4.4.3. Робота і потужність змінного струму

У колі змінного струму крім активного опору завжди діють увімк­нені послідовно індуктивність і ємність, які утворюють реактивний опір і зумовлюють зсув фаз між струмом і напругою. Пояснюється це тим, що в одних випадках потрібний активний опір (теплові прилади, навантажені електричні двигуни), а в інших - реактивний (електро­магніти).

Вираз роботи змінного струму:

. (4.25)

Потужність змінного струму:

(4.26)

істотно залежить від косинуса кута зсуву фаз, тому називають коефіцієнтом потужності. Розглянемо випадки:

а) при потужність у будь-які проміжки часу додатна, вона використовується для виконання корисної роботи в колі;

б) при потужність у деякі проміжки часу, а в деякі проміжки часу Ц, від і' від'ємна; проте від'ємні значення потужності менші від додатних;

в) при додатна і від'ємна потужності чисельно рівні між со­бою. У цьому випадку змінний струм не виконує корисної роботи. Енергія, яка посилається джерелом

в коло за першу чверть періоду, нагромаджується в електромагнітах і конденсаторах (у вигляді магнітної та електричної енергії поля), а потім за другу чверть періоду повертається до генератора. У цьому й полягає явище коливання енергії в колі змінного струму. З виразу коефіцієнта потужності:

(4.27)

видно, що це буде тоді, коли R= 0. Насправді в колі існує деякий активний опір підвідних провідників, обмоток котушок, і на нагрівання їх витрачається енергія струму; частина енергії витрачається на гісте­резис в осерді котушки; на струми Фуко і на нагрівання діелектрика в конденсаторі, але ці втрати енергії економічно невигідні.

У технічних мережах добиваються підвищення , оскільки при малому для добування в колі потрібної корисної потуж­ності треба пропускати струм великої сили, що, в свою чергу, веде до збільшення втрат енергії в підвідних провідниках і вимагає викорис­тання товстіших провідників. Найменше допустиме значення при використанні змінного струму на підприємствах дорівнює 0,85. Боротьба за підвищення при використанні змінного струму на підприємствах є важливим засобом економії електричної енергії в країні.

4.5. Передача і перетворенняя змінного струму. Трансформатор. Електричні станції

План лекції

4.5.1. Передача змінного струму

4.5.2. Перетворення змінного струму. Трансформатор

4.5.3. Електричні станції

4.5.1. Передача змінного струму

Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до споживача. Проте воно пов'язане із значними втратами в проводах внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює:

,

де І - сила струму в лінії, R - опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах ліній передач:

1) зменшення опо­ру проводів;

2) використання струму меншої сили.

Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за рахунок збільшення ї поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат неприйнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.

Нехай, наприклад, необхідно передати електроенергію потужністю 10⁵ кВт по лінії, опір якої R =50 Ом (такий опір має двохпровідна лінія передачі з мідного дроту діаметром 1 см завдовжки приблизно 150 км), з втратами на нагрівання проводів лінії 1 % (Р =10³ кВт). У цьому випадку потужність має передаватися струмом силою =140 А.

Отже, напруга в лінії має бути = 700000 В.

Цей приклад показує, що для передачі великої потужності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на ви­сокі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії за такої високої напруги взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Тому електричні генератори будують на напругу 6 - 25 тисяч вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги перетворюють в струми низької напруги (110 В, 220 В, 380 В і т. д.).