7) Загубите на мощност в силови електронни устройства и начини за намаляването им
Мощността на верига, която има само активни съпротивления, се нарича активна мощност R. Тя се изчислява, както обикновено, като се използва една от следните формули:
Активната мощност характеризира необратимото (необратимо) потребление на текущата енергия.
Във веригите с променлив ток има много повече причини, които причиняват невъзвратими загуби на енергия, отколкото в веригите с постоянен ток. Тези причини са:
1. Нагряване на проводника с ток. За постоянен ток отоплението е почти единственият вид загуба на енергия. А за променлив ток, който е със същата стойност като постоянен ток, загубата на енергия за нагряване на проводника е по-голяма поради увеличаването на съпротивлението на проводника поради повърхностния ефект. Колкото по-висока е честотата на тока, толкова по-голям е ефектът от повърхностния ефект и толкова по-големи са загубите за нагряване на проводника.
2. Загуби за създаване на вихрови токове, иначе наричани токове на Фуко. Тези токове се индуцират във всички метални тела в магнитно поле, генерирано от променлив ток. От действието на вихрови токове металните тела се нагряват. Особено значителни загуби от вихрови токове могат да се наблюдават в стоманени сърцевини. Загубите на енергия за създаване на вихрови токове нарастват с нарастваща честота.
3. Загуба на магнитен хистерезис. Под въздействието на променливо магнитно поле феромагнитните сърцевини се ремагнетизират. В този случай възниква взаимно триене на частиците на ядрото, в резултат на което ядрото се нагрява. С увеличаване на честотата, загубата на магнитен хистерезис се увеличава.
4. Загуби в твърди или течни диелектрици. В такива диелектрици променливото електрическо поле причинява поляризацията на молекулите, т.е. от противоположните страни на молекулите, равни по стойност, но различни познак за зареждане. Поляризираните молекули се обръщат под действието на полето и при това изпитват взаимно триене. Поради това диелектрикът се нагрява. С увеличаване на честотата се увеличават загубите му.
5. Загуба на изтичане на изолация. Използваните изолационни вещества не са идеални диелектрици и в тях се наблюдават токове на утечка. С други думи, съпротивлението на изолацията, макар и много голямо, не е равно на безкрайност. Този тип загуба съществува и при постоянен ток. При високи напрежения е възможно дори заряди да потекат във въздуха около жицата.
6. Загуби от излъчване на електромагнитни вълни. Всеки проводник с променлив ток излъчва електромагнитни вълни и с увеличаване на честотата енергията на излъчваните вълни нараства рязко (пропорционално на квадрата на честотата). Електромагнитните вълни безвъзвратно напускат проводника и следователно консумацията на енергия за излъчване на вълни е еквивалентна на загуби в някакво активно съпротивление. В антените на радиопредавателите този тип загуба е полезен разход на енергия.
7. Загуби за пренос на енергия към други вериги. Поради явлението електромагнитна индукция, част от енергията на променливия ток преминава от една верига в друга, разположена наблизо. В някои случаи, като например в трансформаторите, подобно предаване на енергия е полезно.
Активното съпротивление на AC веригата отчита всички изброени видове невъзвратими загуби на енергия.
Повечето съвременни потребители на електрическа енергия имат индуктивен характер на товара, чиито токове изостават от напрежението на източника във фаза. Активната мощност на такива потребители при дадени стойности на тока и напрежението зависи от cosφ:
P = UICosφ, I = P / UCosφ
Намаляването на фактора на мощността води до увеличаване на тока. С намаляване на cosφ,загуби на енергия за нагревателни проводници и намотки на електрически устройства.
Ако обозначим съпротивлението на проводниците на линията Rl, тогава загубите на мощност в него могат да бъдат определени, както следва:
По този начин, колкото по-висока е мощността на консуматора, толкова по-малки са загубите на мощност в линията и толкова по-евтин е преносът на електроенергия. Факторът на мощността показва как се използва номиналната мощност на източника. Увеличаването на фактора на мощността повишава степента на използване на мощността на генераторите.
За увеличаване на фактора на мощността (cosφ) на електрическите инсталации се използва компенсация на реактивната мощност.
Увеличаване на фактора на мощността (намаляване на ъгъла φ - фазово изместване на тока и напрежението) може да се постигне по следните начини:
1) подмяна на слабо натоварени двигатели с двигатели с по-ниска мощност,
2) спад на напрежението
3) изключване на двигатели и трансформатори, работещи на празен ход,
4) включване в мрежата на специални компенсиращи устройства, които са генератори на водещ (капацитивен) ток.