Потужність і втрати енергії в ланцюзі змінного струму
Активна потужність характеризує безповоротний (незворотний) витрата енергії струму.
У ланцюгах змінного струму є набагато більше причин, що викликають безповоротні втрати енергії, ніж в ланцюгах постійного струму. Ці причини наступні:
1. Нагрівання дроту струмом. Для постійного струму нагрівання є майже єдиним видом втрат енергії. А для змінного струму, однакового за значенням з постійним струмом, втрати енергії на нагрів дроту більше внаслідок зростання опору проводу за рахунок поверхневого ефекту. Чим вище частота струму. тим більше позначається поверхневий ефект і тим більше втрати на нагрів дроту.
2. Втрати на створення вихрових струмів, інакше званих струмами Фуко. Ці струми индуктируются у всіх металевих тілах, що знаходяться в магнітному полі, утвореному змінним струмом. Від дії вихрових струмів металеві тіла нагріваються. Особливо значні втрати на вихрові струми можуть спостерігатися в сталевих сердечниках. Втрати енергії на створення вихрових струмів зростають з підвищенням частоти.
Вихрові струми - в масивному осерді, б - в пластинчастому осерді
3. Втрати на магнітний гістерезис. Під впливом змінного магнітного поля феромагнітні сердечники перемагнічуються. При цьому виникає взаємне тертя частинок сердечника, в результаті якого сердечник нагрівається. З підвищенням частоти втрати на магнітний гістерезис збільшуються.
4. Втрати в твердих або рідких діелектриках. У таких діелектриках змінне електричне поле викликає поляризацію молекул. т. е. на протилежних сторонах молекул виникають рівні за значенням, але різні за знаком заряди. Поляризовані молекули під дією поля повертаються і при цьому відчувають взаємне тертя. За рахунок нього діелектрик нагрівається. При підвищенні частоти його втрати зростають.
5. Втрати на витік в ізоляції. Застосовувані ізоляційні речовини не є ідеальними діелектриками і в них спостерігаються струми витоку. Інакше кажучи, опір ізоляції хоча і дуже велике, але не дорівнює нескінченності. Цей вид втрат існує і на постійному струмі. При високій напрузі можливо навіть стікання зарядів в повітря, що оточує провід.
6. Втрати на випромінювання електромагнітних хвиль. Всякий провід зі змінним струмом випромінює електромагнітні хвилі, причому зі зростанням частоти енергія випромінюваних хвиль різко збільшується (пропорційно квадрату частоти). Електромагнітні хвилі безповоротно йдуть від проводу, і тому витрата енергії на випромінювання хвиль еквівалентний втрат в деякому активному опорі. У антенах радіопередавачів цей вид втрат є корисним витратою енергії.
7. Втрати на перехід енергії в інші ланцюги. Внаслідок явища електромагнітної індукції частина енергії змінного струму переходить з одного ланцюга в іншу, розташовану поруч. У деяких випадках, наприклад, в трансформаторах, такий перехід енергії корисний.
Активний опір ланцюга змінного струму враховує всі перераховані види безповоротних втрат енергії. Для послідовного ланцюга можна визначити активний опір як відношення активної потужності. т. е. потужності всіх втрат до квадрату струму:
Таким чином, при даному струмі активний опір ланцюга тим більше, чим більше активна потужність, т. Е. Чим значніше загальні втрати енергії.
Потужність в ділянці ланцюга з індуктивним опором називається реактивною потужністю Q. Вона характеризує реактивну енергію, т. Е. Енергію, не розходяться безповоротно, а лише тимчасово запасатися в магнітному полі. Для відмінності від активної потужності реактивну потужність вимірюють ватами, а вольт-амперами реактивними (вар або var). У зв'язку з цим її називали раніше безваттной.
Реактивна потужність визначається за однією з формул:
де UL - напруга на ділянці з індуктивним опором xL; I - струм в цій ділянці.
Для послідовного ланцюга з активним і індуктивним опорами введено поняття повної потужності S. Вона визначається твором повної напруги ланцюга U на ток I і виражається в вольт-амперах (В-А або VA)
Потужність в ділянці з активним опором підраховується по одній з наведених вище формул або за формулою:
де # 966; - кут зсуву фаз між напругою U та струмом I.
Множник cos # 966; є коефіцієнтом потужності. Часто його називають «косинусом фе». Коефіцієнт потужності показує, яку частку повної потужності становить активна потужність:
Значення cos # 966; може змінюватися від нуля до одиниці в залежності від співвідношення між активним і реактивним опором. Якщо в ланцюзі є тільки одне реактивний опір. то # 966; = 90 °, cos # 966; = 0, Р = 0 і потужність в ланцюзі чисто реактивна. Якщо ж є тільки активний опір, то # 966; = 0, cos # 966; = 1 і Р = S, т. Е. Вся потужність в ланцюзі чисто активна.
Чим менше cos # 966 ;, тим менша частка повної потужності є активною потужністю і тим більша реактивна потужність. Але робота струму, т. Е. Перехід його енергії в який-небудь інший вид енергії, характеризується лише активною потужністю. А реактивна потужність характеризує енергію, що здійснює коливання між генератором і реактивним ділянкою ланцюга.
Для електричної мережі вона є марною і навіть шкідливою. Слід зазначити, що в радіотехніці реактивна потужність в ряді випадків є необхідною і корисною. Наприклад, в коливальних контурах, які широко застосовуються в радіотехніці і служать для отримання електричних коливань, потужність цих коливань є майже чисто реактивної.
На векторній діаграмі показано, як при зміні cos # 966; змінюється струм приймача I при незмінній його потужності.
Векторна діаграма струмів приймача при незмінній потужності і різних коефіцієнтах потужності
Як видно, коефіцієнт потужності cos # 966; служить важливим показником ступеня використання повної потужності, що розвивається генератором змінної ЕРС. Треба звернути особливу увагу на те, що при cos # 966;