Obvod s impedancí

Ve střídavém obvodu, který obsahuje kromě parametru R také parametry L a C, je výkon střídavého proudu ovlivněn fázovým rozdílem mezi napětím a proudem. Elektrická energie se totiž přeměňuje v teplo pouze v části obvodu s odporem. V ostatních částech obvodu se elektrická energie v jedné části periody mění na energii elektrického pole (v kondenzátoru) nebo magnetického pole (v cívce) a v další části periody se mění na energii proudu směřujícího z obvodu ven. Tento děj ale není spojen s konáním užitečné práce. Tedy s rostoucím fázovým rozdílem mezi napětím a proudem v obvodu klesá užitečný čili činný výkon P střídavého obvodu.

Střední výkon střídavého proudu je možno vyjádřit takto: (s použitím vztahů a a obr. 197), kde U a I jsou efektivní hodnoty střídavého napětí a proudu.

Toto odvození není sice příliš „čisté“, ale dává alespoň náznak, kde se objevil vztah pro činný výkon.

Činitel se nazývá účiník a určuje účinnost přenosu energie ze zdroje střídavého proudu do spotřebiče. Činný výkon pak odpovídá té části elektrické energie dodané zdrojem, která se v obvodu za jednotku času mění v teplo nebo užitečnou práci (např. elektromotor).

Účiník obvodu je dán zapojením obvodu (tj. celkovou impedancí obvodu). Není možné účiník tedy zvýšit např. promazáním ložisek elektromotoru, … Tím lze ovlivnit účinnost daného stroje!

Účiník nijak nesouvisí s účinností, která je definovaná jako podíl výkonu a příkonu (resp. podíl práce vykonané určitým strojem a energie jemu dodané). Situaci schématicky zobrazuje obr. 199. Výkon dodávaný zdrojem se pro vlastní činnost stroje nevyužije celý - využije se jen činný výkon. Část výkonu, která se využije na konání práce strojem, je úměrná účiníku stroje (jeho vnitřnímu elektrickému zapojení). Vlivem třecích sil, odporu vzduchu, … dochází k dalším ztrátám, které ale charakterizuje už účinnost .

Mechanický výkon stroje je tedy ve srovnání s elektrickým výkonem zdroje, k němuž je stroj připojen, snížen dvakrát. Jednou díky elektrickému zapojení stroje, podruhé díky mechanické účinnosti.

Obr. 199

Činný výkon je v grafu úměrný rozdílu obsahů ploch omezených kladnými a zápornými hodnotami okamžitého výkonu . Na obr. 200a je zobrazen případ, kdy , na obrázku obr. 200b pak případ pro . (Případ pro je na obr. 198.)

Obr. 200

Z grafu na obr. 200b je zřejmé, že plochy odpovídající kladným a záporným hodnotám p jsou stejné a tedy celková práce vykonaná střídavým proudem během jedné periody je nulová. Čtvrtinu periody je výkon kladný a energie postupuje od zdroje ke spotřebiči. V následující čtvrtině je však výkon záporný - energie přenesená ke spotřebiči se beze změny vrací zpět do zdroje. Nekoná se tedy žádná užitečná práce, jen část energie se mění v přívodních vodičích v teplo - dochází ke ztrátám energie.

Uvedený děj nastává např. v obvodu s cívkou nebo kondenzátorem. V první čtvrtině se vytváří magnetické pole cívky (resp. elektrické pole kondenzátoru) - elektrická energie přechází od zdroje ke spotřebiči. V další čtvrtině periody se cívka (kondenzátor) stává zdrojem energie, která se vrací zpět do zdroje. Energie tak neúčinně kmitá mezi zdrojem a spotřebičem.

Tento poznatek je důležitý v praxi: účiník nemůže být příliš malý, jinak by bylo požadovaného výkonu dosaženo až při velkých proudech (a tedy s většími ztrátami v přívodních vodičích). Např. elektromotory mají velkou indukčnost a proto se pro zlepšení účiníku zapojují zvláštní kompenzační kondenzátory. U elektrických strojů bývá zvykem uvádět tzv. zdánlivý výkon ; . Účiník je pak možné určit jako podíl činného a zdánlivého výkonu.