Elektrisk ström Enfas och trefas effekt Aktiv Reaktiv Skenbar

Komplex effekt

Det är mycket konceptuellt och grundläggande att förstå. För att etablera uttrycket för komplex effekt måste vi först betrakta en enfasnätverk som har spänning och ström som kan representeras i komplex form som V.ejα och I.ejβ. Där α och β är vinklar som spänningsvektorn och strömsvektorn bildar med avseende på någon referensaxel. Den aktiva effekten och den reaktiva effekten kan beräknas genom att hitta produkten av spänningen till det konjugerade värdet av strömmen. Det betyder,

(α − β) är inget annat än vinkeln mellan spänning och ström, dvs det är fasförskillnaden mellan spänning och ström som vanligtvis betecknas med φ.
Därför kan ovanstående ekvation skrivas om som,

Där, P = VIcosφ och Q = VIsinφ.
Denna storhet S kallas för komplex effekt.
Storleken på den komplexa effekten, dvs |S| = (P2 + Q2)½ kallas för synlig effekt och dess enhet är voltampere. Denna storhet är produkten av absolutvärdet av spänningen och ström. Återigen är absolutvärdet av strömmen direkt relaterat till uppvärmningseffekten enligt Joules lag om uppvärmning. Därför bestäms normalt kapaciteten hos en elektrisk maskin av dess förmåga att bära synlig effekt inom tillåtet temperaturintervall.
Det noteras att i ekvationen för komplex effekt, är termen Q [ = VIsinφ ] positiv när φ [= (α − β)] är positiv, vilket innebär att strömmen följer efter spänningen, vilket innebär att belastningen är induktiv. Återigen är Q negativ när φ är negativ, vilket innebär att strömmen föregår spänningen, vilket innebär att belastningen är kapacitiv.

Enfas-effekt

En enfas elektrisk överföringssystem finns praktiskt taget inte, men vi bör ändå känna till den grundläggande koncepten av enfasström innan vi går in på det moderna trefasströmsystemet. Innan vi går in på detaljer om enfasström, låt oss försöka förstå olika parametrar i elektriska energisystem. De tre grundläggande parametrarna i ett elektriskt energisystem är elektrisk resistans, induktans och kapacitans.

Resistans

Resistansen är ett inneboende egenskap hos alla material, vilket gör att de motverkar strömmens flöde genom att hindra elektronernas rörelse genom materialet på grund av kollisioner med stillastående atomer. Värmen som genereras genom detta processen utströms och kallas ohmisk effekt. När ström flödar genom en resistor kommer det inte att finnas någon fasförflyttning mellan spänningen och strömmen, vilket betyder att ström och spänning ligger i samma fas; fasvinkeln mellan dem är noll. Om en ström I flödar genom en elektrisk resistor R under t sekunder, så är den totala energin som upptäcks av resistorn I2.R.t. Denna energi kallas aktiv energi och motsvarande effekt kallas aktiv effekt.

Induktans

Induktans är den egenskap genom vilken en induktor lagrar energi i ett magnetfält under den positiva halvcykeln och ger bort denna energi under den negativa halvcykeln av enfasström. Om en ström 'I' flödar genom en spole med induktans L Henry, ges den i spolen lagrade energin i form av ett magnetfält av

Effekten som är kopplad till induktans är reaktiv effekt.

Kapacitans

Kapacitans är den egenskap genom vilken en kapacitator lagrar energi i statiskt elektriskt fält under den positiva halvcykeln och ger bort denna energi under den negativa halvcykeln av strömförsörjningen. Den energi som lagras mellan två parallella metallplattor med elektrisk potentialskillnad V och kapacitans C över dem, uttrycks som

Denna energi lagras i form av statiskt elektriskt fält. Effekten som är kopplad till en kapacitator är också reaktiv effekt.

Verklig effekt och reaktiv effekt

Låt oss överväga en enfasström krets där strömmen följer efter spänningen med en vinkel φ.
Låt den momentana elektriska spänningsdifferensen v = Vm.sinωt
Då kan den momentana strömmen uttryckas som i = Im. sin(ωt – φ).
Där, Vm och Im är de maximala värdena för sinusformigt varierande elektrisk spänningsdifferens och ström respektive.
Den momentana effekten i kretsen ges av

Aktiv effekt

Resistiv effekt

Låt oss ta villkoret först där den enfasström kretsen fullständigt är resistiv, det betyder att fasvinkeln mellan spänning och ström, dvs. φ = 0 och därför,


Från ovanstående ekvation är det tydligt att, oavsett vilket värde ωt har, kan värdet av cos2ωt inte vara större än 1; därför kan värdet av p inte vara negativt. Värdet av p är alltid positivt oberoende av den momentana riktningen av spänningen v och strömmen i, det betyder att energin flödar i sin konventionella riktning, dvs. från källa till last och p är hastigheten för energiförbrukning av lasten och detta kallas aktiv effekt. Eftersom denna effekt konsumeras på grund av resistiv effekt av en elektrisk krets, kallas den ibland också resistiv effekt.

Reaktiv effekt

Induktiv effekt

Nu överväg en situation där den enfasiga kraftledningen är fullständigt induktiv, vilket betyder att strömmen följer efter spänningen med en vinkel φ = + 90o. Genom att sätta φ = + 90o


I ovanstående uttryck upptäcks att effekten flödar i alternativa riktningar. Från 0o till 90o kommer det att ha en negativ halvcykel, från 90o till 180o kommer det att ha en positiv halvcykel, från 180o till 270o kommer det igen att ha en negativ halvcykel och från 270o till 360o kommer det igen att ha en positiv halvcykel. Därför är denna effekt av natur alternativ med en frekvens som är dubbel så hög som nätets frekvens. Eftersom effekten flödar i alternerande riktning, dvs. från källa till last under en halvcykel och från last till källa under nästa halvcykel, är det genomsnittliga värdet för denna effekt noll. Därför utför denna effekt inget användbart arbete. Denna effekt kallas reaktiv effekt. Eftersom ovan beskrivna uttryck för reaktiv effekt är relaterade till en fullständigt induktiv krets, kallas denna effekt också induktiv effekt.

Detta kan konstateras som att om kretsen är rent induktiv, lagras energi som magnetfältenergi under den positiva halvcykeln och ger bort under den negativa halvcykeln och hastigheten för denna energiförändring uttrycks som reaktiv effekt av spolen eller enkelt induktiv effekt och denna effekt kommer att ha lika stora positiva och negativa cykler och det totala värdet kommer att vara noll.

Kondensatorisk effekt

Låt oss nu överväga en enfasig effektkrets som är fullständigt kondensatorisk, det vill säga att strömmen leder spänningen med 90o, därför φ = – 90o.


Därför hittas i uttrycket för kondensatorisk effekt att effekten flödar i alternativa riktningar. Från 0o till 90o kommer den att ha en positiv halvcykel, från 90o till 180o kommer den att ha en negativ halvcykel, från 180o till 270o kommer den igen att ha en positiv halvcykel och från 270o till 360o kommer den igen att ha en negativ halvcykel. Så denna effekt är också av alternativ natur med en frekvens, dubbelt så stor som nätets frekvens. Därför gör kondensatorisk effekt, precis som induktiv effekt, inget användbart arbete. Denna effekt är också en reaktiv effekt.

Aktiv komponent och reaktiv komponent i effekt

Strömfördelningsformeln kan skrivas om som

Denna uttryck har två konsonanter; den första är Vm. Im.cosφ(1 – cos2ωt) vilket aldrig blir negativt eftersom värdet av (1 – cos2ωt) alltid är större än eller lika med noll men kan inte ha ett negativt värde.

Detta del av den enfasiga strömfördelningsformeln representerar uttrycket för reaktiv effekt, vilken också kallas verklig effekt eller sann effekt. Genomsnittet av denna effekt kommer uppenbarligen att ha något icke-noll-värde, vilket betyder att effekten fysiskt utför någon användbar arbete och därför kallas denna effekt också för verklig effekt eller ibland sann effekt. Detta del av effektformeln representerar reaktiv effekt, vilken också kallas verklig effekt eller sann effekt.
Andra termen är Vm. Im.sinφsin2ωt vilken kommer att ha både negativa och positiva cykler. Därför är genomsnittet av denna komponent noll. Denna komponent kallas reaktiv komponent eftersom den reser sig fram och tillbaka på linjen utan att utföra något användbart arbete.
Både verklig effekt och reaktiv effekt har samma dimensioner i watt, men för att understryka faktumet att den reaktiva komponenten representerar en icke-verklig effekt, mäts den i voltampere reaktivt eller kort VAR.
Enfasig effekt hänvisar till distributionsystemet där alla spänningar varierar i takt. Den kan genereras genom att rotera en rörlig spole i ett magnetfält eller genom att flytta fältet runt en stationär spole. De alternerande spänningarna och de alternerande strömmarna som produceras, hänvisas därför till som enfasiga spänning och ström. Olika typer av kretsar visar olika svar vid tillämpning av sinusformad ingång. Vi kommer att betrakta alla typer av kretsar en efter en, vilket inkluderar elektrisk resistans endast, kapacitans endast och induktor endast, samt en kombination av dessa tre och försöka etablera enfasig effektformel.

Enfasig effektformel för ren resistiv krets

Låt oss undersöka enfaseleffektberäkning för en ren resistiv krets. En krets bestående av ren ohmsk motstånd är kopplad till en spänningskälla med spänningen V, som visas i figuren nedan.

Där, V(t) = momentan spänning.
Vm = maximal spännningsvärde.
ω = vinkelhastighet i radianer/sekund.

Enligt Ohms lag,

Genom att sätta in värdet för V(t) i ovanstående ekvation får vi,

Från ekvationerna (1.1) och (1.5) är det tydligt att V(t) och IR är i fas. Således finns det ingen fasförsening mellan spänningar och ström, dvs. de är i fas som visas i figur (b).

Momentaneffekt,

Från enfaseleffektekvationen (1.8) är det tydligt att effekten består av två termer, en konstant del, dvs.

och en annan fluktuerande del, dvs.

Vilket har värdet noll för hela cykeln. Således ges effekten genom en ren ohmsk resistor som och visas i fig (c).

Enfasströms effektekvation för en ren induktiv krets

Induktor är en passiv komponent. När växelström passerar genom induktorn motsätter den strömförsprång genom att generera motspänning. Så, tillämpad ström snarare än att orsaka spänningsfall över den behöver balansera den producerade motspänningen. Kretsen består av en ren induktor över sinusformad spänning källa Vrms visas i figuren nedan.

Vi vet att spänningen över induktorn ges som,

Så från ovanstående enfasströms effektekvation är det tydligt att I ligger efter V med π/2 eller med andra ord V leder I med π/2, när växelström passerar genom induktorn, dvs. I och V är ur fas som visas i fig (e).

Momentan effekt ges av,

Här, enfasströms effektfunktion består endast av ett svängande term och effektens värde för en full cykel är noll.

Enfasströms effektekvation för en ren kapacitiv krets

När växelström passerar kondensatorn laddas den först till sitt maximala värde och avlägsnar sedan laddningen. Spänningen över kondensator ges som,


Det är därför klart från ovanstående enfasströmsberäkning av I(t) och V(t) att i fallet med kondensator strömmen föregår spänningen med en vinkel på π/2.


Effekten genom kondensatorn består endast av en svängande term och effektens värde för ett fullständigt cykel är noll.

Enfasströmsformel för RL-krets

En ren ohmsk resistor och en spole är anslutna i serie som visas i figur (g) över en spänningskälla V. Då blir spänningsspädningen över R VR = IR och över L blir VL = IXL.


Dessa spänningsspädningar visas i form av en spännings triangel som visas i figur (i). Vektorn OA representerar spädningsförlusten över R = IR, vektorn AD representerar spädningsförlusten över L = IXL och vektorn OD representerar resultatet av VR och VL.

är impedansen för RL-kretsen.
Från vektor diagrammet är det tydligt att V leder I och fasvinkeln φ ges av,

Således består effekten av två termer, en konstant term 0.5 VmImcosφ och en annan svängande term 0.5 VmImcos(ωt – φ) vars värde är noll för hela cykeln.
Således är det endast den konstanta delen som bidrar till den faktiska effektupptaget.
Således effekt, p = VI cos Φ = (rms spänning × rms ström × cosφ) watt
Där cosφ kallas effektfaktor och ges av,

I kan upplösas i två rektangulära komponenter Icosφ längs V och Isinφ vinkelrätt mot V. Endast Icosφ bidrar till den verkliga effekten. Således kallas endast VIcosφ för wattfull komponent eller aktiv komponent och VIsinφ kallas för wattlös komponent eller reaktiv komponent.

Enfasströmkretsens enfas effektekvation

Vi vet att ström i ren kapacitans leder spänningen och i ren ohmisk motstånd är den i fas. Därför leder nettostrom spänningen med vinkeln φ i RC-kretsen. Om V = Vmsinωt kommer I att vara Imsin(ωt + φ).

Effekt är densamma som i fallet med R-L krets. Till skillnad från R-L-kretsen är elektriska effektfaktorn ledande i R-C-kretsen.

Trefas-effektdefinition

Det har visat sig att generering av trefaseffekt är mer ekonomiskt än generering av enfas effekt. I trefas elektrisk effekt system är de tre spännings- och strömvågor 120o förskjutna i tid i varje cykel av effekt. Det innebär; varje spänningsvåg har fasförsprång på 120o till andra spänningsvågor och varje strömvåg har fasförsprång på 120o till andra strömvågor. Trefas-effektdefinitionen anger att i ett elektriskt system genomförs tre enskilda enfas effekter av tre separata effektkretsar. Spänningarna för dessa tre effekter är idealiskt 120o ifrån varandra i tidsfas. På samma sätt är strömmarna för dessa tre effekter också idealiskt 120o ifrån varandra. En idealisk trefas effektsystem antyder ett balanserat system.

Ett trefasystem sägs vara obalanserat när minst en av de tre fasernas spänning inte är lika med de andra eller fasvinkeln mellan dessa faser inte exakt är 120o.

Fördelar med trefasystem

Det finns många orsaker till att denna effekt är mer föredraget än enfasström.

1. Ekvationen för enfasström är
   
   som är tidsberoende funktion. Medan ekvationen för trefasström är
   
   som är tidsoberoende konstant funktion. Därför pulserar enfasströmmen. Detta påverkar generellt sett inte motorer med låg kapacitet men i större motorer producerar det överdriven vibration. Således är trefasström mer föredragen för höga strömbelastningar.

2. Kapaciteten för en trefasmaskin är 1,5 gånger större än för en enfasmaskin av samma storlek.

3. Enfasinduktionsmotor har ingen startmoment, så vi måste tillhandahålla någon form av hjälpmedel för start, men trefasinduktionsmotor är själstartande och behöver inga hjälpmedel.

4. Effektfaktor och effektivitet är båda större i fall av trefasström.

Ekvation för trefasström

För bestämning av uttrycket för trefasströms effektekvation dvs. för beräkning av trefasseffekt måste vi först ta hänsyn till en idealisk situation där det trefassystemet är balanserat. Det betyder att spänningen och strömmen i varje fas skiljer sig från sin intilliggande fas med 120o samt att amplituden för varje ström våg är densamma och på samma sätt är amplituden för varje spänningsvåg densamma. Nu är den vinkelräta skillnaden mellan spänning och ström i varje fas av det trefassystemet φ.

Då kommer spänningen och strömmen i röd fas att vara
respektive.
Spänningen och strömmen i gul fas kommer att vara-
respektive.
Och spänningen och strömmen i blå fas kommer att vara-
respektive.
Därför är uttrycket för momentan effekt i röd fas –

På samma sätt är uttrycket för momentan effekt i gul fas –

På samma sätt är uttrycket för momentan effekt i blå fas –

Den totala trefasseffekten i systemet är summan av den individuella effekten i varje fas-

Ovanstående uttryck för effekt visar att den totala momentana effekten är konstant och lika med tre gånger den verkliga effekten per fas. I fallet med en enda fas effektuttryck fann vi både reaktiv effekt och aktiv effekt komponenter, men i fallet med trefasseffektuttryck är den momentana effekten konstant. Faktiskt i ett trefassystem är inte den reaktiva effekten i varje enskild fas noll, men summan av dem vid något ögonblick är noll.

Reaktiv effekt är formen för magnetisk energi, som flödar per tidsenhet i en elektrisk krets. Dess enhet är VAR (Volt Ampere Reaktiv). Denna effekt kan aldrig användas i en växelströmskrets. Men i en elektrisk likströmskrets kan den omvandlas till värme när en laddad kondensator eller spole ansluts över en resistor, och energin som lagras i elementet omvandlas till värme. Vårt strömsystem fungerar med växelström och de flesta belastningar vi använder i vår vardag är induktiva eller kapacitiva, därför är reaktiv effekt ett mycket viktigt begrepp ur elektrisk synvinkel.

Källa: Electrical4u.

Förklaring: Respektera det ursprungliga, bra artiklar är värt att dela, om det finns upphovsrättsskydd kontakta för radering.