Wechselstromversorgung und Leistungsverluste

Die Leistung eines Stromkreises, der nur Wirkwiderstände hat, wird Wirkleistung P genannt. Sie wird wie üblich nach einer der folgenden Formeln berechnet:

Wirkleistung charakterisiert den irreversiblen (irreversiblen) Verbrauch aktueller Energie.

In Ketten Wechselstrom Es gibt viel mehr Ursachen, die zu nicht behebbaren Energieverlusten führen als in Gleichstromkreisen. Diese Gründe sind wie folgt:

1. Erhitzen des Drahtes durch Strom … Bei Gleichstrom ist Erhitzen fast die einzige Form des Energieverlusts. Und bei Wechselstrom, dessen Wert dem Gleichstrom entspricht, ist der Energieverlust für die Erwärmung des Drahtes größer, da der Widerstand des Drahtes aufgrund des Oberflächeneffekts zunimmt. Der höhere aktuelle Frequenz, desto mehr wirkt es sich aus Oberflächeneffekt und der größere Verlust für die Erwärmung des Drahtes.

2. Verluste zur Erzeugung von Wirbelströmen, auch Foucault-Ströme genannt. Diese Ströme werden in allen metallischen Körpern in einem durch Wechselstrom erzeugten Magnetfeld induziert. Aus der Tat Wirbelströme Metallkörper erhitzen sich.Besonders große Wirbelstromverluste sind in Stahlkernen zu beobachten. Mit zunehmender Frequenz nehmen die Energieverluste zur Entstehung von Wirbelströmen zu.

Wirbelströme – in einem massiven Kern, b – in einem lamellenförmigen Kern

3. Verlust der magnetischen Hysterese... Unter dem Einfluss eines magnetischen Wechselfeldes werden die ferromagnetischen Kerne ummagnetisiert. Dabei kommt es zu einer gegenseitigen Reibung der Kernpartikel, wodurch sich der Kern erwärmt. Mit zunehmender Frequenz nehmen die Verluste ab magnetische Hysterese wächst.

4. Verluste in festen oder flüssigen Dielektrika... In solchen Dielektrika entsteht das elektrische Wechselfeld Polarisation von Molekülen, das heißt, Ladungen erscheinen auf gegenüberliegenden Seiten der Moleküle mit gleichem Wert, aber unterschiedlichem Vorzeichen. Polarisierte Moleküle drehen sich unter der Wirkung des Feldes und erfahren gegenseitige Reibung. Dadurch erwärmt sich das Dielektrikum. Mit zunehmender Frequenz nehmen die Verluste zu.

5. Isolationsleckverluste … Die verwendeten Isolierstoffe sind keine idealen Dielektrika und es werden Leckagen beobachtet. Mit anderen Worten: Der Isolationswiderstand ist zwar sehr hoch, aber nicht unendlich. Diese Art von Verlust gibt es auch bei Gleichstrom. Bei hohen Spannungen ist es sogar möglich, dass Ladungen in die den Draht umgebende Luft fließen.

6. Verluste durch Strahlung elektromagnetischer Wellen… Jedes Wechselstromkabel sendet elektromagnetische Wellen ausund mit zunehmender Frequenz nimmt die Energie der ausgesendeten Wellen stark zu (proportional zum Quadrat der Frequenz).Elektromagnetische Wellen verlassen den Leiter irreversibel, und daher entspricht der Energieverbrauch für die Wellenemission Verlusten an einem aktiven Widerstand. Bei Funksenderantennen handelt es sich bei dieser Art von Verlust um einen Nutzenergieverlust.

7. Verluste für die Stromübertragung zu anderen Stromkreisen... Als Folge Phänomene der elektromagnetischen Induktion Ein Teil der Wechselstromleistung wird von einem Stromkreis zu einem anderen in der Nähe übertragen. In manchen Fällen, beispielsweise bei Transformatoren, ist diese Energieübertragung von Vorteil.

Der Wirkwiderstand des Wechselstromkreises berücksichtigt alle aufgeführten Arten nicht rückgewinnbarer Energieverluste... Bei einer Reihenschaltung können Sie den Wirkwiderstand als Verhältnis der Wirkleistung, der Stärke aller Verluste zum Quadrat von definieren die jetzige:

Somit ist bei gegebenem Strom der Wirkwiderstand des Stromkreises umso größer, je größer die Wirkleistung ist, d. h. je größer die gesamten Energieverluste sind.

Die Leistung im Stromkreisabschnitt mit induktivem Widerstand heißt Blindleistung Q... Sie charakterisiert die Blindenergie, also die Energie, die nicht unwiederbringlich verbraucht, sondern nur vorübergehend in einem Magnetfeld gespeichert wird. Um sie von der Wirkleistung zu unterscheiden, wird die Blindleistung nicht in Watt, sondern in Blindvoltampere (var oder var) gemessen. In dieser Hinsicht wurde es früher wasserfrei genannt.

Die Blindleistung wird durch eine der Formeln bestimmt:

wobei UL die Spannung im Abschnitt mit dem induktiven Widerstand xL ist; Ich bin der Aktuelle in diesem Abschnitt.

Für eine Reihenschaltung mit aktivem und induktivem Widerstand wird das Konzept der Gesamtleistung S eingeführt. Sie wird durch das Produkt der Gesamtspannung U des Stromkreises und des Stroms I bestimmt und in Voltampere (VA oder VA) ausgedrückt.

Die Leistung im Abschnitt mit aktivem Widerstand wird nach einer der oben genannten Formeln oder nach der Formel berechnet:

wobei φ der Phasenwinkel zwischen Spannung U und Strom I ist.

Der cosφ-Koeffizient ist der Leistungsfaktor … Er wird oft so genannt «Kosinus Phi»… Der Leistungsfaktor gibt an, wie viel der Gesamtleistung Wirkleistung ist:

Der Wert von cosφ kann je nach Verhältnis zwischen Wirk- und Blindwiderstand zwischen Null und Eins variieren. Wenn es nur einen im Stromkreis gibt Reaktivität, dann ist φ = 90°, cosφ = 0, P = 0 und die Leistung im Stromkreis ist reine Blindleistung. Wenn nur ein aktiver Widerstand vorhanden ist, dann ist φ = 0, cosφ = 1 und P = S, d. h. die gesamte Leistung im Stromkreis ist rein aktiv.

Je kleiner der cosφ ist, desto kleiner ist der Wirkleistungsanteil an der Scheinleistung und desto höher ist die Blindleistung. Aber die Arbeit des Stroms, also die Umwandlung seiner Energie in eine andere Energieart, wird nur durch Wirkleistung charakterisiert. Und Blindleistung charakterisiert die Energie, die zwischen dem Generator und dem Blindteil des Stromkreises schwankt.

Für das Stromnetz ist es nutzlos und sogar schädlich. Es ist zu beachten, dass Blindleistung in der Funktechnik in vielen Fällen notwendig und sinnvoll ist. In Schwingkreisen beispielsweise, die in der Funktechnik weit verbreitet sind und zur Erzeugung elektrischer Schwingungen dienen, ist die Stärke dieser Schwingungen nahezu rein reaktiv.
Das Vektordiagramm zeigt, wie sich bei einer Änderung des cosφ der Empfängerstrom I bei unveränderter Leistung ändert.

Vektordiagramm der Empfängerströme bei konstanter Leistung und verschiedenen Leistungsfaktoren

Wie man sieht, ist der Leistungsfaktor cosφ ein wichtiger Indikator für den Nutzungsgrad der vom Wechsel-EMF-Generator entwickelten Gesamtleistung... Es ist besonders darauf zu achten, dass bei cosφ <1 der Generator erzeugen muss eine Spannung und ein Strom, deren Produkt größer als die Wirkleistung ist. Wenn beispielsweise die Wirkleistung im Stromnetz 1000 kW beträgt und cosφ = 0,8, dann ist die Scheinleistung gleich:

Angenommen, in diesem Fall wird die Wirkleistung bei einer Spannung von 100 kV und einem Strom von 10 A erhalten. Allerdings muss der Generator eine Spannung von 125 kV erzeugen, damit die Scheinleistung erreicht wird

Es ist klar, dass die Verwendung eines Generators für eine höhere Spannung nachteilig ist und darüber hinaus bei höheren Spannungen eine Verbesserung der Isolierung der Leitungen erforderlich sein wird, um erhöhte Leckagen oder das Auftreten von Schäden zu vermeiden. Dies wird zu einer Verteuerung des Stromnetzes führen.

Charakteristisch für eine Reihenschaltung mit Wirk- und Blindwiderstand ist die Notwendigkeit, die Generatorspannung aufgrund der vorhandenen Blindleistung zu erhöhen. Liegt eine Parallelschaltung mit Wirk- und Blindzweig vor, muss der Generator mehr Strom erzeugen, als mit einem einzelnen Wirkwiderstand benötigt wird. Mit anderen Worten: Der Generator wird mit zusätzlichem Blindstrom belastet.

Für die oben genannten Werte P = 1000 kW, cosφ = 0,8 und S = 1250 kVA sollte der Generator beispielsweise bei Parallelschaltung einen Strom von nicht 10 A, sondern 12,5 A bei einer Spannung von 100 kV liefern .In diesem Fall muss nicht nur der Generator für einen größeren Strom ausgelegt werden, sondern auch die Drähte der elektrischen Leitung, durch die dieser Strom übertragen wird, müssen dicker sein, was auch die Kosten pro Leitung erhöht. Wenn in der Leitung und an den Wicklungen des Generators Drähte vorhanden sind, die für einen Strom von 10 A ausgelegt sind, ist es klar, dass ein Strom von 12,5 A zu einer erhöhten Erwärmung dieser Drähte führt.

Also zwar das Extra Blindstrom überträgt die Blindenergie vom Generator auf Blindlasten und umgekehrt, erzeugt jedoch aufgrund des Wirkwiderstands der Leitungen unnötige Energieverluste.

In bestehenden Stromnetzen können Abschnitte mit Blindwiderstand sowohl in Reihe als auch parallel zu Abschnitten mit Wirkwiderstand geschaltet werden. Daher müssen Generatoren eine erhöhte Spannung und einen erhöhten Strom entwickeln, um zusätzlich zur nutzbaren Wirkleistung auch Blindleistung zu erzeugen.

Aus dem Gesagten wird deutlich, wie wichtig es für die Elektrifizierung ist Erhöhung des cosφ-Wertes… Seine Reduzierung wird durch die Einbeziehung von Blindlasten in das Stromnetz verursacht. Beispielsweise erzeugen Elektromotoren oder Transformatoren, die im Leerlauf laufen oder nicht voll belastet sind, erhebliche Blindlasten, da sie eine relativ hohe Wicklungsinduktivität aufweisen. Um den cosφ zu erhöhen, ist es wichtig, dass Motoren und Transformatoren unter Volllast laufen. Es existiert mehrere Möglichkeiten, cosφ zu erhöhen.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass alle drei Kräfte durch die folgende Beziehung miteinander verbunden sind:

Das heißt, die Scheinleistung ist nicht die arithmetische Summe aus Wirk- und Blindleistung.Man sagt üblicherweise, dass die Potenz S die geometrische Summe der Potenzen P und Q ist.

Siehe auch: Reaktanz in der Elektrotechnik