Alimentation en courant alternatif et pertes de puissance

La puissance d'un circuit qui n'a que des résistances actives est appelée la puissance active P. Elle est calculée comme d'habitude à l'aide de l'une des formules suivantes :

La puissance active caractérise la consommation irréversible (irréversible) d'énergie actuelle.

Enchaîné courant alternatif il y a beaucoup plus de causes causant des pertes d'énergie irrécupérables que dans les circuits à courant continu. Ces raisons sont les suivantes :

1. Chauffer le fil par le courant… Pour le courant continu, le chauffage est presque la seule forme de perte d'énergie. Et pour le courant alternatif, qui a la même valeur que le courant continu, la perte d'énergie pour chauffer le fil est plus importante en raison de l'augmentation de la résistance du fil due à l'effet de surface. Le plus haut fréquence actuelle, plus cela affecte effet de surface et la plus grande perte pour chauffer le fil.

2. Pertes pour créer des courants de Foucault, autrement appelés courants de Foucault… Ces courants sont induits dans tous les corps métalliques dans un champ magnétique généré par un courant alternatif. De l'action courants de Foucault les corps métalliques s'échauffent.Des pertes par courants de Foucault particulièrement importantes peuvent être observées dans les noyaux en acier. Les pertes d'énergie pour créer des courants de Foucault augmentent avec l'augmentation de la fréquence.

Courants de Foucault — dans un noyau massif, b — dans un noyau lamellaire

3. Perte d'hystérésis magnétique... Sous l'influence d'un champ magnétique alternatif, les noyaux ferromagnétiques sont réaimantés. Dans ce cas, un frottement mutuel des particules du noyau se produit, à la suite duquel le noyau s'échauffe. Lorsque la fréquence augmente, les pertes de hystérésis magnétique croît.

4. Pertes dans les diélectriques solides ou liquides... Dans de tels diélectriques, le champ électrique alternatif provoque polarisation des molécules, c'est-à-dire que des charges apparaissent sur les côtés opposés des molécules, de valeur égale mais de signe différent. Les molécules polarisées tournent sous l'action du champ et subissent des frottements mutuels. De ce fait, le diélectrique s'échauffe. Plus la fréquence augmente, plus ses pertes augmentent.

5. Pertes de fuite d'isolation… Les substances isolantes utilisées ne sont pas des diélectriques idéaux et des fuites de fuite y sont observées. En d'autres termes, la résistance d'isolement, bien que très élevée, n'est pas égale à l'infini. Ce type de perte existe également en courant continu. À haute tension, il est même possible que des charges circulent dans l'air entourant le fil.

6. Pertes dues au rayonnement des ondes électromagnétiques… Tout câble AC émet des ondes électromagnétiques, et à mesure que la fréquence augmente, l'énergie des ondes émises augmente fortement (proportionnellement au carré de la fréquence).Les ondes électromagnétiques quittent irréversiblement le conducteur, et donc la consommation d'énergie pour l'émission des ondes équivaut à des pertes dans certaines résistances actives. Dans les antennes d'émission radio, ce type de perte est une perte d'énergie utile.

7. Pertes de transmission de puissance vers d'autres circuits... En conséquence phénomènes d'induction électromagnétique une partie du courant alternatif est transférée d'un circuit à un autre situé à proximité. Dans certains cas, comme dans les transformateurs, ce transfert d'énergie est bénéfique.

La résistance active du circuit AC prend en compte tous les types répertoriés de pertes d'énergie non récupérables... Pour un circuit en série, vous pouvez définir la résistance active comme le rapport de la puissance active, la force de toutes les pertes au carré de le courant:

Ainsi, pour un courant donné, la résistance active du circuit est d'autant plus grande que la puissance active est importante, c'est-à-dire que les pertes totales d'énergie sont importantes.

La puissance dans la section de circuit avec résistance inductive est appelée puissance réactive Q... Elle caractérise l'énergie réactive, c'est-à-dire l'énergie qui n'est pas irrémédiablement consommée, mais seulement temporairement stockée dans un champ magnétique. Pour la distinguer de la puissance active, la puissance réactive se mesure non pas en watts, mais en volt-ampères réactifs (var ou var)... A ce titre, on l'appelait auparavant anhydre.

La puissance réactive est déterminée par l'une des formules :

où UL est la tension dans la section avec résistance inductive xL ; I est le courant dans cette section.

Pour un circuit série avec résistance active et inductive, le concept de puissance totale S est introduit... Elle est déterminée par le produit de la tension totale du circuit U et du courant I et est exprimée en volt-ampères (VA ou VA)

La puissance dans la section avec résistance active est calculée par l'une des formules ci-dessus ou par la formule :

où φ est le déphasage entre la tension U et le courant I.

Le coefficient de cosφ est le facteur de puissance… Il est souvent appelé «cosinus phi»… Le facteur de puissance indique quelle part de la puissance totale correspond à la puissance active :

La valeur de cosφ peut varier de zéro à l'unité, selon le rapport entre la résistance active et réactive. S'il n'y en a qu'un dans le circuit réactivité, alors φ = 90°, cosφ = 0, P = 0 et la puissance dans le circuit est purement réactive. S'il n'y a qu'une résistance active, alors φ = 0, cosφ = 1 et P = S, c'est-à-dire que toute la puissance du circuit est purement active.

Plus le cosφ est faible, plus la part de puissance active dans la puissance apparente est faible et plus la puissance réactive est élevée. Mais le travail du courant, c'est-à-dire la transition de son énergie en un autre type d'énergie, n'est caractérisé que par la puissance active. Et la puissance réactive caractérise l'énergie qui fluctue entre le générateur et la partie réactive du circuit.

Pour le réseau électrique, c'est inutile et même nocif. Il convient de noter qu'en ingénierie radio, la puissance réactive est nécessaire et utile dans un certain nombre de cas. Par exemple, dans les circuits oscillants, qui sont largement utilisés dans l'ingénierie radio et sont utilisés pour générer des oscillations électriques, la force de ces oscillations est presque purement réactive.
Le diagramme vectoriel montre comment la modification de cosφ modifie le courant du récepteur I avec sa puissance inchangée.

Diagramme vectoriel des courants du récepteur à puissance constante et divers facteurs de puissance

Comme on peut le voir, le facteur de puissance cosφ est un indicateur important du degré d'utilisation de la puissance totale développée par le générateur alternatif EMF... Il faut porter une attention particulière au fait qu'à cosφ <1 le générateur doit créer une tension et un courant dont le produit est supérieur à la puissance active. Par exemple, si la puissance active dans le réseau électrique est de 1000 kW et cosφ = 0,8, alors la puissance apparente sera égale à :

Supposons que dans ce cas la puissance réelle soit obtenue à une tension de 100 kV et un courant de 10 A. Cependant, le générateur doit générer une tension de 125 kV pour que la puissance apparente soit

Il est clair que l'utilisation d'un générateur pour une tension plus élevée est désavantageuse et, de plus, à des tensions plus élevées, il sera nécessaire d'améliorer l'isolation des fils pour éviter une augmentation des fuites ou la survenue de dommages. Cela conduira à une augmentation du prix du réseau électrique.

La nécessité d'augmenter la tension du générateur en raison de la présence de puissance réactive est caractéristique d'un circuit série avec résistance active et réactive. S'il existe un circuit parallèle avec des branches actives et réactives, le générateur doit créer plus de courant que nécessaire avec une seule résistance active. En d'autres termes, le générateur est chargé avec un courant réactif supplémentaire.

Par exemple, pour les valeurs ci-dessus P = 1000 kW, cosφ = 0,8 et S = 1250 kVA, lorsqu'il est connecté en parallèle, le générateur doit fournir un courant non pas de 10 A, mais de 12,5 A à une tension de 100 kV .dans ce cas, non seulement le générateur doit être conçu pour un courant plus important, mais les fils de la ligne électrique par lesquels ce courant sera transmis devront être pris avec une épaisseur plus importante, ce qui augmentera également le coût par ligne. Si dans la ligne et au niveau des enroulements du générateur, il y a des fils conçus pour un courant de 10 A, il est clair qu'un courant de 12,5 A provoquera un échauffement accru dans ces fils.

Ainsi, bien que le supplément courant réactif transfère l'énergie réactive du générateur aux charges réactives et vice versa, mais crée des pertes d'énergie inutiles en raison de la résistance active des fils.

Dans les réseaux électriques existants, les sections à résistance réactive peuvent être connectées aussi bien en série qu'en parallèle avec des sections à résistance active. Par conséquent, les générateurs doivent développer une tension et un courant accrus pour créer, en plus de la puissance active utile, de la puissance réactive.

D'après ce qui a été dit, il est clair à quel point il est important pour l'électrification augmentation de la valeur cosφ… Sa réduction est causée par l'inclusion de charges réactives dans le réseau électrique. Par exemple, les moteurs électriques ou les transformateurs qui tournent au ralenti ou qui ne sont pas complètement chargés créent des charges réactives importantes car ils ont une inductance d'enroulement relativement élevée. Pour augmenter le cosφ, il est important que les moteurs et les transformateurs fonctionnent à pleine charge. Ça existe plusieurs façons d'augmenter le cosφ.

En conclusion, nous notons que les trois forces sont interconnectées par la relation suivante :

c'est-à-dire que la puissance apparente n'est pas la somme arithmétique de la puissance active et réactive.Il est d'usage de dire que la puissance S est la somme géométrique des puissances P et Q.

Voir également: Réactance en génie électrique