Hoe bewijs je dat actieve vermogen verantwoordelijk is voor mechanisch werk en niet reactief vermogen

Hoe te bewijzen dat actieve vermogen het vermogen is dat mechanisch werk genereert, en niet reactief vermogen

Om te bewijzen dat actief vermogen (Active Power, P) het vermogen is dat mechanisch werk genereert, in plaats van reactief vermogen (Reactive Power, Q), kunnen we de fysische principes van energieomzetting en de aard van stroomsystemen onderzoeken. Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg:

1. Definities van Actief Vermogen en Reactief Vermogen

Actief Vermogen P: Actief vermogen verwijst naar het daadwerkelijke elektrische vermogen dat in een wisselstroomcircuit wordt omgezet in nuttig werk. Het is geassocieerd met resistieve elementen en vertegenwoordigt de conversie van elektrische energie in andere vormen van energie, zoals thermische of mechanische energie. De eenheid voor actief vermogen is watt (W).

Reactief Vermogen Q: Reactief vermogen verwijst naar het deel van het elektrische vermogen in een wisselstroomcircuit dat tussen de bron en de belasting oscilleert als gevolg van de aanwezigheid van inductieve of capacitieve elementen. Het voert geen nuttig werk uit, maar beïnvloedt de spanning- en stroomverdeling in het systeem, waardoor de efficiëntie wordt beïnvloed. De eenheid voor reactief vermogen is voltampère reactiviteit (VAR).

2. Krachtfactor en Faseverschil

In een wisselstroomcircuit bepaalt het faseverschil tussen de stroom en de spanning het verhoudingsgetal van actief vermogen tot reactief vermogen. De krachtfactor cos(ϕ) is een maat voor dit faseverschil, waarbij ϕ de fasehoek tussen de stroom en de spanning is.

Wanneer ϕ=0, zijn de stroom en de spanning in fase, en bestaat alleen actief vermogen, zonder reactief vermogen. Dit komt vaak voor bij zuiver resistieve belastingen.

Wanneer ϕ ≠ 0, zijn de stroom en de spanning uit fase, wat resulteert in zowel actief als reactief vermogen. Bij inductieve belastingen (zoals motoren) loopt de stroom achter op de spanning; bij capacitieve belastingen loopt de stroom voor op de spanning.

3. Perspectief van Energieconversie

Fysische betekenis van Actief Vermogen:

Actief vermogen is het vermogen dat, door resistieve elementen, elektrische energie omzet in andere vormen van energie, zoals mechanische energie of warmte. Bijvoorbeeld, in een motor overwint actief vermogen de belastingsresistentie, waardoor de rotor roteert en mechanisch werk produceert.

De grootte van het actieve vermogen bepaalt het daadwerkelijke energieverbruik in het systeem, waardoor het het vermogen is dat direct gerelateerd is aan het uitvoeren van nuttig werk.

Fysische betekenis van Reactief Vermogen:

Reactief vermogen voert geen nuttig werk uit, maar is geassocieerd met het opslaan van energie in magnetische of elektrische velden binnen inductieve of capacitieve elementen. Het oscilleert tussen de bron en de belasting zonder netto mechanisch werk te produceren.

De primaire rol van reactief vermogen is het handhaven van de spanningniveaus in het circuit en het ondersteunen van het opbouwen en handhaven van magnetische of elektrische velden. Hoewel het geen direct werk doet, is het nodig voor de stabiele werking van het systeem.

4. Voorbeeld met een Elektrische Motor

Met een elektrische motor als voorbeeld wordt het onderscheid tussen actief en reactief vermogen duidelijker:

Actief Vermogen: Het actieve vermogen in een motor wordt gebruikt om de belastingsresistentie te overwinnen, waardoor de rotor roteert en mechanisch werk produceert. Dit deel van het vermogen wordt uiteindelijk omgezet in mechanische energie, die machines zoals pompen of ventilatoren aandrijft.

Reactief Vermogen: Het reactieve vermogen in een motor wordt gebruikt om het magnetische veld tussen de rotor en de stator op te bouwen en te handhaven. Dit magnetische veld is essentieel voor de werking van de motor, maar het produceert geen direct mechanisch werk. Reactief vermogen oscilleert tussen de energiebron en de motor, zonder omgezet te worden in nuttige mechanische energie.

5. Wet van Behoud van Energie

Volgens de wet van behoud van energie moet de elektrische energie-ingang van een systeem gelijk zijn aan de energie-uitgang (inclusief mechanische en thermische energie) plus eventuele verliezen (zoals weerstandsverliezen). Actief vermogen is het deel van de elektrische energie dat daadwerkelijk wordt verbruikt en omgezet in nuttig werk, terwijl reactief vermogen tijdelijk wordt opgeslagen in magnetische of elektrische velden en niet direct bijdraagt aan nuttig werk.

6. Wiskundige Uitdrukking

In een driedriefase wisselstroomcircuit kan het totale schijnbare vermogen S (Apparent Power) worden uitgedrukt als:

Waarbij:

• P is het actieve vermogen, gemeten in watt (W).

• Q is het reactieve vermogen, gemeten in voltampère reactiviteit (VAR).

Actief vermogen P kan worden berekend met de volgende formule:

Reactief vermogen Q kan worden berekend met de volgende formule:

Hierbij is V de lijnspanning, I de lijnstroom, en ϕ de fasehoek tussen de stroom en de spanning.

7. Samenvatting

• Actief Vermogen is het daadwerkelijke vermogen dat wordt verbruikt en omgezet in nuttig werk, zoals mechanische of thermische energie. Het is geassocieerd met resistieve elementen en kan mechanisch werk genereren.

• Reactief Vermogen is het vermogen dat geassocieerd is met inductieve of capacitieve elementen, oscillatie tussen de bron en de belasting. Het handhaaft magnetische of elektrische velden, maar voert geen nuttig werk uit.

Daarom is actief vermogen het vermogen dat mechanisch werk genereert, terwijl reactief vermogen, hoewel cruciaal voor de stabiliteit van het systeem, niet direct bijdraagt aan het uitvoeren van werk. Reactief vermogen ondersteunt het energietransferproces door de noodzakelijke magnetische of elektrische velden te handhaven.