Účinník v sínusových obvodoch striedavého prúdu sa vypočíta ako kosínus uhla posunu medzi prúdom a napätím. Stanovuje mieru kvality napájania a informuje o množstve dodaného výkonu premeneného na užitočnú prácu. Situácia sa však komplikuje, keď sú v napájacom obvode navyše prítomné prúdové a napäťové harmonické. Vtedy sa okrem základného výkonu musia brať do úvahy aj úrovne harmonických, takže v ideálnom prípade by mali jednoducho chýbať alebo byť zanedbateľne malé. V tomto článku uvedieme základný prehľad účinníka, prúdových a napäťových harmonických a rozoberieme metódy proti zhoršovaniu kvality elektrickej energie.

• Jalový výkon
• Zdanlivý výkon
• Čo vplýva na účinník
• Výkonový trojuholník
• Účinník čo najbližšie k hodnote 1
• Ako zlepšiť účinník
• Zníženie úrovne harmonických

V systémoch striedavého prúdu existujú 3 druhy výkonu: činný, jalový a zdanlivý. Činným výkonom sa budeme zaoberať neskôr v texte. Stručne si teda rozoberieme, čo je to jalový a zdanlivý výkon a prečo sa berú do úvahy.

Jalový výkon

Ak máme do činenia s čisto odporovou záťažou, ako je napríklad žiarovka, v obvode nedochádza k posunu medzi prúdom a napätím a vtedy sa zaoberáme len činným výkonom. To je však veľmi zriedkavý prípad, pretože či už káble alebo iné komponenty vždy vnášajú do obvodu určitú indukčnosť a kapacitu. Jednotlivé zložky záťaže tvoria impedanciu, ktorá môže mať prevažne kapacitný alebo induktívny charakter. Táto impedancia spôsobuje fázový posun prúdu voči napätiu. Ak je v obvode kapacita, napätie predbieha prúd. Ak je v obvode indukčnosť, prúd predbieha napätie.  Veľmi zjednodušene to možno vysvetliť takto: aby kondenzátor dokázal uchovávať energiu, musí v ňom existovať elektrické pole. Elektrické pole sa indukuje napätím, takže je zrejmé, že to musí nastať ako prvé. V indukčných prvkoch je situácia iná – cievka uchováva energiu v elektromagnetickom poli, ktoré je indukované prietokom prúdu, takže na jej svorkách prúd predchádza napätiu. Keďže je to tak, je ľahké vidieť, že výkon oscilujúci medzi zdrojom a záťažou môže mať kladné alebo záporné znamienko. Ak má výkon záporné znamienko, znamená to, že záťaž odovzdáva svoju nahromadenú energiu zdroju.

Za ideálnych podmienok, ak je záťaž čisto kapacitná alebo induktívna, je posun medzi prúdom a napätím 90 stupňov. Výkonová krivka je napoly kladná a napoly záporná. Činný výkon je 0 W, pretože kladné a záporné krivky prúdu a napätia sa navzájom rušia. Potom existuje len jalový výkon, ktorý osciluje medzi záťažou a generátorom v rytme sieťovej frekvencie, aby sa zvýšilo alebo znížilo magnetické alebo elektrické pole. Jalový výkon sa označuje písmenom Q a vypočíta sa zo vzorca:

Q = U * I * sin(φ)

kde:

• Q je jalový výkon [Var],
• U je efektívna hodnota napätia [V],
• I je efektívna hodnota prúdu [A],
• φ je uhol fázového posunu medzi prúdom a napätím.

Jalový výkon sa odovzdáva kapacitnej alebo induktívnej reaktancii. Nepremieňa sa na užitočnú prácu. Opisuje pulzovanie elektrickej energie, t. j. je výsledkom akumulácie energie, ktorú odovzdáva záťaž.

Zdanlivý výkon

Pri výpočtoch elektrických obvodov sa primárne uvažuje súčin prúdu a napätia bez fázového posunu, a teda zdanlivý výkon. Všetky sieťové komponenty, ako sú generátory, transformátory, rozvádzače, poistky a prierezy prívodných káblov, musia byť dimenzované na prítomný zdanlivý výkon. Jednotkou zdanlivého výkonu je [VA] (volt – ampér).

Účinník a kvalita elektrickej energie

V systémoch striedavého prúdu je činný výkon tá časť dodávaného výkonu, ktorú záťaž odoberá zo zdroja a premieňa na prácu. Činný výkon pre sínusový striedavý prúd bez harmonických sa vypočíta zo vzorca:

P = U * I * cos(φ)

kde:

• P je činný výkon [W],
• U je efektívna hodnota napätia [V],
• I je efektívna hodnota prúdu [A],
• cos(φ) je účinník.

Je ľahké vytušiť, že čím je účinník cos(φ) bližšie k 1, tým väčší je činný výkon a tým viac energie vykonáva užitočnú prácu. V ideálnom obvode striedavého prúdu so zdrojom a odporovou záťažou sú prúd a napätie v rovnakej fáze. V skutočnosti to tak býva veľmi zriedkavo, pretože kapacitné alebo indukčné záťaže zahrnuté v tomto obvode spôsobujú posun prúdu vzhľadom na napätie a vznik jalového výkonu. Zjednodušene môžeme povedať, že ide o mieru účinnosti sústavy napájania a strát, ktoré sa v nej vyskytujú. Všeobecným odporúčaním je, aby sa napájacie systémy usilovali o hodnotu cos(φ) alebo inak, aby PF nie nižšiu ako 0,95 (95%).

Na pochopenie toho, odkiaľ sa berie jalový výkon, použime príklady bežných spotrebičov. Motor na striedavý prúd predstavuje záťaž induktívneho charakteru. Pri takejto záťaži napätie predbieha prúd. Výsledkom je jalový výkon, ktorý je potrebný na udržiavanie elektromagnetického poľa, ale nevykonáva užitočnú prácu. Odporové ohrievače veľkých rozmerov môžu mať značnú elektrickú kapacitu. Preto predstavujú nielen odporovú, ale aj kapacitnú záťaž. Pri takejto záťaži prúd predbieha napätie a jalový výkon sa spotrebúva na udržiavanie elektrického poľa kondenzátora, ktorý je v podstate parazitnou kapacitou.

Kvalitu napájania zhoršujú nielen zariadenia s vysokým výkonom, ako sú motory, ale aj AC/DC meniče, ktoré sú súčasťou takmer každého moderného elektricky napájaného zariadenia. Patria medzi ne spínané zdroje televízorov, monitorov, počítačov, automatizačných zariadení, napájacie zdroje LED svietidiel alebo žiariviek, ako aj v priemyselnej automatizácii bežne používané invertory, riadiace jednotky krokových motorov a mnoho iných. Každé z týchto zariadení obsahuje kapacitné a indukčné komponenty, ktoré uchovávajú energiu vo forme magnetického alebo elektrického poľa. Keď táto energia zmizne, vracia sa do siete, čo vedie k zhoršeniu účinníka.

Ďalším faktorom, ktorý zhoršuje účinnosť prenosu energie, je prítomnosť harmonických frekvencií. Ideálny sínusový priebeh obsahuje len základnú frekvenčnú zložku. Aj keď je pravda, v reálnych podmienkach sa usilujeme o dokonalú sínusoidu, kapacity, indukčnosti a poruchy v obvode ju skresľujú, čo má za následok vyššie energetické priebehy s harmonickými frekvenciami. Obzvlášť široké harmonické spektrum generujú napríklad iskriace kontakty odpojovača, stýkača alebo komutátor kefového motora. Harmonické frekvencie sprevádzajú aj aplikácie invertorov s frekvenčnými meničmi, bez ktorých si možno len ťažko predstaviť modernú technologickú linku. Výstupy napájacích zariadení, ako sú napríklad zdroje neprerušovaného napájania, môžu byť tiež vystavené priebehom s veľkým podielom harmonických v dôsledku nekvalitného spracovania alebo konštrukčných chýb, ktoré skresľujú priebeh výstupného napätia.

Prítomnosť harmonických frekvencií nielenže zhoršuje účinník, ale môže tiež narušiť prevádzku zariadení alebo spôsobiť nadmerné straty výkonu prejavujúce sa ako prehriatie zariadení pripojených k sieti.

Výkonový trojuholník

V elektrických obvodoch sa často hovorí o výkonovom trojuholníku. Nie je to nič iné ako zdanlivý výkon, jalový výkon a činný výkon znázornený v tvare pravouhlého trojuholníka, ktorého jednotlivé zložky sú určené z Pytagorovej vety. Činný výkon je znázornený na vodorovnej osi, jalový výkon na zvislej osi a zdanlivý výkon na protiľahlej strane trojuholníka.

Na obrázku 1 je znázornený príklad výkonového trojuholníka. Činný výkon (P) sa vyskytuje na odporovej záťaži, a preto je vo fáze s prúdom. Na tomto obrázku je jalový výkon (Q) v uhle 90 stupňov k prúdu, takže záťaž je induktívna. Opačný obdĺžnik označený písmenom (S) je zdanlivý výkon.Výkonový-trojuholník

Obrázok 1. Príklad výkonového trojuholníka

Výkonový trojuholník má množstvo praktických aplikácií. Možno ho použiť na určenie veľkosti činného a jalového výkonu v elektrickej sústave, čo nám umožňuje posúdiť jej energetickú účinnosť. Znalosť vzťahu medzi jednotlivými výkonmi nám umožňuje navrhovať efektívnejšie a optimalizovanejšie elektrické sústavy. Výkonový trojuholník sa používa na výpočet účinníka elektrického systému a určenie, či je potrebná korekcia účinníka.

Prečo je dôležitý účinník blízky 1?

Elektricky napájané zariadenia vyžadujú viac energie, ako spotrebujú. To znamená, že napríklad AC motor premieňa na užitočnú prácu len časť energie, ktorú mu dodáva napájanie. Zvyšná energia sa väčšinou využíva na generovanie elektromagnetického poľa motora. V každej perióde sa striedavé napätie zvyšuje a znižuje a dodaný výkon sa premieňa na energiu poľa. Energia uložená v cievke má za následok vznik jalového výkonu a hoci tento výkon neprináša žiadnu užitočnú prácu a nie je indikovaný meračom činného výkonu (elektromerom), prúdi medzi záťažou a generátorom (zdrojom energie), čím spôsobuje zaťaženie distribučnej siete.

Mnohé energetické spoločnosti stanovujú v tarife za elektrickú energiu zmluvnú pokutu za nedodržanie dostatočne nízkej hodnoty účinníka. Základný poplatok za dodávku elektriny platí pri určitom pevne stanovenom minimálnom účinníku (zvyčajne 0,85...0,87). Na druhej strane, ak sa účinník zníži pod minimálnu hodnotu vinou odberateľa, dodávateľ elektriny účtuje zmluvnú pokutu alebo poplatok za spotrebu energie podľa zvýšenej sadzby. Niektorí výrobcovia alebo distribútori elektrickej energie uzatvárajú so zákazníkmi, ktorí sú podozriví z „kazenia“ hodnoty účinníka, dohody, na základe ktorých účtujú za dodaný zdanlivý výkon (kVA), a nie za činný výkon (kW).

Dodávatelia elektrickej energie uplatňujú rôzne pravidlá spoplatňovania. Týka sa to najmä veľkých odberateľov elektriny, s ktorými sa tarify a poplatky často dohadujú individuálne. Preto pri plánovaní investície do zariadení na korekciu účinníka je dôležité pochopiť používané metódy účtovania elektrickej energie, pretože zlepšenie účinníka prináša zníženie poplatkov za elektrickú energiu, ale správny výber metódy kompenzácie jalového výkonu a samotné zariadenia nie sú lacné. Pri rozhodovaní o ich kúpe a používaní je dôležité zvážiť, či sa vynaložená investícia vráti v podobe zníženia účtov za elektrinu.

Zlepšenie účinníka je nepochybne zdrojom priamych úspor, pretože sa premieta do účtov za elektrinu. Ostatné úspory, ako napríklad zníženie strát energie v distribúcii, zníženie poklesu napätia pri vysokom príkone a možnosť zvýšiť počet napájaných spotrebičov bez toho, aby bolo potrebné investovať do modernizácie distribučnej siete, sú o niečo menej zrejmé. Zvyčajne sú tiež malé v porovnaní s úsporami dosiahnutými vďaka zníženiu pokút za účinník.

Príklady hodnôt účinníka pre rôzne záťaže sú uvedené v tabuľke 1

---

---

---