Tenaga Elektrik Fasa Tunggal dan Tiga Fasa Kuasa Aktif Reaktif Nyata
Kuasa Kompleks
Ia sangat konseptual dan penting untuk difahami. Untuk menubuhkan ungkapan kuasa kompleks, kita perlu pertama mempertimbangkan rangkaian fasa tunggal yang voltan dan arusnya boleh diwakili dalam bentuk kompleks sebagai V.ejα dan I.ejβ. Di mana α dan β adalah sudut yang dibentuk oleh vektor voltan dan vektor arus masing-masing terhadap paksi rujukan tertentu. Kuasa aktif dan kuasa reaktif boleh dikira dengan mencari hasil darab voltan dengan konjugat arus. Itu bermaksud,
(α − β) ini hanyalah sudut antara voltan dan arus, oleh itu ia adalah perbezaan fasa antara voltan dan arus yang biasanya ditandakan sebagai φ.
Oleh itu, persamaan di atas boleh ditulis semula sebagai,
Di mana, P = VIcosφ dan Q = VIsinφ.
Kuantiti S ini dipanggil kuasa kompleks.
Magnitud kuasa kompleks iaitu |S| = (P2 + Q2)½ dikenali sebagai kuasa nyata dan unitnya adalah volt-ampere. Kuantiti ini adalah hasil darab nilai mutlak voltan dan arus. Lagi, nilai mutlak arus berkaitan secara langsung dengan kesan pemanasan mengikut hukum pemanasan Joule. Oleh itu, penilaian mesin elektrik biasanya ditentukan oleh keupayaannya membawa kuasa nyata dalam had suhu yang dibenarkan.
Perlu diperhatikan bahawa dalam persamaan kuasa kompleks, istilah Q [ = VIsinφ ] adalah positif apabila φ [= (α − β)] adalah positif, iaitu, arus tertinggal voltan yang bermaksud beban bersifat induktif. Semula, Q adalah negatif apabila φ adalah negatif; iaitu, arus mendahului voltan yang bermaksud beban bersifat kapasitif.
Kuasa Fasa Tunggal
Sistem penghantaran elektrik fasa tunggal tidak praktikal wujud, tetapi kita masih perlu mengetahui konsep asas tenaga fasa tunggal sebelum melalui sistem tenaga tiga fasa moden. Sebelum memperinci tentang tenaga fasa tunggal, mari kita cuba memahami parameter-parameter berbeza sistem kuasa elektrik. Tiga parameter asas sistem kuasa elektrik adalah rintangan elektrik, induktansi dan kapasitansi.
Rintangan
Rintangan adalah sifat bawaan sebarang bahan yang mana ia menghalang aliran arus dengan menghalang pergerakan elektron melaluinya disebabkan oleh perlanggaran dengan atom-atom yang stasioner. Haba yang dihasilkan akibat proses ini dilepaskan dan dikenali sebagai kehilangan kuasa ohmik. Semasa arus mengalir melalui rintangan, tiada perbezaan fasa antara voltan dan arus, yang bermaksud arus dan voltan dalam fasa yang sama; sudut fasa antara mereka adalah sifar. Jika I arus mengalir melalui rintangan elektrik R selama t saat, maka jumlah tenaga yang digunakan oleh rintangan itu ialah I2.R.t. Tenaga ini dikenali sebagai tenaga aktif dan kuasa yang berkaitan dikenali sebagai kuasa aktif.
Induktansi
Induktansi adalah sifat yang memungkinkan sebuah induktor menyimpan tenaga dalam bentuk medan magnetik semasa separuh kitaran positif dan memberikan tenaga ini semasa separuh kitaran negatif dalam bekalan kuasa fasa tunggal. Jika arus 'I' mengalir melalui gegelung induktansi L Henry, tenaga yang disimpan dalam gegelung dalam bentuk medan magnetik diberikan oleh
Tenaga berkaitan dengan induktansi adalah tenaga reaktif.
Kapasitansi
Kapasitansi adalah sifat yang memungkinkan sebuah kapasitor menyimpan tenaga dalam medan elektrik statik semasa separuh kitaran positif dan melepaskan tenaga ini semasa separuh kitaran negatif dalam bekalan. Tenaga yang disimpan antara dua plat logam selari dengan beza keupayaan elektrik V dan kapasitansi C, dinyatakan sebagai
Tenaga ini disimpan dalam bentuk medan elektrik statik. Tenaga berkaitan dengan kapasitor juga merupakan tenaga reaktif.
Tenaga Aktif dan Tenaga Reaktif
Mari kita pertimbangkan litar kuasa fasa tunggal di mana arus tertinggal di belakang voltan dengan sudut φ.
Misalkan beza potensial elektrik semasa v = Vm.sinωt
Maka arus semasa boleh dinyatakan sebagai i = Im. sin(ωt – φ).
Di mana, Vm dan Im adalah nilai maksimum beza potensial elektrik dan arus yang berubah secara sinusoidal masing-masing.
Kuasa semasa litar diberikan oleh
Kuasa Aktif
Kuasa Rintangan
Mari kita ambil keadaan pertama di mana litar kuasa fasa tunggal sepenuhnya bersifat rintangan, itu bermaksud sudut fasa antara voltan dan arus iaitu φ = 0 dan oleh itu,
Dari persamaan di atas jelas bahawa, apa pun nilai ωt, nilai cos2ωt tidak boleh lebih besar daripada 1; oleh itu, nilai p tidak boleh negatif. Nilai p sentiasa positif tanpa mengira arah semasa voltan v dan arus i, itu bermaksud tenaga mengalir dalam arah konvensional, iaitu dari sumber ke beban dan p adalah kadar penggunaan tenaga oleh beban dan ini dipanggil kuasa aktif. Sebagai kuasa ini dikonsumsi disebabkan kesan rintangan suatu litar elektrik, maka kadang-kadang ia juga dipanggil Kuasa Rintangan.
Kuasa Reaktif
Kuasa Induktif
Sekarang pertimbangkan situasi apabila litar kuasa fasa tunggal adalah sepenuhnya induktif, yang bermaksud arus tertinggal di belakang voltan dengan sudut φ = + 90o. Dengan menetapkan φ = + 90o
Dalam ungkapan di atas, didapati bahawa kuasa mengalir dalam dua arah. Dari 0o hingga 90o ia akan mempunyai separuh kitaran negatif, dari 90o hingga 180o ia akan mempunyai separuh kitaran positif, dari 180o hingga 270o ia akan mempunyai lagi separuh kitaran negatif dan dari 270o hingga 360o ia akan mempunyai lagi separuh kitaran positif. Oleh itu, kuasa ini bersifat berulang-alik dengan frekuensi, dua kali ganda frekuensi bekalan. Kerana kuasa mengalir dalam arah berulang-alik iaitu dari sumber ke beban pada satu separuh kitaran dan dari beban ke sumber pada separuh kitaran seterusnya, nilai purata kuasa ini adalah sifar. Oleh itu, kuasa ini tidak melakukan sebarang kerja berguna. Kuasa ini dikenali sebagai kuasa reaktif. Seperti yang telah dijelaskan, ungkapan kuasa reaktif di atas berkaitan dengan litar sepenuhnya induktif, kuasa ini juga dipanggil kuasa induktif.
Ini boleh disimpulkan bahawa jika litar adalah sepenuhnya induktif, tenaga akan disimpan sebagai tenaga medan magnet semasa separuh kitaran positif dan dilepaskan semasa separuh kitaran negatif dan kadar perubahan tenaga ini, diungkapkan sebagai kuasa reaktif inductor atau hanya kuasa induktif dan kuasa ini akan mempunyai separuh kitaran positif dan negatif yang sama dan nilai bersih akan sifar.
Kuasa Kapasitif
Mari kita pertimbangkan litar kuasa fasa tunggal adalah sepenuhnya kapasitif, iaitu arus mendahului voltan sebanyak 90o, oleh itu φ = – 90o.
Oleh itu, dalam ungkapan kuasa kapasitif, juga ditemui bahawa kuasa mengalir dalam dua arah. Dari 0o hingga 90o ia akan mempunyai separuh kitaran positif, dari 90o hingga 180o ia akan mempunyai separuh kitaran negatif, dari 180o hingga 270o ia akan mempunyai lagi separuh kitaran positif dan dari 270o hingga 360o ia akan mempunyai lagi separuh kitaran negatif. Oleh itu, kuasa ini juga bersifat alternatif dengan frekuensi yang dua kali ganda frekuensi bekalan. Sama seperti kuasa induktif, kuasa kapasitif tidak melakukan kerja berguna. Kuasa ini juga merupakan kuasa reaktif.
Komponen Aktif dan Komponen Reaktif Kuasa
Persamaan kuasa boleh ditulis semula sebagai
Ungkapan di atas mempunyai dua konsonan; yang pertama adalah Vm. Im.cosφ(1 – cos2ωt) yang tidak pernah menjadi negatif kerana nilai (1 – cos2ωt) sentiasa lebih besar atau sama dengan sifar tetapi tidak boleh mempunyai nilai negatif.
Bahagian ini dari persamaan kuasa fasa tunggal mewakili ungkapan kuasa reaktif yang juga dikenali sebagai kuasa sebenar atau kuasa benar. Purata kuasa ini jelas akan mempunyai nilai bukan sifar, bermaksud kuasa ini melakukan beberapa kerja yang berguna dan itulah sebabnya kuasa ini juga dipanggil kuasa sebenar atau kadang-kadang dirujuk sebagai kuasa benar. Bahagian ini dari persamaan kuasa mewakili kuasa reaktif yang juga dikenali sebagai kuasa sebenar atau kuasa benar.
Istilah kedua adalah Vm. Im.sinφsin2ωt yang akan mempunyai siklus negatif dan positif. Oleh itu, purata komponen ini adalah sifar. Komponen ini dikenali sebagai komponen reaktif kerana ia bergerak bolak-balik pada garisan tanpa melakukan kerja yang berguna.
Kedua-dua kuasa aktif dan kuasa reaktif mempunyai dimensi yang sama dalam watt tetapi untuk menekankan fakta bahawa komponen reaktif mewakili kuasa yang tidak aktif, ia diukur dalam volt-ampere reaktif atau singkatnya VAR.
Kuasa fasa tunggal merujuk kepada sistem pengagihan di mana; semua voltan berubah secara serentak. Ia boleh dihasilkan dengan mudah dengan memutar coil bergerak dalam medan magnetik atau dengan memindahkan medan di sekitar coil stasioner. Voltan bolak-balik dan arus bolak-balik yang dihasilkan, oleh itu dirujuk sebagai voltan fasa tunggal dan arus. Jenis litar yang berbeza menunjukkan respons yang berbeza terhadap aplikasi input sinusoidal. Kita akan mempertimbangkan semua jenis litar satu persatu yang termasuk rintangan elektrik sahaja, kapasitansi sahaja dan induktor sahaja, serta kombinasi ketiga-tiga ini dan cuba untuk menubuhkan persamaan kuasa fasa tunggal.
Persamaan Kuasa Fasa Tunggal untuk Litar Hanya Rintangan
Mari kita periksa pengiraan kuasa fasa tunggal untuk litar yang murni resistif. Litar yang terdiri daripada rintangan ohmik murni adalah merentasi sumber voltan dengan voltan V, ditunjukkan di bawah dalam gambarajah.
Di mana, V(t) = voltan segera.
Vm = nilai maksimum voltan.
ω = halaju sudut dalam radian/detik.
Mengikut Hukum Ohm ,
Dengan menggantikan nilai V(t) dalam persamaan di atas kita mendapatkan,
Dari persamaan (1.1) dan (1.5) jelas bahawa V(t) dan IR adalah pada fasa yang sama. Oleh itu, dalam kes rintangan ohmik murni, tidak ada perbezaan fasa antara voltan dan arus, iaitu mereka berada pada fasa yang sama seperti yang ditunjukkan dalam rajah (b).
Kuasa segera,
Dari persamaan kuasa fasa tunggal (1.8) jelas bahawa kuasa terdiri daripada dua istilah, satu bahagian tetap iaitu
dan yang lain adalah bahagian berfluktuasi iaitu
Nilai yang sifar untuk seluruh kitaran. Oleh itu, kuasa melalui resistor ohmik murni diberikan sebagai dan ditunjukkan dalam rajah (c).
Persamaan Kuasa Fasa Tunggal untuk Litar Induktif Murni
Induktor adalah komponen pasif. Setiap kali arus AC melalui induktor, ia menentang aliran arus melaluinya dengan menghasilkan emf balik. Jadi, voltan yang dikenakan bukannya menyebabkan jatuh voltan merentasi ia perlu menyeimbangkan emf balik yang dihasilkan. Litar yang terdiri daripada induktor murni merentasi sumber voltan sinusoidal Vrms ditunjukkan dalam rajah di bawah.
Kita tahu bahawa voltan merentasi induktor diberikan sebagai,
Oleh itu dari persamaan kuasa fasa tunggal di atas jelas bahawa I tertinggal V oleh π/2 atau dengan kata lain V mendahului I oleh π/2, apabila AC melalui induktor iaitu I dan V tidak sefase seperti yang ditunjukkan dalam rajah (e).
Kuasa seketika diberikan oleh,
Di sini, formula kuasa fasa tunggal hanya terdiri daripada istilah berfluktuasi dan nilai kuasa untuk satu kitaran penuh adalah sifar.
Persamaan Kuasa Fasa Tunggal untuk Litar Kapasitif Murni
Apabila arus AC melalui kapasitor, ia akan diisi terlebih dahulu hingga nilai maksimum dan kemudian dilepaskan. Voltan merentasi kapasitor diberikan sebagai,
Oleh itu, jelas dari pengiraan fasa tunggal daya I(t) dan V(t) bahawa dalam kes kapasitor, arus mendahului voltan dengan sudut π/2.
Daya melalui kapasitor hanya terdiri daripada istilah yang berfluktuasi dan nilai daya untuk satu kitaran penuh adalah sifar.
Persamaan Daya Fasa Tunggal untuk Litar RL
Rintangan ohmik murni dan induktor disambungkan secara siri seperti yang ditunjukkan dalam rajah (g) di seberang sumber voltan V. Kemudian jatuh lintang R akan menjadi VR = IR dan di L akan menjadi VL = IXL.
Jatuh lintang ini ditunjukkan dalam bentuk segitiga voltan seperti yang ditunjukkan dalam rajah (i). Vektor OA mewakili jatuh lintang di R = IR, vektor AD mewakili jatuh lintang di L = IXL dan vektor OD mewakili hasil tambah VR dan VL.
adalah impedansi litar RL.
Dari rajah vektor jelas bahawa V memimpin I dan sudut fasa φ diberikan oleh,
Oleh itu kuasa terdiri daripada dua istilah, satu istilah malar 0.5 VmImcosφ dan yang lain adalah istilah berfluktuasi 0.5 VmImcos(ωt – φ) yang nilaiannya sifar untuk seluruh kitaran.
Oleh itu hanya bahagian malar sahaja yang menyumbang kepada penggunaan kuasa sebenar.
Oleh itu kuasa, p = VI cos Φ = ( voltan rms × arus rms × cosφ) watts
Di mana cosφ dipanggil faktor kuasa dan diberikan oleh,
I boleh diselesaikan dalam dua komponen segi empat tepat Icosφ sepanjang V dan Isinφ berserenjang dengan V. Hanya Icosφ yang menyumbang kepada kuasa sebenar. Oleh itu, hanya VIcosφ dipanggil komponen wattful atau komponen aktif dan VIsinφ dipanggil komponen wattless atau komponen reaktif.
Persamaan Kuasa Fasa Tunggal untuk Litar RC
Kita tahu bahawa arus dalam kapasitansi murni, mendahului voltan dan dalam rintangan ohmik murni ia adalah sefase. Oleh itu, arus bersih mendahului voltan dengan sudut φ dalam litar RC. Jika V = Vmsinωt dan I akan menjadi Imsin(ωt + φ).
Kuasa adalah sama seperti dalam kes litar R-L. Berbeza dengan litar R-L, faktor kuasa elektrik adalah mendahului dalam litar R-C.
Definisi Kuasa Tiga Fasa
Didapati bahawa penjanaan kuasa tiga fasa lebih ekonomikal daripada penjanaan kuasa fasa tunggal. Dalam sistem kuasa elektrik tiga fasa, tiga voltan dan gelombang arus adalah 120o berasingan dalam setiap kitaran kuasa. Ini bermaksud; setiap gelombang voltan mempunyai perbezaan fasa 120o ke gelombang voltan yang lain dan setiap gelombang arus mempunyai perbezaan fasa 120o ke gelombang arus yang lain. Definisi kuasa tiga fasa menyatakan bahawa dalam sistem elektrik, tiga kuasa fasa tunggal individu dijalankan oleh tiga litar kuasa yang berasingan. Voltan tiga kuasa ini secara idealnya 120o berasingan dari segi fasa waktu. Begitu juga, arus tiga kuasa ini secara idealnya 120o berasingan dari segi fasa. Sistem kuasa tiga fasa yang ideal mengimplikasikan sistem yang seimbang.
Kelebihan Sistem Tiga Fasa
Terdapat banyak alasan mengapa tenaga ini lebih disukai berbanding tenaga fasa tunggal.
Persamaan tenaga fasa tunggal adalah
Yang merupakan fungsi bergantung masa. Manakala persamaan tenaga tiga fasa adalah
Yang merupakan fungsi pemalar tidak bergantung masa. Oleh itu, tenaga fasa tunggal bersifat berdenyut. Ini biasanya tidak mempengaruhi motor berperingkat rendah tetapi pada motor berperingkat besar, ia menghasilkan getaran berlebihan. Jadi, tenaga tiga fasa lebih disukai untuk beban tenaga tegangan tinggi.Peringkat mesin tiga fasa 1.5 kali lebih besar daripada mesin fasa tunggal yang sama saiznya.
Motor induksi fasa tunggal tidak mempunyai torka permulaan, jadi kita perlu menyediakan beberapa bantuan untuk memulakan, tetapi motor induksi tiga fasa dapat memulakan sendiri - tidak memerlukan bantuan apa-apa.
Faktor kuasa dan kecekapan, kedua-duanya lebih besar dalam kes sistem tiga fasa.
Persamaan Tenaga Tiga Fasa
Untuk menentukan, ungkapan persamaan kuasa tiga fasa iaitu untuk pengiraan kuasa tiga fasa kita perlu mempertimbangkan situasi ideal di mana sistem tiga fasa adalah seimbang. Ini bermaksud voltan dan arus dalam setiap fasa berbeza daripada fasa bersebelahannya dengan 120o serta amplitud gelombang arus setiap fasa adalah sama dan begitu juga amplitud gelombang voltan setiap fasa adalah sama. Kini, perbezaan sudut antara voltan dan arus dalam setiap fasa sistem kuasa tiga fasa adalah φ.
Kemudian, voltan dan arus fasa merah akan menjadi
masing-masing.
Voltan dan arus fasa kuning akan menjadi-
masing-masing.
Dan voltan dan arus fasa biru akan menjadi-
masing-masing.
Oleh itu, ungkapan kuasa semasa dalam fasa merah adalah –
Secara serupa, ungkapan kuasa semasa dalam fasa kuning adalah –
Secara serupa, ungkapan kuasa semasa dalam fasa biru adalah –
Kuasa tiga fasa keseluruhan sistem adalah jumlah kuasa individu dalam setiap fasa-
Ungkapan kuasa di atas menunjukkan bahawa kuasa semasa keseluruhan adalah malar dan bersamaan dengan tiga kali kuasa sebenar setiap fasa. Dalam kes ungkapan kuasa satu fasa, kami mendapati terdapat komponen kuasa reaktif dan aktif, tetapi dalam kes ungkapan kuasa tiga fasa, kuasa semasa adalah malar. Sebenarnya, dalam sistem tiga fasa, kuasa reaktif dalam setiap fasa individu tidak sifar tetapi jumlahnya pada bila-bila masa adalah sifar.
Daya reaktif adalah bentuk tenaga magnetik, mengalir per unit masa dalam satu litar elektrik. Unitnya ialah VAR (Volt Ampere Reaktif). Tenaga ini tidak dapat digunakan dalam litar AC. Walau bagaimanapun, dalam satu litar elektrik DC ia boleh ditukar kepada haba apabila kapasitor atau induktor yang dikenakan dihubungkan ke seluruh penahan, tenaga yang disimpan dalam elemen tersebut ditukar kepada haba. Sistem kuasa kita beroperasi pada sistem AC dan kebanyakan beban yang digunakan dalam kehidupan seharian kita, adalah induktif atau kapasitif, oleh itu daya reaktif adalah konsep yang sangat penting dari sudut pandang elektrik.
Sumber: Electrical4u.
Pernyataan: Hormati asal, artikel yang baik berharga dibagi, jika ada pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk menghapus.
