Kuinka osoitat aktiivisen tehon olevan vastuussa mekaanisesta työstä eikä reaktiivinen taho?

Miten osoittaa, että aktiivivoima on se voima, joka tuottaa mekaanista työtä, ei reaktiivivoima

Aktiivivoiman (Active Power, P) todistamiseksi mekaanista työtä tuottavana voimana, eikä reaktiivivoimana (Reactive Power, Q), voimme tarkastella voimasysteemien fysikaalisia periaatteita ja energian muuntumisen luonnetta. Alla on yksityiskohtainen selitys:

1. Aktiivivoiman ja reaktiivivoiman määritelmät

Aktiivivoima P: Aktiivivoima viittaa siihen varsinaiseen sähkövoimaan vaihtosähköpiirissä, joka käännetään hyödylliseksi työksi. Se liittyy vastuskomponentteihin ja edustaa sähköenergian muuntumista muihin energiamuotoihin, kuten lämpö- tai mekaaniseen energiaan. Aktiivivoiman yksikkö on watt (W).

Reaktiivivoima Q: Reaktiivivoima viittaa siihen osaan sähkövoimasta vaihtosähköpiirissä, joka värähtelee lähde- ja kuormavälillä induktiivisten tai kapasitiivisten komponenttien vuoksi. Se ei suoraan suorita hyödyllistä työtä, mutta vaikuttaa jännite- ja virtajakaumaan systeemissä, vaikuttaen sen tehokkuuteen. Reaktiivivoiman yksikkö on volt-ampere reaktiivinen (VAR).

2. Voimakertoimen ja vaihe-ero

Vaihtosähköpiirissä virta- ja jännitevaihe-ero määrittää aktiivivoiman ja reaktiivivoiman suhteen. Voimakertoimen cos(ϕ) on tämän vaihe-eron mittari, jossa ϕ on virta- ja jännitevaihekulma.

Kun ϕ=0, virta ja jännite ovat vaiheessa, ja vain aktiivivoima on olemassa, ilman reaktiivivoimaa. Tämä on yleistä puhtaasti vastuslasteissa.

Kun ϕ≠0, virta ja jännite ovat vaiheesta, mikä johtaa sekä aktiivivoiman että reaktiivivoiman olemassaoloon. Induktiivisilla lasteilla (kuten moottoreilla) virta jää jännitettä myöhempään vaiheeseen; kapasitiivisilla lasteilla virta kulkee jännitettä edellä.

3. Energiamuunnoksen näkökulma

Aktiivivoiman fyysiset merkitykset:

Aktiivivoima on se voima, joka vastuskomponenttien kautta muuntaa sähköenergian muuhun energiamuotoon, kuten mekaaniseksi energiaksi tai lämmöksi. Esimerkiksi moottorissa aktiivivoima ylittää kuorman vastuksen, ajaa rottoria pyörimään ja tuottamaan mekaanista työtä.

Aktiivivoiman suuruus määrittää järjestelmän varsinaisen energiankulutuksen, tekeen siitä voiman, joka on suoraan liitetty hyödyllisen työn suorittamiseen.

Reaktiivivoiman fyysiset merkitykset:

Reaktiivivoima ei suoraan suorita hyödyllistä työtä, mutta se liittyy energian varastointiin magneettisiin tai sähköisiin kenttiin induktiivisissa tai kapasitiivisissa komponenteissa. Se värähtelee lähdettä ja kuormaa välillä ilman, että tuottaa netto-mekaanista työtä.

Reaktiivivoiman päärölin on ylläpitää piirin jännitelukuja ja tukea magneettisten tai sähköisten kenttien luomista ja ylläpitoa. Vaikka se ei suoraan suorita työtä, se on tarpeellista järjestelmän vakaudelle.

4. Esimerkki sähkömoottorista

Sähkömoottoria käyttäen esimerkkinä aktiivivoiman ja reaktiivivoiman ero tulee selvemmäksi:

Aktiivivoima: Sähkömoottorissa aktiivivoima käytetään kuorman vastuksen ylittämiseen, ajamalla rottoria pyörimään ja tuottamaan mekaanista työtä. Tämä osa voimasta lopulta muuntuu mekaaniseksi energiaksi, toimintakykyyn koneiden, kuten pumppujen tai tuulilaitteiden ohjauksessa.

Reaktiivivoima: Sähkömoottorissa reaktiivivoima käytetään rotan ja statorin välisen magneettikentän luomiseen ja ylläpitämiseen. Tämä magneettikenttä on välttämätön moottorin toiminnalle, mutta se ei suoraan tuota mekaanista työtä. Reaktiivivoima värähtelee voimalähteen ja moottorin välillä, eikä muunnu hyödylliseksi mekaaniseksi energiaksi.

5. Energian säilymislaki

Energian säilymislain mukaan järjestelmään syötetty sähköenergia on yhtä suuri kuin ulosmenoa (mukaan lukien mekaaninen ja lämpöenergia) plus mahdolliset hukkaat (kuten vastushukkaat). Aktiivivoima on sähköenergian osa, joka todella kulutetaan ja muunnetaan hyödylliseksi työksi, kun taas reaktiivivoima on tilapäisesti varastoituna magneettisiin tai sähköisiin kenttiin eikä suoraan vaikuta hyödylliseen työhön.

6. Matemaattinen ilmaisu

Kolmivaiheisessa vaihtosähköpiirissä kokonaisapparenttivoima S (Apparent Power) voidaan ilmaista seuraavasti:

Missä:

• P on aktiivivoima, mitattuna wattein (W).

• Q on reaktiivivoima, mitattuna volt-ampere reaktiivisena (VAR).

Aktiivivoima P voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

Reaktiivivoima Q voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

Tässä V on linjajännite, I on linjavirta, ja ϕ on virta- ja jännitevaihekulma.

7. Yhteenveto

• Aktiivivoima on se voima, joka todella kulutetaan ja muunnetaan hyödylliseksi työksi, kuten mekaaniseksi tai lämpöenergiaksi. Se liittyy vastuskomponentteihin ja voi tuottaa mekaanista työtä.

• Reaktiivivoima on voima, joka liittyy induktiivisiin tai kapasitiivisiin komponentteihin, värähtelevänä lähdettä ja kuormaa välillä. Se ylläpitää magneettisia tai sähköisiä kenttiä, mutta ei suoraan suorita hyödyllistä työtä.

Näin ollen aktiivivoima on se voima, joka tuottaa mekaanista työtä, kun taas reaktiivivoima, vaikka onkin olennainen järjestelmän vakaudelle, ei suoraan vaikuta työn tekemiseen. Reaktiivivoima tukee energiansiirron prosessia ylläpitämällä tarvittavia magneettisia tai sähköisiä kenttiä.