tensiunii

de Chris Woodford. Ultima actualizare: 28 februarie 2020.

Ai auzit vreodată oameni vorbind despre utilizarea unui baros pentru a sparge o piuliță? Folosirea unei forțe prea mari acolo unde ar face doar puțin este evident o risipă de energie - dar este ceva ce facem cu toții, tot timpul, în ceea ce privește electricitatea. În linii mari, tensiunea este echivalentul electric al forței și deseori alimentăm aparatele și dispozitivele electrice cu mult mai mulți volți decât au nevoie de fapt. Folosirea unui „baros electric” pentru a sparge o piuliță electrică risipește bani, precum și energie și poate scurta dramatic durata de viață a echipamentelor scumpe. Dacă conduceți ceva de genul unei fabrici cu o mulțime de mașini uriașe alimentate de motoare electrice, utilizarea unei tensiuni prea mari ar putea adăuga un 10-20 la sută inutil la factura dvs. de energie electrică; înmulțiți acest lucru în întreaga lume industrială și veți obține o mare problemă care este rău pentru economie și rău pentru planetă. O soluție este utilizarea echipamentelor de optimizare a tensiunii (cunoscută și sub numele de corectare, stabilizare, reglare sau reducere a tensiunii), care vă reglează în mod constant alimentarea cu energie electrică, astfel încât să obțineți exact tensiunea de care aveți nevoie. Să aruncăm o privire mai atentă asupra modului în care funcționează!

Foto: Conceptul de optimizare a tensiunii: convertește undele de linie electrică de diferite forme și dimensiuni în cele de doar forma și dimensiunea potrivite pentru a vă rula echipamentul mai eficient.

Cuprins

De ce tensiunea poate fi o problemă

Soiul de tensiune

Ai observat vreodată că toate gadgeturile și dispozitivele mici pe care le ai prin casă folosesc tensiuni de electricitate ușor diferite? Aparatele dvs. mari sunt toate proiectate să curgă consumul de uz casnic, de obicei 110 volți sau 230 volți, în funcție de locul în care vă aflați. Dar gadgeturile mai mici vor folosi tot felul de tensiuni diferite. O lanternă va folosi aproximativ 3 volți, o cameră digitală de 4 volți, un telefon mobil sau CD player de 6 volți, un laptop de aproximativ 20 de volți și așa mai departe. Te-ai întrebat vreodată de ce aparatele mai mari au nevoie de mai mult? Gândiți-vă la tensiune, gândiți-vă la forță: în linii mari, aveți nevoie de o tensiune mai mare pentru a forța un curent electric prin ceva de genul motorului electric într-un frigider sau într-un aspirator decât prin mica lampă cu incandescență dintr-o lanternă sau microcipurile din laptop. Ai nevoie de un baros mai mare pentru a sparge o piuliță mai mare.

Un alt mod de a gândi acest lucru este să ne amintim că cantitatea de putere pe care o folosește electric este proporțională cu tensiunea sa. Dacă aveți nevoie de un aparat electric pentru a vă ușura viața, făcând ceva care necesită multă energie (cum ar fi tăierea gardului viu sau uscarea în blugi a blugilor), va trebui, de asemenea, o mulțime de energie în fiecare secundă - și asta înseamnă mult de tensiune. În teorie, ai putea alimenta un uscător cu o baterie de 1,5 volți, dar tensiunea sa mică ar produce energie mult prea lent pentru a evapora apa din hainele tale și un astfel de pachet complet de energie pur și simplu nu conține suficientă energie pentru a face toată treaba. . Un uscător de 110 volți (sau 220 de volți) va face treaba corect și mult mai repede, dar nu va face neapărat nicio diferență dacă puterea gospodăriei dvs. este de fapt de 130 de volți (sau 250 de volți)

Foto: centralele electrice sunt proiectate pentru a produce tensiuni rezonabile constante cu regulatoare de tensiune, ampermetre, wattmetre, sincroscopuri (care mențin generatoarele de energie sincronizate între ele și rețeaua electrică la care se conectează) și multe altele. Fotografie a echipamentului de reglare a energiei electrice într-o cameră de control la White River Hydroelectric Project de Jet Lowe, prin amabilitatea Bibliotecii Congresului SUA, Divizia de Imagini și Fotografii, Historic American Engineering Record.

Supratensiune

Odată ce electricitatea părăsește o centrală electrică, companiile de utilități nu prea au sau nu au idee despre ce facem de fapt cu ea. Ei ne oferă tuturor aceeași aprovizionare de bază și ne permit să continuăm. În practică, utilizatorii industriali vor obține surse de tensiune mult mai mari decât casele, astfel încât să poată conduce mașini puternice din fabrică, dar, chiar și așa, există doar o legătură relativ brută între tensiunea furnizată și tensiunile pe care le folosim de fapt. Dezechilibrul dintre aceste două lucruri poate fi o mare problemă și o risipă uriașă de energie și bani.

Majoritatea mașinilor electrice sunt fabricate și vândute la nivel internațional și trebuie să funcționeze la tensiuni diferite în diferite țări. Un strung electric (mașină de tăiat din fabrică) ar putea fi fabricat în Germania pentru a funcționa chiar în întreaga Europă (o bandă uriașă din lume) la tensiuni cuprinse între 200-250 volți: în Germania, va funcționa fericit pe 230 volți; în Marea Britanie, va funcționa la fel (nu mai repede sau mai bine) la o sursă națională care uneori este mai aproape de 240 volți - dar tensiunea mai mare îl va face să irosească cu aproximativ 10% mai multă energie prin încălzirea considerabilă (reducând potențialul său util viața destul de semnificativ). Dacă utilizați mașina respectivă în Marea Britanie, ați putea dori ca alimentarea cu energie electrică să fie de 230 volți în loc de 240. Această problemă este adesea denumită supratensiune. .

Diagramă: Tensiunile din întreaga lume: După cum știu toți călătorii, tensiunile de alimentare cu energie electrică variază în întreaga lume, deși, în general, există doar două benzi comune: aproximativ 100–130 volți pentru America de Nord și Pacific și 220–240 volți în altă parte. Aceasta este în mod evident o problemă pentru producătorii care doresc să producă produse pentru piața globală, dar mai puțin o problemă pe un singur continent, cum ar fi Europa, unde tensiunile au fost standardizate. Sursa: energie electrică în funcție de țară (verificată de două ori cu a doua sursă).

Tranzitori și armonici

Există și alte probleme de care să vă faceți griji. Tensiunea pe care o primește clădirea dvs. poate crește și scădea destul de dramatic de la oră la oră (chiar și de la minut la minut sau de la secundă la secundă) din cauza fluctuațiilor cererii și ofertei. Dacă o fabrică pornește și oprește mașini electrice mari în cartierul dvs., de exemplu, aceasta poate duce la tranzitorii (vârfuri scurte) de putere care pot afecta alte clădiri din apropiere. Piroanele (uneori numite supratensiuni) și căderile (uneori numite scufundări) pot fi, de asemenea, cauzate de trăsnet, de echipamente de generare a energiei care pornesc sau deconectează și de o mulțime de oameni care folosesc electricitatea simultan (gătind în același timp în fiecare seară, de exemplu ). În practică, o alimentare care se presupune a fi de 230 de volți ar putea fluctua în mod regulat cu până la 10% sau mai mult, oferindu-vă o tensiune reală de aproximativ 210-250 de volți.

Și nu doar tensiunea poate varia. În teorie, cea mai mare parte a energiei electrice este furnizată ca o undă sinusoidală de curent alternativ (AC), care crește, coboară și inversează direcția lin, ceva de genul a 50-60 de ori pe secundă (frecvența de alimentare obișnuită). În practică, sursele de curent alternativ pot include, de asemenea, forme de undă neregulate, de frecvență mai mare, numite armonice, care pot deteriora echipamentele delicate (cauzând supraîncălzire) și care trebuie într-adevăr filtrate.

Foto: În mod ideal, curentul alternativ ar trebui să varieze ușor în acest model de undă sinusoidală în sus și în jos. În practică, se poate schimba mai drastic și mai neregulat, afectându-vă echipamentul.

Cât de rea este problema?

Ca gospodari, nu ne deranjează prea mult toate acestea; majoritatea dintre noi nici măcar nu sunt conștienți de această problemă. La fel ca mine, probabil că sunteți obișnuit să aveți o mulțime de gadgeturi mici (laptopuri, telefoane mobile, periuțe de dinți electrice și așa mai departe), toate cu transformatoare încorporate care convertesc sursa de alimentare obișnuită (nominal

110–120 volți în America de Nord și regiunea Pacificului și

220-240 volți în Europa și în alte părți) la tensiunea corectă în fiecare caz (15 volți pentru laptopul pe care îl tastez, de exemplu). Și poate aveți dispozitive de protecție împotriva supratensiunii montate pe câteva aparate cheie (cum ar fi computerul sau routerul fără fir) pentru a vă proteja împotriva vârfurilor și a trăsnetelor.

Dacă conduceți o afacere, nepotrivirea dintre tensiunea cu care vă este furnizată și tensiunea de care aveți nevoie este mult mai importantă: vă costă o mulțime de bani pe care nu trebuie să-i cheltuiți.

Foto: Obiectele electronice de uz casnic care utilizează tensiuni joase au de obicei transformatoare mici încorporate în cablurile de alimentare. Toate acestea curg de la sursa de alimentare europeană de 230 volți sau cam așa ceva, dar furnizează de fapt tensiuni mult mai mici aparatelor pe care le alimentează. În sensul acelor de ceasornic de sus: transformatoare pentru un modem (18 volți), un încărcător de telefon mobil (5,9 volți) și un încărcător pentru iPod (12 volți).

Cum funcționează optimizarea tensiunii?

Există două modalități principale de a rezolva problema. Primul este să ai propriul tău transformator simplu descendent (numit și transformator de reducere a tensiunii sau transformator de „atingere în jos”) pentru a schimba o tensiune de intrare mai mare la un nivel mai mic, în conformitate cu ceea ce ai nevoie de fapt. Fabricile și birourile cu propria stație sau transformator dedicat au deja această opțiune; ei pot reajusta pur și simplu ceea ce se numește „setarea robinetului” (raportul dintre tensiunea de intrare și de ieșire), astfel încât transformatorul lor furnizează o tensiune mai mică decât înainte. Alternativ, se poate adăuga un transformator suplimentar pentru a reduce tensiunea de la sursa de alimentare cu energie electrică exterioară la una care se potrivește mai mult cu necesitățile sistemului intern de electricitate al clădirii. Problema cu această abordare este că rezolvă doar problema supratensiunii. Dacă uneori primiți prea puțină tensiune de la sursă (o problemă numită și "subtensiune" sau "brownout"), modificarea setării robinetului pentru a reduce supratensiunea va înrăutăți lucrurile.

Foto: Un transformator descendent ca acesta (care îmi furnizează electricitatea pe măsură ce scriu asta) reduce puterea de înaltă tensiune a cablurilor de electricitate într-o tensiune mai mică pentru case și fabrici. Reglarea setărilor de atingere îl va face să producă o tensiune de ieșire mai mare sau mai mică de la aceeași tensiune de intrare.

O soluție mai bună este utilizarea echipamentelor dedicate de optimizare a tensiunii, care reglează constant tensiunea de la sursă, fie creșterea, fie scăderea acesteia, astfel încât să rămână într-o bandă limitată. Dispozitivele care fac acest lucru se numesc regulatoare de tensiune, optimizatoare de tensiune, stabilizatori de tensiune sau corectori de tensiune. Nu au nevoie de întreținere sau monitorizare și funcționează fericit mulți ani fără înlocuire. De asemenea, filtrează vârfurile și armoniile pentru a oferi o sursă de alimentare mai lină pe tot parcursul.

„Defra (Departamentul Regatului Unit pentru Mediu, Alimentație și Afaceri Rurale) are. [folosit] optimizarea tensiunii. pentru a oferi o economie de carbon echivalentă cu 25% din obiectivul nostru de reducere a carbonului. Acesta va costa 1,8 milioane de lire sterline, cu o recuperare în mai puțin de doi ani, prin economii de costuri energetice. ”

Defra, Raport departamental, 2007

Regulatoarele de tensiune pot funcționa într-o varietate de moduri diferite. Unele se bazează pe transformatoare feroresonante (numite și transformatoare de tensiune constantă sau CVT), care sunt ca transformatoare obișnuite, dar cu o componentă suplimentară (un inductor, bazat pe un condensator și o bobină de rezonanță încorporată în înfășurarea lor secundară). În mod normal, primarul („intrarea”) și secundarul („ieșirea”) unui transformator sunt cuplate, astfel încât orice modificare a tensiunii primare se reflectă direct în secundar: dacă tensiunea primară crește, fluxul magnetic indus în miezul transformatorul crește și tensiunea secundară crește prea mult cu o cantitate corespunzătoare. Circuitul suplimentar într-un transformator ferorezonant menține fluxul magnetic al secțiunii secundare a transformatorului la o valoare constantă și maximă, indiferent ce se întâmplă cu fluxul din primar. Acest lucru asigură că transformatorul oferă o tensiune de ieșire mai mult sau mai puțin constantă (de obicei fluctuantă cu 1-3 la sută), chiar dacă tensiunea de intrare variază ușor.

Alți regulatori de tensiune funcționează într-un mod diferit. Cele mai simple sunt în esență electronice. Acestea funcționează măsurând în mod constant tensiunea undelor care alcătuiesc alimentarea cu energie electrică primită și comparându-le cu tensiunea pe care o spuneți că doriți. Dacă există prea multă tensiune, acestea adaugă un al doilea val de dimensiunea potrivită, în antifază cu originalul, pentru a scădea exact cantitatea potrivită de tensiune. Deci, dacă alimentarea dvs. de intrare crește la 250 de volți și ați seta regulatorul la 220 de volți, acesta va adăuga o formă de undă inversă echivalentă cu 30 de volți la 250 de volți, scăzând doar suficientă putere pentru a face 220 de volți. Dacă alimentarea scade la 240 volți, tensiunea corectivă va scădea imediat la 20 volți, menținând ieșirea constantă la 220 volți.

Un regulator de tensiune este, de obicei, o soluție mai scumpă decât un simplu transformator descendent, dar poate economisi din nou jumătate din energie, oferind economii generale de energie de 10-20 la sută. Deși unitățile mari costă mii de dolari sau lire sterline, în mod obișnuit, ele se plătesc singure în 2-3 ani (în costuri mai mici de energie și întreținere și prin prelungirea duratei de viață a echipamentelor electrice la care sunt conectate). De asemenea, au o rambursare pentru planetă: prin reducerea consumului de energie, vă ajută să aduceți o contribuție pozitivă la abordarea problemelor de mediu, cum ar fi schimbările climatice.

Foto: s-ar putea să credeți că toate aparatele electrice de uz casnic funcționează cu o sursă de 110 volți sau 220-240 volți, dar mulți dintre ei transformă în secret această tensiune în altceva fără să știți. Un mic circuit ca acesta este încorporat în baza lămpilor fluorescente moderne de economisire a energiei (numite și fluorescente compacte sau CFL-uri). Crește frecvența alimentării, astfel încât lampa să poată fi mică, luminoasă și compactă, astfel încât să nu pâlpâie.

Optimizarea tensiunii acasă

Echipamentele de optimizare a tensiunii sunt sofisticate și depășeau bugetul tuturor afacerilor și industriei, cu excepția marilor. Dar versiunile mici, foarte reduse ale aceluiași echipament de bază sunt acum produse în masă pentru gospodarii obișnuiți. Un gadget de optimizare a tensiunii mici, fabricat de VPhase, a promis să reducă alimentarea cu energie electrică a gospodăriei de la 240-250 volți (potențial fluctuant de la 200-250 volți) la un nivel mai consistent în jurul, să zicem, 220 volți, oferind o economie potențială de 10 la sută facturi la electricitate. Unitățile de optimizare a tensiunii mai mici de obicei nu protejează împotriva tranzitorilor și armonicelor, totuși și au fost criticate de grupul de consumatori Care? pentru că costă prea mult și durează prea mult să-și plătească singuri. În cele din urmă, există modalități mai simple, mai ieftine și mai rapide de reducere a facturilor la energia casnică, dintre care unele (cum ar fi reducerea ușoară a termostatelor) nu costă deloc nimic.

Care este captura?

Aceeași ieșire, intrare mai mică - optimizarea tensiunii sună prea bine pentru a fi adevărată. Într-adevăr, se pare că încalcă una dintre cele mai elementare legi ale fizicii: conservarea energiei. Conform acestei legi, nu poți face energie din aerul subțire sau obține mai multă energie din ceva decât ai pus. Deci, dacă reduceți energia care intră într-un aparat, nu veți scoate mai puțină energie? Sau, altfel spus, dacă optimizarea tensiunii scade tensiunea, nu face ceva ca un motor industrial mai lent și mai puțin eficient? Nu va face ceva ca un frigider sau un aparat de aer condiționat mai puțin eficient la răcire? Nu-ți va face luminile să se estompeze?

Răspunsul este uneori da, alteori nu. Vă amintiți supratensiunea, pe care am introdus-o mai sus? Dacă furnizați ceva de genul unui motor cu mai multă tensiune decât are nevoie, acesta nu se învârte mai repede: doar risipește energia suplimentară ca căldură. Reduceți tensiunea și reduceți căldura irosită înainte de a reduce energia utilă care transformă motorul. Cu alte cuvinte, dacă porniți motorul la tensiunea ideală, mai mică, îl faceți mai eficient. Energia pe care o economisești în acest fel este energie pe care nu o extragi din sursa de alimentare, deci se traduce printr-o economie financiară (pentru tine) și un beneficiu pentru mediu (pentru planetă). Merită să ne amintim că, dacă rulați aparate cu prea multă tensiune sau curent, acestea se vor uza mult mai repede. Prelungirea vieții aparatelor electrice se traduce, de asemenea, în beneficii financiare și de mediu.

Acum merită subliniat faptul că, dacă tăiați prea mult tensiunea, sunteți obligat să reduceți puterea oricărui aparat pe care îl alimentați: conservarea energiei ne spune că trebuie să fie cazul. Luați în considerare un exemplu extrem și acest lucru este intuitiv evident: nu puteți rula un frigider de acasă de 220 volți cu o baterie de 1,5 volți, pur și simplu pentru că o baterie cu tensiunea redusă nu poate furniza suficientă energie pentru a alimenta un motor atât de mare. Cu alte cuvinte, există o limită la cât de mult puteți reduce tensiunea fără a tăia ieșirea utilă.

Deci, care este limita? Unii producători de echipamente de optimizare a tensiunii susțin că tensiunile noastre de zi cu zi sunt probabil cu 10-20 la sută prea mari pentru aparatele pe care le folosim, ceea ce sugerează că puteți reduce în siguranță tensiunea pe care o furnizați cu poate 10-20 la sută fără a sacrifica nici o ieșire utilă dintr-un aparat. Acest lucru este înșelător. Realitatea este mult mai puțin clară și depinde de ce fel de aparate furnizați, de modul în care sunt încărcate și de cât de mult încercați să reduceți tensiunea. Cu siguranță este posibil să economisiți energie și bani cu optimizarea tensiunii, dar s-ar putea să reduceți eficiența a ceea ce alimentați în același timp.

Luminile se vor estompa odată cu optimizarea tensiunii? Pentru multe tipuri de lumini, există o relație aproximativ liniară între tensiunea pe care o furnizați și lumina pe care o produc (ieșire luminoasă); reduceți una și sunteți obligat să o reduceți pe cealaltă. Gândiți-vă la modul în care un bec simplu cu lanternă (torță) devine treptat mai estompat pe măsură ce bateria își pierde din încărcare. Ceea ce se întâmplă de fapt (deși nu este evident) este că bateria își pierde încet tensiunea (de obicei de la aproximativ 1,5 volți, când este nouă, la aproximativ 0,5-1,0 volți, când nu mai face nimic util), iar tensiunea mai mică înseamnă mai puțină lumină. Interesant, pentru unele tipuri de lumini, există, de asemenea, o relație inversă liniară între tensiune și durata de viață a lămpii, astfel încât cu cât este mai mică tensiunea, cu atât durează mai mult lumina. Acum, poate, luminile dvs. vor fi puțin mai slabe cu optimizarea tensiunii - și poate că asta nu contează dacă clădirea dvs. a fost prea strălucitoare pentru a începe sau dacă economiile potențiale de costuri (prin facturi mai mici de energie și lămpi de durată mai lungă) sunt mai importante pentru dvs.