Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A villamos energia szállításában és fogyasztói berendezésekben történő felhasználásában részt vevő berendezések – generátorok, transzformátorok, vezetékek, villamos motorok stb. – rendkívül nagy értékűek. Úgy gazdasági, mint műszaki megfontoIások indokolják ezeknek a nagy értékű berendezéseknek az optimális kihasználását.
A gazdaságos átalakítás mellett szól az a tény is, hogy a villamos energia előállítására szolgáló energiahordozók felhasznált mennyisége világviszonylatban növekvő tendenciát mutat. Éppen ezért igen nagy jelentősséggel bír a rendelkezésre álló villamosenergia-felhasználás gazdaságossága. Törekedni kell arra, hogy a fogyasztók a mindenkori üzemi viszonyoknak megfelelően mindig csak a szükséges villamos energiát használják fel, azaz a felhasználásban, átalakításban meg kell valósulnia egy gazdasági optimumnak. Összefoglalva tehát, a villamos energia előállítására, szállítására szolgáló berendezéseket a lehető leggazdaságosabban kell üzemeltetni, a különböző jellegű fogyasztóknak pedig mindig a mindenkori szükségletüknek megfelelő teljesítményt kell vételezniük.
Ennek a feladatnak a megvalósításában nagy szerepe van a megtermelt és felhasznált villamos energiát jellemző feszültség és áram közötti szög, az úgynevezett fázisszög (φ) nagyságának. Ez határozza meg a fogyasztók teljesítménytényezőjét, a cosφ Annak megértéséhez, hogy a villamos energia előállításában, szállításában, felhasználásában miért van nagy jelentősége a teljesítménytényezőnek, szükség van az Elektrotechnika tantárgyban tanultak felelevenítésére. Az erőművek generátorai állítják elő a villamos energiát. A transzformátorok a villamos energia feszültségét az igényeknek megfelelően változtatják, azaz feltranszformálják a szállítás feszültségszintjére, illetve letranszformálják a fogyasztói hálózat feszültségére. A fogyasztók a villamos energiát más típusú energiává alakítják át, pl. a villamos motorok mechanikai energiává. A villamos motorok az energia átalakításhoz szükséges villamos teljesítményt az 1. ábrán látható vektorábra szerint vételezik. A vektorábrában az áram vektorát két, a feszültség irányába eső, azonos fázisú, Ih (I cosφ) és arra merőleges IL = Im (Isinφ) összetevőre (komponensre) bonthatjuk.
1. és 2. ábra
Munkát csak a feszültség irányába eső áramösszetevő szolgáltat, ezért ezt az áram hatásos összetevőjének, és a P = U I cosφ teljesítményt hatásos teljesítménynek nevezzük. Ez az a teljesítmény, amely a különböző gyártási, technológiai folyamatok villamos berendezéseiben hasznos munkát végez, egy része pedig a veszteségeket fedezi. Ha φ≠0, akkor a hatásos teljesítmény kisebb, mint a feszültség, és az áram effektív értékének szorzatából adódó úgynevezett látszólagos teljesítmény, S = U I. Hangsúlyozni kell, hogy a látszólagos teljesítménynek semmiféle fizikai jelentése nincs. A fogalom bevezetését az a körülmény indokolta, hogy a váltakozó áramú gépek és egyéb készülékek méretei egyrészt a feszültségtől, másrészt attól az áramtól függnek, amellyel tartósan terhelhetők. Ezért a váltakozó áramú gépeket és készülékeket a tartósan megengedett – úgynevezett névleges – feszültség és áram szorzatával, tehát a látszólagos teljesítménnyel jelöljük meg. A feszültségre merőleges I sin összetevőt az áram meddő öszszetevőjének, és ennek a feszültséggel való Q = U I sinφ szorzatát meddő teljesítménynek nevezik. A vektorábrán az áram meddő összetevője 90º-ot késik a feszültséghez képest. Ez az induktív meddő áram. A feszültség és az induktív meddő áram szorzata az induktív meddő teljesítmény, amely a villamos berendezésekben létrehozza, illetve fenntartja a mágneses teret. Ha az áram meddő összetevője 90º-ot siet a feszültséghez képest, akkor kapacitív meddő áramról beszélünk. A feszültség és a kapacitív meddő áram szorzata a kapacitív meddő teljesítmény, amely a villamos berendezésekben létrehozza, illetve fenntartja a villamos teret.
Teljesítmény
Meghatározásához szükséges képlet
Mértékegység
Látszólagos
S=UI
VA
Hatásos
P=UIcosφ
W
Meddő
induktív
QL=UIsinφ
var
kapacitív
Qm=UIsinφ
var
A teljesítménytényező, cosφ = P/S = Ih/I megmutatja, hogy a látszólagos teljesítmény mekkora része végez munkát. A 2. ábrán jól láthatók a váltakozó feszültségű rendszerben a különböző váltakozó áramú teljesítmények. Háromfázisú rendszerekben a különböző teljesítményeket az alábbiak szerint számíthatjuk.
Teljesítmény
Meghatározásához szükséges képlet
Fázismennyiségek ismertek
Vonali mennyiségek ismertek
Látszólagos
S=3UfIf
S=√3UvIv
Hatásos
P=3UfIfcosφ
P=√3UvIvcosφ
Meddő
Q=3UfIfsinφ
Q=√3UvIvsinφ
A rossz teljesítménytényező következményei és javításának jelentősége
A generátorok, transzformátorok, villamos hálózatok, motorok terhelhetőségét az határozza meg, hogy mekkora a megengedett hőigénybevételük. A vezetőkön átfolyó áram hatására hő keletkezik, és a vezetőanyag felmelegedésével együtt a szigetelőanyag is felmelegszik. A felmelegedés mértéke csak akkora lehet, amelyet a szigetelőanyag minden károsodás nélkül, tartósan elvisel. A felmelegedést mindig a hatásos és meddő áram eredője, a látszólagos áram okozza, ezért a tekercsek, vezetők termikus terhelhetőségénél mindig ezt az áramot kell figyelembe venni. A generátorok, transzformátorok, villamos hálózatok vezetői, a motorok és más villamos berendezések pedig a látszólagos áram által meghatározott teljesítménnyel terhelhetők.
Már említettük, hogy a hasznos munkavégzés nagysága a felvett hatásos áram, hatásos teljesítmény értékétől függ. Így például villamos motor esetén a tengelyen leadott mechanikai teljesítmény, amellyel valamilyen munkagépet hajt, a hatásos árammal, hatásos teljesítménnyel arányos. A motor működéséhez (villamos energiából mechanikai energia előállításához) mágneses erőtér létrehozása és fenntartása is szükséges. A motornak a 3. ábrán látható módon a hálózatból hatásos és meddő áramot (), valamint hatásos és meddő teljesítményt () kell felvenni. A felvett áramnak és a látszólagos teljesítménynek - a veszteségeket elhanyagolva - csak a hatásos összetevője (Ih=Icosφ ; P=Scosφ) alakul át hasznos munkává. Ez azt jelenti, hogy minél kisebb a cos értéke, minél roszszabb a teljesítménytényező, a villamos hálózat által szállított látszólagos teljesítménynek annál kisebb hányada a hatásos teljesítmény.
3. ábra
Egy villamos motorral hajtott munkagép üzemszerű működése megfelelő nagyságú mechanikai teljesítményt igényel, ehhez megfelelő nagyságú hatásos villamos teljesítményre van szükség. Ha a munkagép terhelése csökken, akkor a meghajtó villamos motor hatásos teljesítményfelvétele (P) is csökkeni fog. A mágneses tér létrehozásához és fenntartásához szükséges meddő teljesítmény felvétele (Q) azonban alig változik. Mindez a teljesítménytényező, cos értékének csökkenését okozza. Szemléletesen kifejezve ez a következőket jelenti. Ha cosφ =1, akkor a vezető keresztmetszetén hatásos áram folyik. Ha cos csökken, akkor a vezető keresztmetszetének egyre kisebb részén folyik hatásos áram, azaz egyre jobban csökken a vezetők keresztmetszetének kihasználtsága.
