Fonte de alimentação CA e perdas de energia

A potência de um circuito que possui apenas resistências ativas é chamada de potência ativa P. É calculada normalmente usando uma das seguintes fórmulas:

A potência ativa caracteriza o consumo irreversível (irreversível) da energia atual.

Em cadeias corrente alternada existem muito mais causas que causam perdas de energia irrecuperáveis ​​do que em circuitos DC. Esses motivos são os seguintes:

1. Aquecimento do fio por corrente… Para corrente contínua, o aquecimento é quase a única forma de perda de energia. E para corrente alternada, que tem o mesmo valor da corrente contínua, a perda de energia para aquecimento do fio é maior devido ao aumento da resistência do fio devido ao efeito de superfície. Quanto mais alto frequência atual, mais afeta efeito de superfície e a maior perda por aquecimento do fio.

2. Perdas para criar correntes parasitas, também chamadas de correntes de Foucault… Essas correntes são induzidas em todos os corpos metálicos em um campo magnético gerado por corrente alternada. Da ação correntes parasitas corpos de metal esquentam.Perdas por correntes parasitas particularmente significativas podem ser observadas em núcleos de aço. As perdas de energia para criar correntes parasitas aumentam com o aumento da frequência.

Correntes parasitas — em um núcleo maciço, b — em um núcleo lamelar

3. Perda de histerese magnética... Sob a influência de um campo magnético alternado, os núcleos ferromagnéticos são remagnetizados. Nesse caso, ocorre atrito mútuo das partículas do núcleo, resultando no aquecimento do núcleo. À medida que a frequência aumenta, as perdas de histerese magnética está crescendo.

4. Perdas em dielétricos sólidos ou líquidos... Em tais dielétricos, o campo elétrico alternado causa polarização de moléculas, isto é, cargas aparecem em lados opostos das moléculas, iguais em valor, mas diferentes em sinal. Moléculas polarizadas giram sob a ação do campo e experimentam fricção mútua. Devido a isso, o dielétrico aquece. À medida que a frequência aumenta, suas perdas aumentam.

5. Perdas por Vazamento de Isolamento... As substâncias isolantes utilizadas não são dielétricos ideais e neles são observados vazamentos por vazamento. Ou seja, a resistência de isolamento, embora muito alta, não é infinita. Este tipo de perda também existe em corrente contínua. Em altas tensões, é até possível que as cargas fluam para o ar ao redor do fio.

6. Perdas por radiação de ondas eletromagnéticas… Qualquer cabo AC emite ondas eletromagnéticas, e à medida que a frequência aumenta, a energia das ondas emitidas aumenta acentuadamente (proporcional ao quadrado da frequência).As ondas eletromagnéticas saem irreversivelmente do condutor e, portanto, o consumo de energia para a emissão das ondas equivale a perdas em alguma resistência ativa. Em antenas de transmissores de rádio, esse tipo de perda é uma perda de energia útil.

7. Perdas por transmissão de energia para outros circuitos... Como consequência fenômenos de indução eletromagnética alguma energia CA é transferida de um circuito para outro localizado nas proximidades. Em alguns casos, como em transformadores, essa transferência de energia é benéfica.

A resistência ativa do circuito CA leva em consideração todos os tipos listados de perdas de energia não recuperáveis... Para um circuito em série, você pode definir a resistência ativa como a relação da potência ativa, a força de todas as perdas para o quadrado de o actual:

Assim, para uma dada corrente, a resistência ativa do circuito é tanto maior quanto maior for a potência ativa, ou seja, maiores serão as perdas totais de energia.

A potência na seção do circuito com resistência indutiva é chamada de potência reativa Q... Caracteriza a energia reativa, ou seja, a energia que não é consumida irremediavelmente, mas apenas temporariamente armazenada em um campo magnético. Para distingui-la da potência ativa, a potência reativa é medida não em watts, mas em volt-amperes reativos (var ou var)... A esse respeito, era anteriormente chamado de anidro.

A potência reativa é determinada por uma das fórmulas:

onde UL é a tensão na seção com resistência indutiva xL; I é a corrente nesta seção.

Para um circuito em série com resistência ativa e indutiva, o conceito de potência total S é introduzido... É determinado pelo produto da tensão total do circuito U pela corrente I e é expresso em volt-amperes (VA ou VA)

A potência na seção com resistência ativa é calculada por uma das fórmulas acima ou pela fórmula:

onde φ é o ângulo de fase entre a tensão U e a corrente I.

O coeficiente de cosφ é o fator de potência… É frequentemente chamado «coseno phi»… O fator de potência mostra quanto da potência total é potência ativa:

O valor de cosφ pode variar de zero à unidade, dependendo da relação entre resistência ativa e reativa. Se houver apenas um no circuito reatividade, então φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 e a potência no circuito é puramente reativa. Se houver apenas resistência ativa, então φ = 0, cosφ = 1 e P = S, ou seja, toda a potência do circuito é puramente ativa.

Quanto menor o cosφ, menor a parcela de potência ativa da potência aparente e maior a potência reativa. Mas o trabalho da corrente, ou seja, a transição de sua energia para algum outro tipo de energia, é caracterizado apenas pela força ativa. E a potência reativa caracteriza a energia que oscila entre o gerador e a parte reativa do circuito.

Para a rede elétrica, é inútil e até prejudicial. Deve-se notar que na engenharia de rádio, a potência reativa é necessária e útil em vários casos. Por exemplo, em circuitos oscilantes, amplamente utilizados na engenharia de rádio e usados ​​para gerar oscilações elétricas, a força dessas oscilações é quase puramente reativa.
O diagrama vetorial mostra como a mudança de cosφ altera a corrente do receptor I com sua potência inalterada.

Diagrama vetorial das correntes do receptor em potência constante e vários fatores de potência

Como pode ser visto, o fator de potência cosφ é um importante indicador do grau de utilização da potência total desenvolvida pelo gerador EMF alternado... É necessário prestar atenção especial ao fato de que em cosφ <1 o gerador deve criar uma tensão e corrente cujo produto é maior que a potência ativa. Por exemplo, se a potência ativa na rede elétrica for 1000 kW e cosφ = 0,8, então a potência aparente será igual a:

Suponha que neste caso a potência real seja obtida com uma tensão de 100 kV e uma corrente de 10 A. No entanto, o gerador deve gerar uma tensão de 125 kV para que a potência aparente seja

É claro que o uso de um gerador para uma tensão mais alta é desvantajoso e, além disso, em tensões mais altas será necessário melhorar o isolamento dos fios para evitar o aumento de vazamentos ou ocorrência de danos. Isso levará a um aumento no preço da rede elétrica.

A necessidade de aumentar a tensão do gerador devido à presença de potência reativa é característica de um circuito série com resistência ativa e reativa. Se houver um circuito paralelo com ramos ativos e reativos, o gerador deve criar mais corrente do que o necessário com uma única resistência ativa. Em outras palavras, o gerador é carregado com corrente reativa adicional.

Por exemplo, para os valores acima P = 1000 kW, cosφ = 0,8 e S = 1250 kVA, quando conectado em paralelo, o gerador deve fornecer uma corrente não de 10 A, mas de 12,5 A a uma tensão de 100 kV .neste caso, não apenas o gerador deve ser projetado para uma corrente maior, mas os fios da linha elétrica por onde será transmitida essa corrente deverão ser tomados com uma espessura maior, o que também aumentará o custo por linha. Se na linha e nos enrolamentos do gerador houver fios projetados para uma corrente de 10 A, é claro que uma corrente de 12,5 A causará maior aquecimento nesses fios.

Assim, embora o acréscimo corrente reativa transfere a energia reativa do gerador para cargas reativas e vice-versa, mas gera perdas desnecessárias de energia devido à resistência ativa dos fios.

Nas redes elétricas existentes, trechos com resistência reativa podem ser conectados tanto em série quanto em paralelo com trechos com resistência ativa. Portanto, os geradores devem desenvolver aumento de tensão e aumento de corrente para criar, além da potência ativa útil, potência reativa.

Pelo que foi dito, fica claro o quão importante é para a eletrificação aumentando o valor do cosφ… Sua redução é causada pela inclusão de cargas reativas na rede elétrica. Por exemplo, motores elétricos ou transformadores que estão ociosos ou não totalmente carregados criam cargas reativas significativas porque possuem indutância de enrolamento relativamente alta. Para aumentar o cosφ, é importante que os motores e transformadores operem a plena carga. Isso existe várias maneiras de aumentar o cosφ.

Em conclusão, notamos que todas as três forças estão interligadas pela seguinte relação:

ou seja, a potência aparente não é a soma aritmética da potência ativa e reativa.Costuma-se dizer que a potência S é a soma geométrica das potências P e Q.

Veja também: Reatância em engenharia elétrica