Moc w obwodach prądu przemiennego i moc bierna

Moc W Obwodach Pradu Przemiennego I Moc Bierna



Moc w obwodach prądu przemiennego określana jest jako szybkość, z jaką energia jest zużywana przez wszystkie elementy obwodu. Każde urządzenie elektryczne ma określoną wartość mocy, przy której może efektywnie pracować, czyli innymi słowy jest to także bezpieczna granica mocy, jaką może obsłużyć. Sposób obliczania mocy w obwodach prądu przemiennego jest zupełnie inny niż w przypadku obwodów prądu stałego, gdyż prąd przemienny ma zwykle składowe reaktywne.

Zarys:

Moc w obwodach prądu przemiennego

Obwody prądu przemiennego zawierające elementy reaktywne będą miały przebiegi napięcia i prądu przesunięte w fazie pod pewnym kątem. Jeśli różnica faz między napięciem a prądem wynosi 90 stopni, wówczas iloczyn prądu i napięcia będzie miał te same wartości dodatnie i ujemne. Moc pobierana przez elementy bierne w obwodach prądu przemiennego jest prawie równa zeru, ponieważ zwraca tę samą moc, którą zużywa. Podstawowy wzór na obliczenie mocy w obwodzie prądu przemiennego to:







Moc chwilowa w obwodach prądu przemiennego

Moc chwilowa jest zależna od czasu, a napięcie i prąd również zależą od czasu, dlatego podstawowym wzorem na obliczenie mocy będzie:





Jeśli więc napięcie i prąd są sinusoidalne, wówczas równanie napięcia i prądu będzie następujące:





Zatem umieszczając teraz wartości prądu i napięcia w podstawowym wzorze na moc, otrzymujemy:



Teraz uprość równanie i skorzystaj z poniższego wzoru trygonometrycznego:

Tutaj ΦV jest kątem fazowym napięcia, a Φi jest kątem fazowym prądu, wynikiem ich dodawania i odejmowania będzie Φ, więc równanie można zapisać jako:

Ponieważ moc chwilowa zmienia się w sposób ciągły w odniesieniu do kształtu fali sinusoidalnej, obliczenia mocy mogą być skomplikowane. Powyższe równanie można uprościć, jeśli liczba cykli jest stała, a obwód jest czysto rezystancyjny:

W przypadku obwodów czysto indukcyjnych równanie mocy chwilowej będzie następujące:

W przypadku obwodów czysto pojemnościowych równanie mocy chwilowej będzie następujące:

Średnia moc w obwodach prądu przemiennego

Ponieważ moc chwilowa ma stale zmieniającą się wielkość, nie ma ona praktycznego znaczenia. Moc średnia pozostaje taka sama i nie zmienia się w czasie, średnia wartość przebiegu mocy pozostaje taka sama. Moc średnią definiuje się jako moc chwilową w jednym cyklu, którą można zapisać jako:

Tutaj T jest okresem oscylacji, a równanie sinusoidalnego napięcia i prądu wygląda następująco:

Teraz równanie średniej mocy będzie wyglądało następująco:

Teraz, korzystając ze wzoru trygonometrycznego podanego poniżej, aby uprościć równanie średniej mocy:

Po rozwiązaniu powyższego całkowania otrzymujemy następujące równanie:

Teraz, aby równanie wyglądało jak odpowiednik prądu stałego, używane są wartości RMS dla prądu i podróży, a oto równanie dla prądu i napięcia RMS:

Teraz jako definicję średniej mocy, średnie równania napięcia i prądu będą następujące:

Zatem teraz wartość skuteczna napięcia i prądu będzie wynosić:

Zatem teraz, jeśli kąt fazowy wynosi zero stopni, jak w przypadku rezystora, wówczas średnia moc będzie wynosić:

Teraz należy wziąć pod uwagę, że średnia moc cewki indukcyjnej i kondensatora wynosi zero, ale w przypadku rezystora będzie to:

W przypadku źródła będzie to:

W trójfazowym układzie zrównoważonym średnia moc będzie wynosić:

Przykład: Obliczanie mocy chwilowej i mocy średniej obwodu prądu przemiennego

Rozważmy pasywną sieć liniową połączoną ze źródłem sinusoidalnym mającą następujące równania napięcia i prądu:

i) Znajdź moc chwilową
Wstawiając wartości napięcia i prądu do równania mocy, otrzymujemy:

Skorzystaj teraz z poniższego wzoru trygonometrycznego, aby uprościć równanie:

Zatem moc chwilowa będzie wynosić:

Teraz dalej rozwiązując zadanie, znajdując cos 55, otrzymujemy:

ii) Znalezienie średniej mocy obwodu.
Tutaj wartość napięcia wynosi 120, a prąd ma wartość 10, dalej kąt dla napięcia wynosi 45 stopni, a dla prądu kąt wynosi 10 stopni. Zatem teraz średnia moc będzie wynosić:

Rodzaje mocy w obwodach prądu przemiennego

W obwodach prądu przemiennego rodzaj zasilania zależy głównie od rodzaju podłączonego obciążenia, zasilanie może być jednofazowe lub trójfazowe. Zatem moc w obwodzie prądu przemiennego można podzielić na następujące typy:

  • Czynna moc
  • Reaktywna moc
  • Moc pozorna

Aby lepiej zrozumieć te trzy rodzaje mocy, poniżej znajduje się obraz wyraźnie opisujący każdy typ:

Czynna moc

Od nazwy moc rzeczywistą wykonującą pracę nazywa się mocą rzeczywistą lub mocą czynną. W przeciwieństwie do obwodów prądu stałego, obwody prądu przemiennego zawsze mają pewien kąt fazowy między napięciem a prądem, z wyjątkiem obwodów rezystancyjnych. W przypadku czystego obwodu rezystancyjnego kąt będzie wynosić zero, a cosinus zera jest jednym z równań mocy czynnej:

Reaktywna moc

Moc zużywana w obwodzie prądu przemiennego, która nie wykonuje żadnej pracy takiej jak moc rzeczywista, nazywana jest mocą bierną. Ten rodzaj mocy występuje zwykle w przypadku cewek indukcyjnych i kondensatorów i ma duży wpływ na kąt fazowy pomiędzy napięciem i prądem.

W wyniku wytworzenia i zmniejszenia pola elektrycznego kondensatora i pola magnetycznego cewki indukcyjnej, moc ta odbiera moc z obwodu. Innymi słowy, jest ona wytwarzana przez reaktancję elementów biernych obwodu. Poniżej znajduje się równanie pozwalające znaleźć moc bierną w obwodzie prądu przemiennego:

Elementy reaktywne w obwodzie zwykle mają różnicę fazową napięcia i prądu wynoszącą 90 stopni, więc teraz, jeśli kąt fazowy między napięciem i prądem wynosi 90 stopni, to:

Moc pozorna

Moc pozorna to całkowita moc obwodu, na którą składa się zarówno moc czynna, jak i bierna, lub inaczej mówiąc, jest to całkowita moc dostarczana przez źródło. Zatem moc pozorną można zapisać jako iloczyn wartości skutecznej prądu i napięcia, a równanie można zapisać jako:

Istnieje inny sposób zapisania równania na moc pozorną, a mianowicie suma mocy czynnej i biernej fazera:

Moc pozorna jest zwykle używana do wyrażania wartości znamionowych urządzeń używanych jako źródła energii, takich jak generatory i transformatory.

Przykład 1: Obliczanie strat mocy w obwodzie

Rozważmy obwód czysto rezystancyjny o wartości skutecznej rezystancji około 20 omów i wartości skutecznej napięcia około 10 woltów. Aby obliczyć moc rozproszoną w obwodzie, użyj:

Ponieważ obwód jest rezystancyjny, napięcie i prąd będą w fazie, więc:

Teraz wstaw wartości do wzoru:

Moc wydzielana w obwodzie wynosi 5 W.

Przykład 2: Obliczanie mocy obwodu RLC

Rozważmy obwód RLC podłączony do sinusoidalnego źródła napięcia o reaktancji indukcyjnej 3 omów, reaktancji pojemnościowej 9 omów i rezystancji 7 omów. Jeśli wartość skuteczna prądu wynosi 2 ampery, a wartość skuteczna napięcia wynosi 50 woltów, znajdź moc.

Równanie średniej mocy to:

Aby obliczyć kąt między napięciem i prądem, korzystając z następującego równania:

Teraz umieszczając wartości w równaniu na moc średnią, otrzymujemy:

Przykład 3: Obliczanie mocy rzeczywistej, biernej i pozornej obwodu prądu przemiennego

Rozważmy obwód RL połączony napięciem sinusoidalnym i posiadający cewkę indukcyjną i rezystor połączone szeregowo. Cewka ma indukcyjność 200 mH, rezystancja rezystora wynosi 40 omów, napięcie zasilania wynosi 100 woltów przy częstotliwości 50 Hz. Znajdź następujące:

i) Impedancja obwodu

ii) Prąd w obwodzie

iii) Współczynnik mocy i kąt fazowy

iii) Moc pozorna

i) Znalezienie impedancji obwodu

Do obliczenia impedancji należy obliczyć reaktancję indukcyjną cewki indukcyjnej i wykorzystać w tym celu podane wartości indukcyjności i częstotliwości:

Teraz znajdź impedancję obwodu za pomocą:

ii) Znalezienie prądu w obwodzie

Aby znaleźć prąd w obwodzie, korzystając z prawa Ohma:

iii) Kąt fazowy

Teraz znalezienie kąta fazowego między napięciem i prądem:

iii) Moc pozorna

Aby wyznaczyć moc pozorną należy znać wartości mocy czynnej i biernej, zatem w pierwszej kolejności wyznaczamy moc rzeczywistą i pozorną:

Ponieważ wszystkie wartości zostały obliczone, trójkąt mocy dla tego obwodu będzie wyglądał następująco:

Aby uzyskać więcej informacji na temat trójkąta mocy i współczynnika mocy, przeczytaj ten przewodnik .

Przykład 4: Obliczanie mocy trójfazowego obwodu prądu przemiennego

Rozważmy trójfazowy obwód połączony w trójkąt, mający trzy cewki i prąd sieciowy o natężeniu 17,32 A przy współczynniku mocy 0,5. Napięcie sieciowe wynosi 100 woltów. Oblicz prąd linii i całkowitą moc, jeśli cewki są połączone w konfigurację gwiazdy.

i) Dla konfiguracji Delta

Dane napięcie sieciowe wynosi 100 woltów, w tym przypadku napięcie fazowe również będzie wynosić 100 woltów, więc możemy napisać:

Jednakże prąd liniowy i prąd fazowy w konfiguracji trójkąta są różne, dlatego do obliczenia prądu fazowego użyj równania prądu liniowego:

Teraz możemy znaleźć impedancję fazową obwodu za pomocą napięcia fazowego i prądu fazowego:

ii) Dla konfiguracji gwiazdy

Ponieważ napięcie fazowe wynosi 100 woltów, prąd sieciowy w konfiguracji gwiazdy będzie wynosić:

W konfiguracji gwiazdy napięcie sieciowe i napięcie fazowe są takie same, dlatego obliczenie napięcia fazowego:

Zatem prąd fazowy będzie wynosił:

iii) Całkowita moc w konfiguracji gwiazdy

Teraz obliczyliśmy prąd sieciowy i napięcie sieciowe w konfiguracji gwiazdy, moc można obliczyć za pomocą:

Wniosek

W obwodach prądu przemiennego moc jest miarą szybkości wykonywania pracy lub inaczej mówiąc, jest to całkowita energia przekazywana do obwodów w zależności od czasu. Moc w obwodzie prądu przemiennego jest dalej podzielona na trzy części, a są to moc rzeczywista, bierna i pozorna.

Moc rzeczywista to rzeczywista moc, która wykonuje pracę, natomiast moc przepływająca pomiędzy źródłem a elementami biernymi obwodu jest mocą bierną i często nazywana jest mocą niewykorzystaną. Moc pozorna jest sumą mocy czynnej i biernej, można ją również nazwać mocą całkowitą.

Moc w obwodzie prądu przemiennego można mierzyć jako moc chwilową lub moc średnią. W obwodach pojemnościowych i indukcyjnych średnia moc wynosi zero, podobnie jak w obwodzie prądu przemiennego średnia moc jest prawie taka sama w całym obwodzie. Z drugiej strony moc chwilowa jest zależna od czasu, zatem ulega ciągłym zmianom.