Elkraft En- og tre-fase strøm Aktiv Reaktiv Skærmel

Kompleks effekt

Det er meget konceptuelt og afgørende at forstå. For at etablere udtrykket for kompleks effekt, skal vi først overveje en enefasede netværk, der er spænding og strøm, der kan repræsenteres i kompleks form som V.ejα og I.ejβ. Hvor α og β er vinkler, som spændingsvektor og strømvektor danner med hensyn til en referenceakse. Den aktive effekt og den reaktive effekt kan beregnes ved at finde produktet af spændingen til det konjugerede af strømmen. Det betyder,

(α − β) er ikke andet end vinklen mellem spænding og strøm, altså fasenforskellen mellem spænding og strøm, som normalt betegnes med φ.
Derfor kan ovenstående ligning omskrives til,

Hvor, P = VIcosφ og Q = VIsinφ.
Dette mængde S kaldes den komplekse effekt.
Størrelsen af den komplekse effekt dvs. |S| = (P2 + Q2)½ kendes som den synlige effekt og dens enhed er volt-ampere. Dette tal er produktet af absolutte værdierne af spænding og strøm. Igen er den absolute værdi af strømmen direkte relateret til opvarmningsvirksomheden ifølge Joules varmelov. Derfor fastsættes ratingen af en elektrisk maskine normalt ved dens evne til at håndtere synlig effekt inden for tilladte temperaturgrænser.
Det er bemærket, at i ligningen for kompleks effekt, er termen Q [ = VIsinφ ] positiv, når φ [= (α − β)] er positiv, det vil sige, at strømmen følger efter spændingen, hvilket betyder, at belastningen er induktiv af natur. Igen er Q negativ, når φ er negativ, det vil sige, at strømmen følger foran spændingen, hvilket betyder, at belastningen er kapacitiv.

Enfas-effekt

En enfasstrøms elektrisk transmissionsystem findes praktisk talt ikke, men vi bør stadig kende den grundlæggende koncept af enfasstrøm, inden vi går videre til det moderne trefasstrøms system. Inden vi går i detaljer med hensyn til enfasstrøm, lad os prøve at forstå de forskellige parametre i et elektrisk strømsystem. De tre grundlæggende parametre i et elektrisk strømsystem er elektrisk modstand, induktans og kapacitans.

Modstand

Modstand er en indbygget egenskab hos ethvert materiale, der på grund af denne egenskab modarbejder strømfloden ved at hindre elektronernes bevægelse gennem det på grund af sammenstød med stillestående atomer. Den varme, der dannes som følge af dette proces, dissiperes og kendes som ohmsk effekttab. Når strøm flyder igennem en modstand, vil der ikke være nogen fasenforskydning mellem spændingen og strømmen, hvilket betyder, at strøm og spænding er i samme fase; faseskævningen mellem dem er nul. Hvis I strøm flyder igennem en elektrisk modstand R i t sekunder, så er den totale energi, der bruges af modstanden, I2.R.t. Denne energi kendes som aktiv energi og den tilsvarende effekt kendes som aktiv effekt.

Induktans

Induktans er egenskaben, der gør at en induktor gemmer energi i et magnetfelt under den positive halvcyklus og afgiver denne energi under den negative halvcyklus af en enfasestrømforsyning. Hvis en strøm 'I' løber igennem en spole med induktans L Henry, så er den lagrede energi i spolen i form af et magnetfelt givet ved

Kraften forbundet med induktans er reaktiv kraft.

Kapacitans

Kapacitans er egenskaben, der gør at en kapacitor gemmer energi i et statisk elektrisk felt under den positive halvcyklus og afgiver denne energi under den negative halvcyklus af forsyningsstrømmen. Den lagrede energi mellem to parallelle metalplader med elektrisk spændingsforskel V og kapacitans C, udtrykkes som

Denne energi er lagret i form af et statisk elektrisk felt. Kraften forbundet med en kapacitor er også reaktiv kraft.

Aktiv effekt og reaktiv effekt

Lad os overveje en enfas strømkreds, hvor strøm følger efter spændingen med en vinkel φ.
Lad den øjeblikkelige elektriske spændingsforskel v = Vm.sinωt
Da kan den øjeblikkelige strøm udtrykkes som i = Im. sin(ωt – φ).
Hvor, Vm og Im er de maksimale værdier for sinusformet variabel elektrisk spænding og strøm henholdsvis.
Kredsløbet's øjeblikkelige effekt er givet ved

Aktiv effekt

Resistiv effekt

Tag først betingelsen, hvor den enfas strømkreds er fuldstændig resistiv, det vil sige, at fasen mellem spænding og strøm, dvs. φ = 0, og derfor,


Ud fra ovenstående ligning er det klart, at uanset værdien af ωt, kan værdien af cos2ωt ikke være større end 1; derfor kan værdien af p ikke være negativ. Værdien af p er altid positiv uanset den øjeblikkelige retning af spændingen v og strømmen i, det vil sige, at energien flyder i sin konventionelle retning, dvs. fra kilde til last, og p er forbruget energi-hastighed af lasten, og dette kaldes aktiv effekt. Da denne effekt forbruges på grund af den resistive effekt af en elektrisk kreds, kaldes den nogle gange også Resistiv Effekt.

Reaktiv effekt

Induktiv effekt

Overvej nu en situation, hvor den enefasede strømkreds er fuldstændig induktiv, det vil sige, at strømmen følger efter spændingen med en vinkel φ = + 90o. Ved at sætte φ = + 90o


I ovenstående udtryk finder man, at effekten flyder i alternativ retning. Fra 0o til 90o har den en negativ halvcyklus, fra 90o til 180o har den en positiv halvcyklus, fra 180o til 270o har den igen en negativ halvcyklus, og fra 270o til 360o har den igen en positiv halvcyklus. Derfor er denne effekt af alternerende art med en frekvens, der er dobbelt så høj som forsyningsfrekvensen. Da effekten flyder i alternativ retning, dvs. fra kilde til last i en halvcyklus og fra last til kilde i næste halvcyklus, er gennemsnitsværdien af denne effekt nul. Derfor udfører denne effekt ingen nyttigt arbejde. Denne effekt kaldes reaktiv effekt. Eftersom den ovenfor beskrevne reaktiveffekt er relateret til en fuldstændig induktiv kreds, kaldes denne effekt også induktiv effekt.

Dette kan konkluderes som, at hvis kredsen er rent induktiv, vil energi blive lagret som magnetfeltenergi under den positive halvcyklus og givet fra under den negative halvcyklus, og hastigheden, hvormed denne energi ændres, udtrykt som reaktiv effekt af induktoren eller simpelthen induktiv effekt, og denne effekt vil have lige store positive og negative cykluser, og netto-værdien vil være nul.

Kapacitiv effekt

Lad os nu overveje en enfas effektcirkel, der er fuldt kapacitiv, det vil sige, at strømmen følger spændingen med 90o, derfor φ = – 90o.


Derfor findes det også i udtrykket for kapacitiv effekt, at effekten flyder i alternative retninger. Fra 0o til 90o vil den have en positiv halvcyklus, fra 90o til 180o vil den have en negativ halvcyklus, fra 180o til 270o vil den igen have en positiv halvcyklus, og fra 270o til 360o vil den igen have en negativ halvcyklus. Så denne effekt er også af alternativ natur med en frekvens, der er dobbelt så høj som forsyningsfrekvensen. Derfor, ligesom induktiv effekt, udfører kapacitiv effekt ikke noget nyttigt arbejde. Denne effekt er også en reaktiv effekt.

Aktiv komponent og reaktiv komponent i effekt

Strømforsyningens ligning kan omskrives som

Denne udtryk har to konsonanter; den første er Vm. Im.cosφ(1 – cos2ωt) som aldrig bliver negativ, fordi værdien af (1 – cos2ωt) er altid større end eller lig med nul, men kan ikke have en negativ værdi.

Dette afsnit af den enefasede strømforsyningens ligning repræsenterer udtrykket for den reaktive effekt, som også kendes som den virkelige effekt eller den sande effekt. Gennemsnittet af denne effekt vil selvfølgelig have en ikke-nul værdi, hvilket betyder, at effekten fysisk udfører nogle nyttige arbejder, og derfor kaldes denne effekt også for den virkelige effekt eller nogle gange den sande effekt. Dette afsnit af effektligningen repræsenterer den reaktive effekt, som også kendes som den virkelige effekt eller den sande effekt.
Anden term er Vm. Im.sinφsin2ωt som vil have negative og positive cyklusser. Derfor er gennemsnittet af dette komponent nul. Dette komponent er kendt som det reaktive komponent, da det bevæger sig frem og tilbage i ledningen uden at udføre noget nyttigt arbejde.
Både den virkelige effekt og den reaktive effekt har samme dimensioner i watt, men for at understrege, at det reaktive komponent repræsenterer en ikke-aktiv effekt, måles det i voltamper reaktive eller kort sagt VAR.
Enefaseeffekt refererer til distributionsystemet, hvor alle spændinger varierer i unison. Den kan genereres ved simpelthen at rotere en bevegelig spole i et magnetfelt eller ved at flytte feltet omkring en stillestående spole. Den alternerende spænding og den alternerende strøm, der produceres, kaldes derfor enefasespænding og strøm. Forskellige typer kredsløb viser forskellig respons på anvendelsen af sinusformet input. Vi vil overveje alle typer kredsløb en efter en, der inkluderer elektrisk modstand kun, kapacitivitet kun og induktor kun, samt en kombination af disse tre, og forsøge at etablere enefaseeffektligningen.

Enefaseeffektligning for rent resistiv kredsløb

Lad os undersøge enfase effektberegning for en ren resistiv kredsløb. En kredsløb bestående af ren ohmsk modstand er forbundet til en spændingskilde med spænding V, som vist nedenfor i figuren.

Hvor, V(t) = øjeblikkelig spænding.
Vm = maksimal værdi af spændingen.
ω = vinkelhastighed i radianer/sekund.

Ifølge Ohms lov ,

Ved at indsætte værdien af V(t) i ovenstående ligning får vi,

Fra ligninger (1.1) og (1.5) er det klart, at V(t) og IR er i fase. Så i tilfælde af ren ohmsk modstand, er der ingen fasenforskydning mellem spændinger og strøm, dvs. de er i fase som vist på figur (b).

Øjeblikkelig effekt,

Fra enfase effektligning (1.8) er det klart, at effekten består af to led, et konstant led nemlig

og et andet fluktuerende led nemlig

Deres værdi er nul for en fuld cyklus. Så effekten gennem en ren ohmsk modstand er givet som og vises i fig(c).

Enfasekvens for en ren induktiv kreds

En induktor er en passiv komponent. Når vekselstrøm passerer igennem induktoren, modarbejder den strømfloden ved at generere et modsat spændingfald. Så det anvendte spænding skal i stedet balancere det modsatte spændingfald, der dannes. En kreds, der består af en ren induktor over en sinusformet spændingskilde Vrms, vises på figuren nedenfor.

Vi ved, at spændingen over induktoren er givet som,

Dermed er det klart fra ovenstående enfasekvens, at I følger V med π/2 eller med andre ord, at V fører I med π/2, når vekselstrøm passerer igennem induktoren, dvs. I og V er udfased, som vist på figur (e).

Den øjeblikkelige effekt er givet ved,

Her indeholder enfaseeffektsformel kun en fluktuerende term, og værdien af effekten for en fuld cyklus er nul.

Enfasekvens for en ren kapacitiv kreds

Når vekselstrøm passerer kondensator, oplades den først til sin maksimale værdi og afledes derefter. Spændingen over kondensator er givet som,


Det er derfor klart fra ovenstående enfase effektberegning af I(t) og V(t), at i tilfælde af kondensator, leder strømmen spændingen med en vinkel på π/2.


Effekten gennem kondensator består kun af et fluktuerende led, og effektværdien for en fuld cyklus er nul.

Enfase effekt ligning for RL kredsløb

En ren ohmsk modstand og en induktor er forbundet i serie som vist på fig (g) over for en spændingskilde V. Herefter vil spændingsfaldet over R være VR = IR, og over L vil det være VL = IXL.


Disse spændingsfald vises i form af et spændingstrekant som vist på fig (i). Vektoren OA repræsenterer spændingsfaldet over R = IR, vektoren AD repræsenterer spændingsfaldet over L = IXL, og vektoren OD repræsenterer den resulterende af VR og VL.

er impedansen af RL-kredsløb.
Fra vektordiagram er det klart, at V fører I, og fasen φ er givet ved,

Dermed består effekten af to led, et konstant led 0.5 VmImcosφ og et andet svangende led 0.5 VmImcos(ωt – φ), hvis værdi er nul for hele cyklussen.
Dermed bidrager kun det konstante led til den faktiske effektforbrug.
Dermed er effekten, p = VI cos Φ = (rms spænding × rms strøm × cosφ) watt
Hvor cosφ kaldes effektfaktor og er givet ved,

I kan opdeles i to rektangulære komponenter Icosφ langs V og Isinφ vinkelret på V. Kun Icosφ bidrager til den virkelige effekt. Dermed kaldes kun VIcosφ for wattfuld komponent eller aktiv komponent, og VIsinφ kaldes for wattløs komponent eller reaktiv komponent.

Enfasestrings ligning for RC-kredsløb

Vi ved, at strøm i ren kapacitivitet fører spændingen, og i ren ohmsk modstand er den i fase. Dermed fører nettostrømmen spændingen med en vinkel på φ i et RC-kredsløb. Hvis V = Vmsinωt, vil I være Imsin(ωt + φ).

Effekten er den samme som i tilfældet med R-L kredsløb. Imidlertid er elektriske effektivitetsfaktor førende i R-C kredsløb, imod R-L kredsløb.

Tre-fase-effekt definition

Det er blevet fundet, at generering af tre-fase-effekt er mere økonomisk end generering af enefase-effekt. I tre-fase elektrisk effekt system, er de tre spændings og strøm bølgeformer 120o forskydning i tid i hver cyklus af effekt. Dette betyder, at hver spændingsbølge har en fasedeforskydning på 120o til andre spændingsbølger, og hver strømbølge har en fasedeforskydning på 120o til andre strømbølger. Tre-fase-effekt definition siger, at i et elektrisk system, udføres tre individuelle enefase-effekter af tre separate effektkredsløb. Spændingerne af disse tre effekter er ideelt 120o fra hinanden i tidsfase. Ligeledes er strømmerne af disse tre effekter også ideelt 120o fra hinanden. Et ideelt tre-fase-effektsystem implicerer et balancefyldt system.

En tre-fase system siges at være ubalanceret, når mindst en af de tre fase-spændinger ikke er lig med de andre, eller hvis vinklen mellem disse faser ikke præcis er 120o.

Fordele ved tre-fase system

Der er mange grunde til, at denne strøm er mere foretrukket end enfasestrøm.

1. Ligningen for enfasestrøm er
   
   som er en tidsafhængig funktion. Imens ligningen for tre-fase effekt er
   
   som er en tiduafhængig konstant funktion. Derfor er enfasestørrelsen pulsereende. Dette påvirker generelt ikke motorer med lav effekt, men i motorer med høj effekt producerer det ekstrem vibration. Derfor er tre-fase effekt mere foretrukket for højspændingsbelastninger.

2. Effekten af en tre-fasemaskine er 1,5 gange større end den af en enfasemaskine af samme størrelse.

3. Enfase induktionsmotor har ingen startmoment, så vi skal give nogle hjælpemidler til at starte, men en tre-fase induktionsmotor starter selv - kræver ingen hjælpemidler.

4. Effektivitetsfaktor og effektivitet, begge er større i tilfælde af et tre-fase system.

Tre-fase effektligning

For at bestemme udtrykket for tre-fase effektligning dvs. for beregning af tre-fase effekt, skal vi først overveje en ideal situation, hvor det tre-fase system er balanceret. Dette betyder, at spændingen og strømme i hver fase adskiller sig fra deres nabofase med 120o samt, at amplituden af hvert strøm bølge er den samme, og ligeledes amplituden af hvert spændingsbølge er den samme. Nu er vinkeldifferencen mellem spænding og strøm i hver fase af det tre-fase effektsystem φ.

Så vil spændingen og strømmen i rød fase være
henholdsvis.
Spændingen og strømmen i gul fase vil være-
henholdsvis.
Og spændingen og strømmen i blå fase vil være-
henholdsvis.
Derfor er udtrykket for øjeblikkelig effekt i rød fase –

Ligeledes er udtrykket for øjeblikkelig effekt i gul fase –

Ligeledes er udtrykket for øjeblikkelig effekt i blå fase –

Den totale tre-fase effekt i systemet er summen af den individuelle effekt i hver fase-

Det ovenstående effektudtryk viser, at den totale øjeblikkelige effekt er konstant og lig med tre gange den reelle effekt pr. fase. I tilfældet med et udtryk for en-fase effekt fandt vi, at der var både reaktiv effekt og aktiv effekt komponenter, men i tilfældet med et tre-fase effektudtryk, er den øjeblikkelige effekt konstant. Faktisk i et tre-fase system er den reaktive effekt i hver individuel fase ikke nul, men summen af dem på ethvert tidspunkt er nul.

elektrisk kredsløb. Dens enhed er VAR (Volt Ampere Reaktiv). Denne effekt kan aldrig bruges i et AC-kredsløb. Dog kan den i et elektrisk DC-kredsløb konverteres til varme, som når en opladet kondensator eller induktor er forbundet over en resistor, bliver den lagrede energi i elementet konverteret til varme. Vores strømsystem opererer på et AC-system, og de fleste af belastningerne, vi bruger i vores daglige liv, er induktive eller kapacitive, derfor er reaktiv effekt et meget vigtigt begreb fra et elektrisk perspektiv.

Kilde: Electrical4u.

Erklæring: Respekter den originale, godartikler er værd at dele, hvis der sker krænkelse bedes kontakt slet.