Fuente de alimentación de CA y pérdidas de energía

La potencia de un circuito que solo tiene resistencias activas se denomina potencia activa P. Se calcula como de costumbre mediante una de las siguientes fórmulas:

La potencia activa caracteriza el consumo irreversible (irreversible) de la energía actual.

Esposado corriente alterna hay muchas más causas que causan pérdidas de energía irrecuperables que en los circuitos de CC. Estas razones son las siguientes:

1. Calentar el cable con corriente... Para la corriente continua, el calentamiento es casi la única forma de pérdida de energía. Y para la corriente alterna, que tiene el mismo valor que la corriente continua, la pérdida de energía para calentar el cable es mayor debido al aumento de la resistencia del cable debido al efecto de superficie. Lo mas alto frecuencia actual, más afecta efecto de superficie y la mayor pérdida por calentar el alambre.

2. Pérdidas para crear corrientes de Foucault, también llamadas corrientes de Foucault... Estas corrientes son inducidas en todos los cuerpos metálicos en un campo magnético generado por corriente alterna. De la acción corrientes de Foucault los cuerpos metálicos se calientan.Se pueden observar pérdidas por corrientes de Foucault particularmente significativas en los núcleos de acero. Las pérdidas de energía para crear corrientes de Foucault aumentan con el aumento de la frecuencia.

Corrientes de Foucault — en un núcleo masivo, b — en un núcleo lamelar

3. Pérdida de histéresis magnética... Bajo la influencia de un campo magnético alterno, los núcleos ferromagnéticos se remagnetizan. En este caso, se produce una fricción mutua de las partículas del núcleo, como resultado de lo cual el núcleo se calienta. A medida que aumenta la frecuencia, las pérdidas de histéresis magnética esta creciendo.

4. Pérdidas en dieléctricos sólidos o líquidos... En tales dieléctricos, el campo eléctrico alterno provoca polarización de moléculas, es decir, aparecen cargas en lados opuestos de las moléculas, iguales en valor pero de distinto signo. Las moléculas polarizadas giran bajo la acción del campo y experimentan fricción mutua. Debido a ello, el dieléctrico se calienta. A medida que aumenta la frecuencia, aumentan sus pérdidas.

5. Pérdidas por Fugas de Aislamiento… Las sustancias aislantes utilizadas no son los dieléctricos ideales y se observan fugas por fugas en ellas. En otras palabras, la resistencia de aislamiento, aunque muy alta, no es igual a infinito. Este tipo de pérdida también existe en corriente continua. A altos voltajes, incluso es posible que las cargas fluyan hacia el aire que rodea al cable.

6. Pérdidas por radiación de ondas electromagnéticas… Cualquier cable AC emite ondas electromagnéticas, y a medida que aumenta la frecuencia, la energía de las ondas emitidas aumenta bruscamente (proporcionalmente al cuadrado de la frecuencia).Las ondas electromagnéticas abandonan irreversiblemente el conductor, por lo que el consumo de energía para la emisión de ondas equivale a pérdidas en alguna resistencia activa. En las antenas de transmisores de radio, este tipo de pérdida es la pérdida de energía útil.

7. Pérdidas por transmisión de potencia a otros circuitos... Como consecuencia fenómenos de inducción electromagnética parte de la alimentación de CA se transfiere de un circuito a otro ubicado cerca. En algunos casos, como en los transformadores, esta transferencia de energía es beneficiosa.

La resistencia activa del circuito de CA tiene en cuenta todos los tipos enumerados de pérdidas de energía no recuperables... Para un circuito en serie, puede definir la resistencia activa como la relación de potencia activa, la fuerza de todas las pérdidas al cuadrado de la corriente:

Así, para una corriente dada, la resistencia activa del circuito es mayor cuanto mayor es la potencia activa, es decir, mayores son las pérdidas totales de energía.

La potencia en la sección del circuito con resistencia inductiva se denomina potencia reactiva Q... Caracteriza la energía reactiva, es decir, la energía que no se consume irremediablemente, sino que solo se almacena temporalmente en un campo magnético. Para distinguirla de la potencia activa, la potencia reactiva no se mide en vatios, sino en voltios-amperios reactivos (var o var)... En este sentido, antes se la denominaba anhidra.

La potencia reactiva se determina mediante una de las fórmulas:

donde UL es la tensión en la sección con resistencia inductiva xL; I es la corriente en esta sección.

Para un circuito en serie con resistencia activa e inductiva, se introduce el concepto de potencia total S... Está determinada por el producto de la tensión total del circuito U y la corriente I y se expresa en voltios-amperios (VA o VA)

La potencia en la sección con resistencia activa se calcula mediante una de las fórmulas anteriores o mediante la fórmula:

donde φ es el ángulo de fase entre la tensión U y la corriente I.

El coeficiente de cosφ es el factor de potencia... A menudo se le llama «coseno phi»… El factor de potencia muestra qué parte de la potencia total es potencia activa:

El valor de cosφ puede variar de cero a la unidad, dependiendo de la relación entre la resistencia activa y reactiva. Si solo hay uno en el circuito reactividad, entonces φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 y la potencia en el circuito es puramente reactiva. Si solo hay resistencia activa, entonces φ = 0, cosφ = 1 y P = S, es decir, toda la potencia en el circuito es puramente activa.

Cuanto menor sea el cosφ, menor será la parte de la potencia activa de la potencia aparente y mayor será la potencia reactiva. Pero el trabajo de la corriente, es decir, la transición de su energía a algún otro tipo de energía, se caracteriza solo por la potencia activa. Y la potencia reactiva caracteriza la energía que fluctúa entre el generador y la parte reactiva del circuito.

Para la red eléctrica, es inútil y hasta perjudicial. Cabe señalar que en ingeniería de radio, la potencia reactiva es necesaria y útil en varios casos. Por ejemplo, en los circuitos oscilantes, que se utilizan mucho en ingeniería de radio y se utilizan para generar oscilaciones eléctricas, la fuerza de estas oscilaciones es casi puramente reactiva.
El diagrama vectorial muestra cómo el cambio de cosφ cambia la corriente del receptor I con su potencia sin cambios.

Diagrama vectorial de las corrientes del receptor a potencia constante y varios factores de potencia

Como puede verse, el factor de potencia cosφ es un indicador importante del grado de utilización de la potencia total desarrollada por el generador de EMF alterna... Es necesario prestar especial atención al hecho de que a cosφ <1 el generador debe crear tensión y corriente cuyo producto es mayor que la potencia activa. Por ejemplo, si la potencia activa en la red eléctrica es de 1000 kW y cosφ = 0,8, entonces la potencia aparente será igual a:

Supongamos que en este caso la potencia real se obtiene a un voltaje de 100 kV y una corriente de 10 A. Sin embargo, el generador debe generar un voltaje de 125 kV para que la potencia aparente sea

Está claro que el uso de un generador para un voltaje más alto es desventajoso y, además, a voltajes más altos será necesario mejorar el aislamiento de los cables para evitar un aumento de las fugas o la aparición de daños. Esto conducirá a un aumento en el precio de la red eléctrica.

La necesidad de aumentar la tensión del generador debido a la presencia de potencia reactiva es característica de un circuito en serie con resistencia activa y reactiva. Si hay un circuito paralelo con ramas activas y reactivas, entonces el generador debe generar más corriente de la que se necesita con una sola resistencia activa. En otras palabras, el generador se carga con corriente reactiva adicional.

Por ejemplo, para los valores anteriores P = 1000 kW, cosφ = 0,8 y S = 1250 kVA, cuando se conecta en paralelo, el generador debe dar una corriente no de 10 A, sino de 12,5 A a una tensión de 100 kV .en este caso, no solo se debe diseñar el generador para una corriente mayor, sino que los alambres de la línea eléctrica por donde se transmitirá esta corriente se tendrán que llevar con un mayor espesor, lo que también incrementará el costo por línea. Si en la línea y en los devanados del generador hay cables diseñados para una corriente de 10 A, entonces está claro que una corriente de 12,5 A provocará un aumento del calentamiento en estos cables.

Así, aunque el extra corriente reactiva transfiere la energía reactiva del generador a las cargas reactivas y viceversa, pero crea pérdidas de energía innecesarias debido a la resistencia activa de los cables.

En las redes eléctricas existentes, las secciones con resistencia reactiva se pueden conectar tanto en serie como en paralelo con secciones con resistencia activa. Por lo tanto, los generadores deben desarrollar mayor voltaje y mayor corriente para crear, además de potencia activa útil, potencia reactiva.

De lo dicho queda claro lo importante que es para la electrificación aumentando el valor de cosφ… Su reducción se produce por la inclusión de cargas reactivas en la red eléctrica. Por ejemplo, los motores o transformadores eléctricos que están inactivos o que no están completamente cargados crean cargas reactivas significativas porque tienen una inductancia de devanado relativamente alta. Para aumentar el cosφ, es importante que los motores y transformadores funcionen a plena carga. Existe varias formas de aumentar el cosφ.

En conclusión, observamos que las tres fuerzas están interconectadas por la siguiente relación:

es decir, la potencia aparente no es la suma aritmética de la potencia activa y reactiva.Se acostumbra decir que la potencia S es la suma geométrica de las potencias P y Q.

Ver también: Reactancia en ingeniería eléctrica.