Mnoho spotřebitelů elektřiny nemá podezření, že část naměřené elektřiny je plýtvána. V závislosti na typu zátěže může úroveň výkonových ztrát dosahovat od 12 do 50 %. Elektroměry přitom tyto ztráty počítají a odkazují na užitečnou práci, za kterou musíte zaplatit. Důvodem předražení spotřeby elektřiny, která nevykonává užitečnou práci, je jalový výkon přítomný ve střídavých sítích.
Abychom pochopili, za co přeplácíme a jak kompenzovat dopad jalového výkonu na provoz elektrických instalací, uvažujme důvod výskytu reaktivní složky při přenosu elektřiny. K tomu musíte pochopit fyziku procesu spojeného se střídavým napětím.
Co je to jalový výkon?
Nejprve zvažte koncept elektrické energie. V širokém slova smyslu tento pojem znamená práci vykonanou za jednotku času. Ve vztahu k elektrické energii trochu poopravíme pojem výkon: elektrickým výkonem budeme rozumět fyzikální veličinu, která vlastně charakterizuje rychlost tvorby proudu nebo množství přenesené či spotřebované elektřiny za jednotku času.
Je zřejmé, že práce elektřiny za jednotku času je určena elektrickým výkonem, měřeným ve wattech. Okamžitý výkon v části obvodu se zjistí podle vzorce: P = U×I, kde U a I jsou okamžité hodnoty indikátorů parametrů napětí a proudu v této sekci.
Přísně vzato, výše uvedený vzorec platí pouze pro stejnosměrný proud. V obvodech se sinusovým proudem však vzorec funguje pouze tehdy, když je zátěž spotřebiče čistě aktivní. Při odporové zátěži je veškerá elektrická energie vynaložena na užitečnou práci. Příklady odporových zátěží jsou odporová zařízení, jako je ohřívač vody nebo žárovka.
Pokud jsou v elektrickém obvodu kapacitní nebo indukční zátěže, objevují se parazitní proudy, které se nepodílejí na výkonu užitečné práce. Výkon těchto proudů se nazývá reaktivní.
U indukčních a kapacitních zátěží se část elektřiny odvádí ve formě tepla a část brání vykonání užitečné práce.
Mezi zařízení s indukční zátěží patří:
- Elektrické motory;
- tlumivky;
- transformátory;
- elektromagnetická relé a další zařízení obsahující vinutí.
Kondenzátory mají kapacity.
Fyzika procesů
Když jsme u stejnosměrných obvodů, není třeba mluvit o jalovém výkonu. V takových obvodech jsou hodnoty okamžitého a zdánlivého výkonu stejné. Výjimku tvoří okamžiky sepnutí a vypnutí kapacitních a indukčních zátěží.
Podobná situace nastává v přítomnosti čistě aktivních odporů v sinusových obvodech. Pokud jsou však do takového elektrického obvodu zařazena zařízení s indukčními nebo kapacitními odpory, dochází k fázovému posunu proudu a napětí (viz obr. 1).
Současně je na indukčnostech pozorováno fázové zpoždění proudu a na kapacitních prvcích je fáze proudu posunuta tak, že proud je před napětím. Vlivem narušení harmonických proudu se celkový výkon rozloží na dvě složky. Kapacitní a indukční součástky se nazývají reaktivní, zbytečné. Druhou složku tvoří činné síly.
Rýže. 1. Fázový posun induktivní zátěží
Úhel fázového posunu se používá při výpočtu hodnot činných a jalových kapacitních nebo indukčních výkonů. Je-li úhel φ = 0, který nastává u odporových zátěží, pak neexistuje žádná reaktivní složka.
Je důležité si pamatovat:
- rezistor spotřebovává pouze činný výkon, který se uvolňuje ve formě tepla a světla;
- induktory vyvolávají tvorbu reaktivní složky a vracejí ji zpět ve formě magnetických polí;
- Příčinou reaktance jsou kapacitní prvky (kondenzátory).
Mocninný trojúhelník a cos φ
Celkový výkon a jeho složky znázorníme pro názornost ve formě vektorů (viz obr. 2). Vektor celkového výkonu označíme symbolem S a symboly P a Q přiřadíme vektorům aktivní a reaktivní složky. Protože vektor S je součtem složek proudu, pak podle pravidla sčítání vektorů vzniká mocninný trojúhelník.
Pomocí Pythagorovy věty vypočítáme modul vektoru S:
Zde můžete najít reaktivní složku:
Již jsme zmínili výše, že jalový výkon závisí na fázovém posunu, a tedy na úhlu tohoto posunu. Tuto závislost je vhodné vyjádřit pomocí cos φ. Podle definice cos φ = P/S. Tato hodnota se nazývá účiník a označuje se Pf. Takže Pf = cos φ = P/S.
Účiník, tedy cos φ, je velmi důležitá charakteristika, která umožňuje vyhodnotit účinnost proudu. Tato hodnota je v rozsahu od 0 do 1.
Pokud úhel fázového posunu nabývá nulové hodnoty, pak cos φ = 1, což znamená, že P = S, to znamená, že celkový výkon se skládá pouze z činného výkonu a nedochází k žádné reaktivitě. S fázovým posunem o úhel π / 2, cos φ u0d XNUMX, což znamená, že v obvodu dominují pouze reaktivní proudy (v praxi tato situace nenastává).
Z toho můžeme usoudit: čím blíže k 1 koeficientu Pf tím efektivněji je proud využíván. Například pro synchronní generátory se považuje za přijatelný koeficient od 0,75 do 0,85.
vzorec
Protože jalový výkon závisí na úhlu φ, použije se k jeho výpočtu vzorec: Q = UI × sin φ. Jednotkou měření reaktivní složky je var nebo jeho násobek – kvar.
Aktivní složku zjistíme podle vzorce: P = U*I×cosφ. Pak
Znalost koeficientu Pf (cos phi), jmenovitý výkon spotřebiče proudu můžeme vypočítat jeho jmenovitým napětím vynásobeným hodnotou odebíraného proudu.
Kompenzační metody
Již jsme zjistili, jak jalové proudy ovlivňují provoz přístrojů a zařízení s indukčními nebo kapacitními zátěžemi. Pro snížení ztrát v elektrických sítích se sinusovým proudem jsou vybaveny přídavnými kompenzačními zařízeními.
Princip činnosti kompenzačních instalací je založen na vlastnostech indukčností a kapacit pro fázový posun v opačných směrech. Pokud například vinutí elektromotoru posune fázi o úhel φ, pak lze tento posun kompenzovat kondenzátorem příslušné kapacity, který posune fázi o hodnotu – φ. Pak bude výsledný posun nulový.
V praxi jsou kompenzační zařízení zapojena paralelně se zátěžemi. Nejčastěji se skládají z bloků velkých kondenzátorů umístěných v samostatných skříních. Jedna taková kondenzátorová banka je znázorněna na obrázku 3. Obrázek ukazuje skupiny kondenzátorů používaných pro kompenzaci napěťových posunů v různých zařízeních s indukčním vinutím.
Rýže. 3. Kompenzační zařízení
Kompenzaci jalového výkonu s kapacitní zátěží dobře ilustrují grafy na obrázku 4. Všimněte si, jak účinnost kompenzace závisí na síťovém napětí. Čím vyšší je síťové napětí, tím obtížnější je kompenzace parazitních proudů (graf 3).
Rýže. 4. Kompenzace jalového výkonu pomocí kondenzátorů
Kompenzační zařízení jsou často instalována ve výrobních závodech, kde je v provozu mnoho motorizovaných zařízení. V tomto případě je ztráta elektřiny poměrně patrná a kvalita proudu se výrazně zhoršuje. Instalace kondenzátorů takové problémy úspěšně řeší.
Potřebujete kompenzační zařízení v každodenním životě?
Na první pohled by v domácí síti neměly být velké jalové proudy. Standardní sadě domácích spotřebitelů dominují elektrické spotřebiče s odporovým zatížením:
- rychlovarná konvice (Pf = 1);
- žárovky (strf = 1);
- elektrický sporák (Pf = 1) a další topná zařízení;
Účiníky moderních domácích spotřebičů, jako je TV, počítač atd. se blíží 1. Lze je zanedbat.
Ale pokud jde o lednici (Pf = 0,65), pračka a mikrovlnná trouba, pak již stojí za zvážení instalace synchronních kompenzátorů. Pokud často používáte elektrické nářadí, svářečku nebo máte doma puštěné elektrické čerpadlo, pak je instalace kompenzačního zařízení více než žádoucí.
Ekonomický efekt instalace takových zařízení výrazně ovlivní váš rodinný rozpočet. Měsíčně můžete ušetřit asi 15 % finančních prostředků. Souhlasíte, není to tak málo, vzhledem k tomu, že tarify nejsou elektřina.
Cestou budete řešit následující otázky:
- snížení zatížení indukčních prvků a vedení;
- zlepšení kvality proudu, což přispívá ke stabilnímu provozu elektronických zařízení;
- snížení úrovně vyšších harmonických v domácí síti.
Aby proud a napětí fungovaly ve fázi, kompenzační zařízení by měla být umístěna co nejblíže k proudovým spotřebitelům. Pak bude reálná návratnost indukčních elektrických přijímačů nabývat maximálních hodnot.
Aktivní jalový a zdánlivý výkon
Aktivní, jalový a zdánlivý výkon přímo souvisí s proudem a napětím v uzavřeném elektrickém obvodu, když jsou zapnuty jakékoli spotřebiče. K provádění výpočtů se používají různé vzorce, z nichž hlavní je součin napětí a proudu. Především se jedná o stejnosměrné napětí. Ve střídavých obvodech je však napájení rozděleno do několika složek, jak je uvedeno výše. Každý z nich se vypočítá pomocí vzorců.
Aktivní, reaktivní a zdánlivý výkon
Hlavní složkou je aktivní výkon. Je to hodnota, která charakterizuje proces přeměny elektrické energie na jiné druhy energie. To znamená, že jiným způsobem je rychlost spotřeby elektřiny. Právě tato hodnota se zobrazuje na elektroměru a platí spotřebitelé. Výpočet činného výkonu se provádí podle vzorce: P = U x I x cos.
Na rozdíl od aktivní, která označuje energii, která je přímo spotřebována elektrickými spotřebiči a přeměněna na jiné druhy energie – tepelnou, světelnou, mechanickou atd., je jalový výkon jakýmsi neviditelným pomocníkem. S jeho účastí se vytvářejí elektromagnetická pole spotřebovaná elektromotory. Především určuje povahu zátěže a může být nejen generována, ale také spotřebována. Výpočty jalového výkonu se provádějí podle vzorce: Q uXNUMXd U x I x sinf.
Zdánlivý výkon je hodnota skládající se z činných a jalových složek. Je to ona, kdo poskytuje spotřebitelům potřebné množství elektřiny a udržuje je v provozuschopném stavu. Pro jeho výpočty se používá vzorec: S = .
Jak najít činnou, jalovou a zdánlivou sílu
Aktivním výkonem se rozumí energie, která je nevratně spotřebována zdrojem za jednotku času k provedení nějaké užitečné práce spotřebitelem. V procesu spotřeby, jak již bylo uvedeno, se přeměňuje na jiné druhy energie.
V obvodu střídavého proudu je hodnota činného výkonu definována jako průměrný okamžitý výkon za nastavené časové období. Proto bude průměrná hodnota za toto období záviset na fázovém úhlu mezi proudem a napětím a nebude se rovnat nule za předpokladu, že v této sekci je aktivní odporový obvod. Poslední faktor určuje název činného výkonu. Právě aktivním odporem se elektřina nevratně přeměňuje na jiné formy energie.
Při provádění výpočtů elektrických obvodů se široce používá koncept jalového výkonu. Za jeho účasti probíhají procesy jako výměna energie mezi zdroji a reaktivními prvky obvodu. Tento parametr bude číselně roven amplitudě, kterou má proměnná složka okamžitého výkonu obvodu.
Existuje určitá závislost jalového výkonu na znaménku úhlu φ znázorněném na obrázku. V tomto ohledu bude mít kladnou nebo zápornou hodnotu. Na rozdíl od činného výkonu, měřeného ve wattech, se jalový výkon měří ve var – reaktivních voltampérech. Konečná hodnota jalového výkonu v rozvětvených elektrických obvodech je algebraickým součtem stejných výkonů pro každý prvek obvodu s přihlédnutím k jejich individuálním charakteristikám.
Hlavní složkou zdánlivého výkonu je maximální možný činný výkon při předem stanoveném proudu a napětí. V tomto případě se cosf rovná 1, když nedochází k žádnému fázovému posunu mezi proudem a napětím. Celkový výkon také zahrnuje reaktivní složku, což je jasně patrné z výše uvedeného vzorce. Jednotkou měření tohoto parametru je voltampér (VA).
