإن مقاومة العزل ، على الرغم من ارتفاعها الشديد ، لا تساوي اللانهاية. هذا النوع من الخسارة موجود أيضًا في التيار المباشر. في الفولتية العالية ، من الممكن أن تتدفق الشحنات في الهواء المحيط بالسلك.

6. الخسائر الناتجة عن إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية ... أي كابل تيار متردد يصدر موجات كهرومغناطيسيةومع زيادة التردد ، تزداد طاقة الموجات المنبعثة بشكل حاد (يتناسب مع مربع التردد).تترك الموجات الكهرومغناطيسية الموصل بشكل لا رجعة فيه ، وبالتالي فإن استهلاك الطاقة لانبعاث الموجات يعادل الخسائر في بعض المقاومة النشطة. في هوائيات جهاز الإرسال اللاسلكي ، يعتبر هذا النوع من الخسارة مفيدًا في فقد الطاقة.

7. خسائر لنقل الطاقة إلى دوائر أخرى ... كنتيجة لذلك ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي يتم نقل بعض طاقة التيار المتردد من دائرة إلى أخرى تقع في مكان قريب. في بعض الحالات ، كما هو الحال في المحولات ، يكون نقل الطاقة هذا مفيدًا.

تأخذ المقاومة النشطة لدائرة التيار المتردد في الاعتبار جميع الأنواع المدرجة لخسائر الطاقة غير القابلة للاسترداد ... بالنسبة لدائرة متسلسلة ، يمكنك تحديد المقاومة النشطة على أنها نسبة الطاقة النشطة ، وقوة جميع الخسائر إلى مربع الحالي:

وبالتالي ، بالنسبة لتيار معين ، تكون المقاومة النشطة للدائرة أكبر ، وكلما زادت القوة النشطة ، أي كلما زاد إجمالي فقد الطاقة.

تسمى الطاقة في قسم الدائرة ذات المقاومة الاستقرائية القوة التفاعلية Q ... وهي تميز الطاقة التفاعلية ، أي الطاقة التي لا يتم استهلاكها بشكل غير قابل للاسترداد ، ولكن يتم تخزينها مؤقتًا فقط في مجال مغناطيسي. لتمييزها عن القوة النشطة ، لا تقاس القدرة التفاعلية بالواط ، ولكن في رد الفعل فولت أمبير (var أو var) ... في هذا الصدد ، كان يطلق عليها سابقًا اللامائية.

يتم تحديد القوة التفاعلية بواسطة إحدى الصيغ:

حيث UL هو الجهد في القسم ذي المقاومة الاستقرائية xL ؛ أنا الحالي في هذا القسم.

بالنسبة لدائرة متسلسلة ذات مقاومة نشطة واستقرائية ، يتم تقديم مفهوم إجمالي الطاقة S ... يتم تحديده بواسطة ناتج جهد الدائرة الكلي U والتيار I ويتم التعبير عنه في فولت أمبير (VA أو VA)

يتم حساب القوة في القسم ذي المقاومة النشطة بإحدى الصيغ أعلاه أو بالصيغة:

حيث φ هي زاوية المرحلة بين الجهد U والتيار I.

معامل cosφ هو عامل القدرة… وغالبًا ما يطلق عليه «جيب التمام»... يُظهر عامل الطاقة مقدار الطاقة الإجمالية التي تمثل الطاقة النشطة:

يمكن أن تختلف قيمة cosφ من صفر إلى واحد ، اعتمادًا على النسبة بين المقاومة النشطة والمقاومة التفاعلية. إذا كان هناك واحد فقط في الدائرة التفاعلية، ثم φ = 90 ° ، cosφ = 0 ، P = 0 والقوة في الدائرة تفاعلية بحتة. إذا كانت هناك مقاومة نشطة فقط ، فإن φ = 0 و cosφ = 1 و P = S ، أي أن كل القوة في الدائرة نشطة تمامًا.

كلما انخفض cosφ ، قلت حصة الطاقة النشطة للقوة الظاهرة وزادت القوة التفاعلية. لكن عمل التيار ، أي انتقال طاقته إلى نوع آخر من الطاقة ، يتميز فقط بالقوة النشطة. وتميز الطاقة التفاعلية الطاقة التي تتأرجح بين المولد والجزء التفاعلي من الدائرة.

بالنسبة للشبكة الكهربائية ، فهي غير مجدية بل ضارة. وتجدر الإشارة إلى أن القدرة التفاعلية ضرورية ومفيدة في الهندسة الراديوية في عدد من الحالات. على سبيل المثال ، في الدوائر المتذبذبة ، والتي تُستخدم على نطاق واسع في الهندسة الراديوية والتي تُستخدم لتوليد التذبذبات الكهربائية ، تكون قوة هذه التذبذبات تفاعلية بحتة تقريبًا.
يوضح الرسم البياني المتجه كيف يغير تغيير cosφ تيار المستقبِل I مع قوته دون تغيير.

مخطط متجه لتيارات المستقبل بقوة ثابتة وعوامل قدرة مختلفة

كما يتضح ، يُعد معامل القدرة cosφ مؤشرًا مهمًا لدرجة استخدام الطاقة الإجمالية التي طورها مولد EMF المتناوب ... من الضروري إيلاء اهتمام خاص لحقيقة أنه في cosφ <1 يجب على المولد إنشاء الجهد والتيار الذي يكون ناتجه أكبر من الطاقة النشطة. على سبيل المثال ، إذا كانت الطاقة النشطة في الشبكة الكهربائية هي 1000 كيلو وات و cosφ = 0.8 ، فإن الطاقة الظاهرة ستكون مساوية لـ:

لنفترض أنه في هذه الحالة ، يتم الحصول على الطاقة الحقيقية بجهد 100 كيلو فولت وتيار 10 أ. ومع ذلك ، يجب أن يولد المولد جهدًا قدره 125 كيلو فولت حتى تكون الطاقة الظاهرية

من الواضح أن استخدام المولد للجهد العالي غير ملائم ، علاوة على ذلك ، عند الفولتية العالية ، سيكون من الضروري تحسين عزل الأسلاك لتجنب زيادة التسرب أو حدوث تلف. سيؤدي ذلك إلى زيادة سعر شبكة الكهرباء.

إن الحاجة إلى زيادة جهد المولد بسبب وجود القدرة التفاعلية هي سمة من سمات الدائرة المتسلسلة ذات المقاومة النشطة والمتفاعلة. إذا كانت هناك دائرة متوازية ذات فروع نشطة ومتفاعلة ، فيجب على المولد إنشاء تيار أكثر مما هو مطلوب بمقاومة نشطة واحدة. بمعنى آخر ، يتم تحميل المولد بتيار تفاعلي إضافي.

على سبيل المثال ، للقيم المذكورة أعلاه P = 1000 kW ، cosφ = 0.8 و S = 1250 kVA ، عند التوصيل بالتوازي ، يجب أن يعطي المولد تيارًا ليس 10 A ، ولكن 12.5 A بجهد 100 كيلو فولت .في هذه الحالة ، لا يجب تصميم المولد فقط لتيار أكبر ، ولكن يجب أخذ أسلاك الخط الكهربائي الذي سينتقل من خلاله هذا التيار بسماكة أكبر ، مما سيزيد أيضًا من التكلفة لكل خط. إذا كانت هناك أسلاك في الخط وفي لفات المولد مصممة لتيار يبلغ 10 أ ، فمن الواضح أن التيار البالغ 12.5 أ سيؤدي إلى زيادة التسخين في هذه الأسلاك.

وهكذا ، على الرغم من أن الإضافي رد الفعل الحالي ينقل الطاقة التفاعلية من المولد إلى الأحمال التفاعلية والعكس صحيح ، ولكنه يخلق خسائر غير ضرورية في الطاقة بسبب المقاومة النشطة للأسلاك.

في الشبكات الكهربائية الحالية ، يمكن توصيل المقاطع ذات المقاومة التفاعلية على التوالي وبالتوازي مع الأقسام ذات المقاومة النشطة. لذلك ، يجب أن تطور المولدات جهدًا متزايدًا وتيارًا متزايدًا لتكوين ، بالإضافة إلى الطاقة النشطة المفيدة ، طاقة تفاعلية.

مما قيل ، يتضح مدى أهمية ذلك بالنسبة للكهرباء زيادة قيمة كوس... انخفاضه ناتج عن إدراج أحمال تفاعلية في الشبكة الكهربائية. على سبيل المثال ، تخلق المحركات أو المحولات الكهربائية التي تكون في وضع الخمول أو غير المحملة بالكامل أحمالًا تفاعلية كبيرة لأنها تحتوي على محاثة متعرجة عالية نسبيًا. لزيادة cosφ ، من المهم أن تعمل المحركات والمحولات بأحمال كاملة. إنه موجود عدة طرق لزيادة cosφ.

في الختام ، نلاحظ أن جميع القوى الثلاث مترابطة بالعلاقة التالية:

أي أن القوة الظاهرة ليست المجموع الحسابي للقوة النشطة والمتفاعلة.من المعتاد أن نقول إن القوة S هي المجموع الهندسي للقوى P و Q.

أنظر أيضا: مفاعلة في الهندسة الكهربائية