Aktivní a jalový výkon. Za co platíme a pracujeme

Činný a jalový výkon – spotřebitelé elektrické energie jsou spotřebitelé, kteří tuto energii spotřebovávají. Spotřebitele zajímá energie, jejíž spotřeba je pro něj prospěšná, tuto energii lze nazvat užitečnou, ale v elektrotechnice se obvykle nazývá činná. Jedná se o energii, která se používá k vytápění místností, vaření jídla, výrobě chladu a která se přeměňuje na mechanickou energii (práce elektrických vrtaček, příklepových vrtaček, elektrických čerpadel atd.).

Kromě činné elektrické energie existuje také jalová energie. To je část celkové energie, která není vynaložena na užitečnou práci. Jak je z výše uvedeného zřejmé, celkový výkon je součet činného a jalového výkonu.

Aktivní a jalový výkon

Pojmy činného a jalového výkonu se střetávají s protichůdnými zájmy spotřebitelů elektrické energie a jejích dodavatelů. Pro spotřebitele je výhodné platit pouze za užitečnou elektrickou energii, kterou spotřebuje, zatímco pro dodavatele je výhodné dostávat platbu za součet činné a jalové elektrické energie. Je možné tyto zdánlivě protichůdné požadavky skloubit? Ano, pokud se množství jalové elektrické energie sníží na nulu.

Aktivní výkon

Existují spotřebiče elektrické energie, jejichž zdánlivý a činný výkon se shodují. Jsou to spotřebiče, jejichž zátěž je reprezentována aktivními odpory (rezistory). Mezi domácími elektrospotřebiči jsou příklady takových zátěží žárovky, elektrické sporáky, pečící skříně a trouby, ohřívače, žehličky, páječky atd.

Činný a jalový výkon uvedený v pasu těchto zařízení je současně . To je případ, kdy lze výkon zátěže určit pomocí vzorce známého ze školního kurzu fyziky vynásobením proudu zátěže napětím v síti. Proud se měří v ampérech (A), napětí ve voltech (V), výkon ve wattech (W). Varná deska elektrického sporáku v síti s napětím 220 V při proudu 4,5 A spotřebuje energii 4,5 x 220 = 990 (W).

Relativní výkon

Někdy při procházce po ulici můžete vidět, že sklo balkonů je zevnitř pokryto lesklou tenkou vrstvou. Tato vrstva se získává z vadných elektrických kondenzátorů instalovaných pro specifické účely v distribučních rozvodnách, které zásobují silné spotřebiče elektrické energie. Kondenzátor je typickým spotřebičem jalového výkonu. Na rozdíl od spotřebičů činného výkonu, kde je hlavním konstrukčním prvkem nějaký materiál, který vede elektřinu (wolframový vodič v žárovkách, nichromová spirála v elektrickém sporáku atd.), v kondenzátoru je hlavním prvkem dielektrikum, které nevede elektrický proud (tenká polymerní vrstva nebo papír impregnovaný olejem).

Reaktivní kapacitní výkon

Krásné lesklé filmy, které jste viděli na balkóně, jsou desky kondenzátoru vyrobené z tenkého vodivého materiálu. Kondenzátor je pozoruhodný tím, že dokáže akumulovat elektrickou energii a poté ji uvolňovat – je to druh baterie. Pokud kondenzátor připojíte k stejnosměrné síti, bude nabíjen krátkodobým proudovým impulsem a poté jím nebude protékat žádný proud. Kondenzátor můžete vrátit do původního stavu tak, že jej odpojíte od zdroje napětí a k jeho deskám připojíte zátěž. Elektrický proud bude zátěží nějakou dobu protékat a ideální kondenzátor do zátěže odevzdá přesně tolik elektrické energie, kolik přijal během nabíjení. Žárovka připojená ke svorkám kondenzátoru může krátce bliknout, elektrický odpor se zahřeje a neopatrná osoba se může „otřesit“ nebo dokonce zabít, pokud je na svorkách dostatečné napětí a nahromaděné množství elektřiny.

Zajímavý obraz se objeví při připojení kondenzátoru ke zdroji střídavého napětí. Protože zdroj střídavého napětí neustále mění polaritu a okamžitou hodnotu napětí (v domácí elektrické síti podle zákona blízkého sinusovému), kondenzátor se bude kontinuálně nabíjet a vybíjet, bude jím kontinuálně protékat střídavý proud. Tento proud se však nebude shodovat ve fázi s napětím zdroje střídavého napětí, ale bude před ním o 90°, tj. o čtvrtinu periody.

To bude mít za následek, že kondenzátor bude po polovinu periody střídavého napětí spotřebovávat energii ze sítě a po polovinu periody ji bude odevzdávat, zatímco celkový spotřebovaný činný elektrický výkon bude nulový. Protože však kondenzátorem protéká značný proud, který lze měřit ampérmetrem, obvykle se říká, že kondenzátor je spotřebitelem jalového elektrického výkonu.

Jalový výkon se vypočítá jako součin proudu a napětí, ale jednotkou měření již nejsou watty, ale jalový voltampér (VAR). Elektrickým kondenzátorem o kapacitě 220 μF připojeným k síti 50 V, 4 Hz tedy protéká proud asi 0,3 A. To znamená, že kondenzátor spotřebuje 0,3 x 220 = 66 (VAR) jalového výkonu – srovnatelné s výkonem průměrné žárovky, ale kondenzátor na rozdíl od žárovky nežhne ani se nezahřívá.

Reaktivní indukční výkon

Pokud proud v kondenzátoru předbíhá napětí, existují spotřebiče, u kterých proud zaostává za napětím? Ano, a takové spotřebiče se na rozdíl od kapacitních spotřebičů nazývají indukční, přičemž zůstávají spotřebiči jalové energie. Typickou indukční elektrickou zátěží je cívka s určitým počtem závitů dobře vodivého drátu navinutého na uzavřeném jádru vyrobeném ze speciálního magnetického materiálu.

V praxi je dobrou aproximací čistě indukční zátěže transformátor (nebo regulátor napětí s autotransformátorem) pracující bez zátěže. Dobře navržený transformátor v režimu bez zátěže spotřebovává velmi málo činného výkonu, spotřebovává převážně jalový výkon.

Reální spotřebitelé elektrické energie a celkový elektrický výkon

Z úvah o charakteristikách kapacitní a indukční zátěže vyvstává zajímavá otázka: co se stane, pokud se kapacitní a indukční zátěž zapojí současně a paralelně? Vzhledem k jejich opačným reakcím na přiložené napětí se tyto dvě reakce začnou vzájemně kompenzovat. Celková zátěž bude pouze kapacitní nebo indukční a v ideálním případě bude možné dosáhnout plné kompenzace. To bude vypadat paradoxně: připojené ampérmetry budou zaznamenávat významné (a stejné!) proudy kondenzátorem a induktorem a úplnou absenci proudu ve společném obvodu, který je spojuje. Popsaný obraz je poněkud narušen pouze skutečností, že ideální kondenzátory a induktory neexistují, ale taková idealizace pomáhá pochopit podstatu probíhajících procesů.

Vraťme se k reálným spotřebitelům elektrické energie. V každodenním životě používáme převážně spotřebitele čistě činného výkonu (příklady jsou uvedeny výše) a smíšené činně-indukční. Jsou to elektrické vrtačky, příklepové vrtačky, elektromotory ledniček, praček a dalších domácích spotřebičů. Patří sem také elektrické transformátory napájecích zdrojů domácí elektroniky a stabilizátory napětí. V případě takové smíšené zátěže spotřebovává zátěž kromě činného (užitečného) výkonu také jalový výkon, v důsledku čehož je celkový výkon větší než činný výkon. Celkový výkon se měří ve voltampérech (VA) a je vždy součinem proudu v zátěži a napětí na zátěži.

Tajemný „kosinus fí“

Poměr činného výkonu k celkovému výkonu se v elektrotechnice nazývá „kosinus fí“. Označuje se cos φ. Tento poměr se také nazývá účiník. Je snadné vidět, že pro případ čistě činné zátěže, kde se celkový výkon shoduje s činným výkonem, platí cos φ = 1. Pro případy čistě kapacitních nebo indukčních zátěží, kde je činný výkon nulový, platí cos φ = 0.

V případě smíšeného zatížení je hodnota účiníku mezi 0 a 1. U domácích spotřebičů se obvykle pohybuje v rozmezí 0,5-0,9. V průměru jej lze považovat za rovný 0,7, přesnější hodnota je uvedena v pasu elektrického spotřebiče.

Za co platíme?

A konečně nejzajímavější otázkou je, za jaký druh energie spotřebitel platí. Vzhledem k tomu, že reaktivní složka celkové energie nepřináší spotřebiteli žádný užitek, zatímco část reaktivní energie se po danou dobu spotřebuje a část se odevzdá, není třeba za jalový výkon platit. Ďábel se ale, jak víme, skrývá v detailech. Protože smíšená zátěž zvyšuje proud v síti, vznikají v elektrárnách, kde se elektřina vyrábí synchronními generátory, problémy, a to: indukční zátěž „odbuzuje“ generátor a jeho uvedení do předchozího stavu stojí skutečný činný výkon za jeho „dodatečné buzení“.

Je tedy docela spravedlivé, aby spotřebitel platil za spotřebovaný jalový indukční výkon. To spotřebitele motivuje ke kompenzaci jalové složky jeho zátěže, a protože tato složka je převážně indukční, kompenzace spočívá v připojení kondenzátorů s předem vypočítanou kapacitou.

Spotřebitel nachází příležitost platit méně

Pokud spotřebitel platí samostatně za spotřebovaný činný a jalový výkon, je připraven nést dodatečné náklady a instalovat ve svém podniku kondenzátorové banky, které se zapínají přesně podle harmonogramu v závislosti na průměrné statistice spotřeby elektřiny podle hodin dne.

Existuje také možnost instalace speciálních zařízení (kompenzátorů jalového výkonu) v podniku, které automaticky připojují kondenzátory v závislosti na množství a povaze aktuálně spotřebované energie. Tyto kompenzátory umožňují zvýšit účiník z 0,6 na 0,97, tj. prakticky na jednu.

Dále se uznává, že pokud poměr spotřebované jalové energie k celkové energii nepřesáhne 0,15, je firemní spotřebitel osvobozen od placení za jalovou energii.

Pokud jde o individuální spotřebitele, vzhledem k relativně nízkému výkonu, který spotřebovávají, není zvykem dělit účty za úhradu spotřebované elektřiny na činný a jalový. Jednofázové elektroměry pro domácnosti berou v úvahu pouze činný výkon elektrické zátěže a za ten je vystavena faktura. To znamená, že v současné době neexistuje ani technická možnost vystavit jednotlivému spotřebiteli fakturu za spotřebovaný jalový výkon.

Spotřebitel nemá žádnou zvláštní motivaci kompenzovat indukční složku zátěže a je to technicky obtížné realizovat. Trvale připojené kondenzátory budou zbytečně zatěžovat napájecí vedení, když je indukční zátěž odpojena. Za elektroměrem (i před elektroměrem, ale spotřebitel za to neplatí), což způsobí spotřebu činného výkonu s odpovídajícím zvýšením účtu, a automatické kompenzátory jsou drahé a je nepravděpodobné, že by ospravedlnily náklady na jejich pořízení.

Další věc je, že výrobce někdy instaluje kompenzační kondenzátory na vstupu spotřebičů s indukční složkou zátěže. Tyto kondenzátory, pokud jsou správně vybrány, poněkud sníží energetické ztráty v napájecích vodičích a zároveň poněkud zvýší napětí na připojeném elektrickém spotřebiči snížením úbytku napětí na napájecích vodičích.

Ale co je nejdůležitější, kompenzace reaktivní energie u každého spotřebitele, od bytu až po velký podnik, sníží proudy ve všech napájecích vedeních, od elektrárny až po bytový rozvaděč. Díky reaktivní složce celkového proudu se sníží energetické ztráty ve vedeních a zvýší se účinnost elektrických systémů.

Související témata:

• Zařízení pro úsporu elektřiny, práce a alternativy
• Kompenzace jalového výkonu. Typy a zátěže. Použití
• Fázová nerovnováha. Příčiny a odstranění. Ochrana
• Kvalita napájení. Ukazatele a charakteristiky. Faktory
• Třífázové a jednofázové sítě. Rozdíly. Výhody a nevýhody
• Pevně ​​uzemněný neutrál. Zařízení a provoz. Aplikace
• Izolovaný neutrální. Zařízení a princip činnosti
• Joule-Lenzův zákon. práce a aplikace. Zvláštnosti
• Elektrická pevnost. Druhy dielektrik. Zvláštnosti
• Bludné proudy. Vznik a ochrana. Zvláštnosti
• Vířivé proudy (Foucaultovy proudy). Dopad a aplikace. Zvláštnosti
• Zpětná vazba (OS). Typy a použití. Obsluha a funkce

S pojmem výkonu se setkává mnoho lidí, kteří studují skalární fyzikální veličiny a oblasti exaktních věd, jako je elektrodynamika, elektrostatika a magnetostatika. Jaká je definice činného a jalového výkonu, jejich zdroj a jaký je hlavní rozdíl – dále v článku.

Popis jevů

Výkon je skalární typ fyzikální veličiny, která ukazuje, jak se elektrická energie přenáší nebo transformuje. Existuje stejnosměrný a střídavý proud. Střídavý proud se dělí na činný a jalový.

Aktivní se nazývá užitečná síla, která určuje proces přímé přeměny elektřiny na požadovaný typ síly. V každém elektrickém spotřebiči se transformuje svým vlastním způsobem. Například žárovka produkuje světlo teplem, žehlička produkuje teplo a elektromotor vyrábí mechanickou energii. V souladu s tím ukazuje účinnost zařízení.

Reaktivní je to, co se určuje pomocí elektromagnetického pole. Vzniká při provozu elektrických spotřebičů.

Dávejte pozor! Jedná se o škodlivou a parazitní výkonovou charakteristiku, která je určena povahou zátěže. U žárovky je nulová, ale u elektromotoru může být větší.

Proč potřebuji

Elektřina přenáší energii do vodiče, aby provedl technický proces. Aby k tomuto procesu došlo, musí být přenášená síla přeměněna na teplo a napětí. V tomto případě musí být elektrická energie dodávána nepřetržitě, což je zajištěno oběma typy výkonových charakteristik. Činná energie poskytuje užitečnou sílu a jalová ji udržuje v elektromotorech, transformátorech, pecích, svařovacích zařízeních, škrticích ventilech a osvětlovacích zařízeních.

Zdroj reaktivní energie

Abychom pochopili podstatu vzniku této energie a jak zjistit jalový výkon, je nutné objasnit, že jakýkoli elektromagnetický nebo indukční stroj, který pracuje na střídavém proudu, přeměňuje elektřinu na teplo. K této přeměně je zapotřebí magnetické pole. Je tedy tvořeno bezwattovou energií. Důvodem je absorpce energie indukčním obvodem a její návrat, když se magnetické pole dvakrát zmenší za cyklus výkonové frekvence.

Rozdíly

Rozdíl mezi hodnotami je v tom, že charakteristika činného výkonu ukazuje účinnost zařízení a jalová charakteristika je přenos této účinnosti. Rozdíl je také pozorován v definici, symbolu, vzorci a významu.

Bude vás zajímat Jak zkontrolovat MOSFET (tranzistor s efektem pole)

Dávejte pozor! Pokud jde o hodnotu, druhá je potřeba pouze k řízení napětí vytvořeného z první hodnoty a k překonání kolísání výkonu.

Výpočet podle vzorce

Oba typy lze reprezentovat definicí z výpočtových vzorců. Činná výkonová charakteristika je tedy poměr napětí k proudu ke kosinu úhlu fázového posunu mezi nimi. Pokud proud není sinusový, rovná se součtu průměrných výkonových charakteristik. Lze ji vyjádřit jiným vzorcem. Může se rovnat dvojnásobku proudu k odporu obvodu nebo dvojnásobku napětí k vodivosti. Lze ji také zjistit vynásobením celkové energie kosinem úhlu fázového posunu napětí s elektrickým proudem.

Pokud se vrátíme k otázce, v jakých jednotkách se vyjadřuje jalový výkon spotřebitelů, lze poznamenat, že se zjistí pomocí dvou vzorců, z nichž hlavní je vynásobení napětí proudem a sinus fázového posunu. Lze jej také zjistit pomocí druhé mocniny výpočtu zdvojnásobené celkové spotřeby energie. Měření celkového výkonu probíhá vynásobením napětí proudem.

Dávejte pozor! Oba druhy jsou udávány ve wattech. Jeden watt se rovná kilogramu vynásobenému poměrem metrů čtverečních k krychlovým sekundám. Rovná se také joulu dělenému sekundám, newtonu dělenému metrům za sekundu a voltu dělenému ampérům.

Jednu i druhou sílu najdete nejen pomocí vzorců, ale také pomocí technologicky moderních zařízení, jako je voltmetr, ampérmetr nebo fázoměr. Multimetr můžete také použít k výpočtu libovolných ukazatelů.

Výkon je to, co charakterizuje rychlost přenosu s transformací elektrické energie. Jalový výkon v obvodu střídavého proudu se liší od činného výkonu tím, že se používá k přenosu skutečného výkonu zdroje, zatímco druhý je nejreálnější elektrická energie. Oba se měří ve wattech a mají velký význam v elektromagnetickém záření, mechanické formě generátoru nebo akustické vlně. Aktivně se používají v průmyslu.

Pomohl článek? Hodnotit