Rakan yang sering terdedah kepada ujian beban tiruan tahu bahawa litar AC mengandungi istilah seperti rintangan, kapasitansi atau rintangan, kearuhan (kuasa aktif dan kuasa reaktif). Jadi untuk kita mengira jumlah kuasa yang digunakan, kita perlu mengetahui perbezaan fasa antara bentuk gelombang sinusoidal voltan dan arus.
Dalam litar AC, bentuk gelombang voltan dan arus adalah gelombang sinus, jadi amplitudnya berubah mengikut masa. Memandangkan kita tahu bahawa kuasa ialah voltan darab arus (P = V*I), kuasa maksimum berlaku apabila dua bentuk gelombang voltan dan arus sejajar antara satu sama lain. Iaitu, puncak dan lintasan sifar mereka berlaku pada masa yang sama. Apabila ini berlaku, kedua-dua bentuk gelombang dikatakan "dalam fasa".
Dengan mentakrifkan jumlah impedans litar, tiga elemen utama dalam litar AC yang boleh menjejaskan hubungan antara bentuk gelombang voltan dan arus dan perbezaan fasanya ialah perintang, kapasitor dan induktor.
Impedans (Z) litar AC adalah bersamaan dengan rintangan yang dikira dalam litar DC, dan impedans diukur dalam ohm. Untuk litar AC, impedans biasanya ditakrifkan sebagai nisbah fasor voltan kepada fasor semasa yang dihasilkan oleh elemen litar. Fasor ialah garis lurus yang dilukis sedemikian rupa sehingga magnitud voltan atau arus diwakili oleh panjangnya, dan perbezaan fasanya berbanding garis fasor lain diwakili oleh kedudukan sudutnya berbanding dengan garis fasor yang lain.
Litar AC mengandungi rintangan dan reaktans yang bergabung untuk memberikan jumlah impedans (Z) yang mengehadkan aliran arus di sekeliling litar. Tetapi impedans litar AC tidak sama dengan jumlah algebra bagi nilai ohmik rintangan dan reaktans, kerana rintangan tulen dan reaktans tulen adalah 90o daripada fasa antara satu sama lain. Tetapi kita boleh menggunakan perbezaan fasa 90o ini sebagai sisi segi tiga tepat, dipanggil segitiga galangan, di mana galangan ialah hipotenus yang ditentukan oleh teorem Pythagoras.
Hubungan geometri antara rintangan, reaktans dan impedans ini boleh diwakili secara visual dengan menggunakan segi tiga galangan seperti yang ditunjukkan.
Perhatikan bahawa impedans ialah jumlah vektor rintangan dan reaktans, dan ia bukan sahaja mempunyai magnitud (Z), tetapi juga sudut fasa ( Φ ) , yang mewakili perbezaan fasa antara rintangan dan reaktans. Juga ambil perhatian bahawa apabila frekuensi berubah, segitiga berubah bentuk disebabkan oleh perubahan dalam reaktans (X) . Sudah tentu, rintangan (R) akan sentiasa kekal sama.
Kita boleh mengambil idea ini selangkah lebih jauh dengan mengubah segitiga galangan menjadi segi tiga kuasa yang mewakili tiga elemen kuasa dalam litar AC. Hukum Ohm memberitahu kita bahawa dalam litar DC, kuasa (P) dalam watt adalah sama dengan kuasa dua arus (I 2 ) kali rintangan (R) . Jadi kita boleh mendarabkan tiga sisi segi tiga galangan di atas dengan I 2 untuk mendapatkan segi tiga kuasa yang sepadan sebagai:
Kuasa Aktif P = I 2 R Watt, (W)
Kuasa reaktif Q = I 2 X volt-ampere reaktif, (VAr)
Kuasa ketara S = I 2 Z volt-ampere, (VA)
kuasa sebenar dalam litar AC
Kuasa Aktif (P), juga dikenali sebagai Kuasa Aktif atau Kuasa Aktif, melakukan "kerja sebenar" dalam litar. Kuasa sebenar (dalam watt) mentakrifkan kuasa yang hilang oleh bahagian perintang litar. Maka kuasa sebenar (P) dalam litar AC adalah sama dengan kuasa P dalam litar DC . Jadi sama seperti litar DC, ia sentiasa dikira sebagai I 2 *R , di mana R ialah jumlah komponen rintangan litar.
Oleh kerana rintangan tidak mencipta sebarang perbezaan fasor (anjakan fasa) antara voltan dan bentuk gelombang arus, semua kuasa berguna dipindahkan terus ke rintangan dan ditukar kepada haba, cahaya dan kerja. Kemudian kuasa yang hilang oleh perintang adalah kuasa sebenar, pada asasnya kuasa purata litar.
Untuk mencari nilai kuasa aktif yang sepadan, nilai voltan dan arus rms didarab dengan kosinus sudut fasa.
Kuasa Aktif P = I 2 R = V * I * cos ( Φ ) Watt, (W)
Tetapi kerana mereka tidak mempunyai perbezaan fasa antara voltan dan arus dalam litar perintang, peralihan fasa antara dua bentuk gelombang akan menjadi sifar (0). Kemudian:
Kuasa sebenar (P) dalam watt, voltan (V) dalam rms volt, dan arus (I) dalam rms amp.
Kuasa sebenar kemudiannya ialah elemen perintang I2 *R yang diukur dalam watt , iaitu apa yang anda baca pada meter utiliti anda dalam watt (W) , kilowatt (kW) dan megawatt (MW) . Perhatikan bahawa kuasa sebenar P sentiasa positif.
Kuasa reaktif dalam litar AC
Kuasa reaktif (Q), (kadangkala dipanggil kuasa reaktif) ialah kuasa yang terlesap dalam litar AC yang tidak melakukan kerja berguna tetapi mempunyai kesan yang besar pada peralihan fasa antara voltan dan bentuk gelombang arus. Kuasa reaktif berkaitan dengan reaktansi yang dicipta oleh induktor dan kapasitor, yang boleh mengatasi kesan kuasa aktif. Tiada kuasa reaktif dalam litar DC.
Tidak seperti kuasa aktif (P), yang melakukan semua kerja, kuasa reaktif (Q) mengambil kuasa dari litar disebabkan penciptaan dan pengurangan medan magnet teraruh dan medan elektrostatik kapasitif, menjadikannya lebih sukar untuk membekalkan kuasa aktif terus ke litar atau beban .
Kuasa yang disimpan oleh induktor dalam medan magnetnya cuba mengawal aliran semasa, manakala kuasa yang disimpan oleh medan elektrostatik kapasitor cuba mengawal voltan. Hasilnya ialah kapasitor "menghasilkan" kuasa reaktif dan induktor "menggunakan" kuasa reaktif. Ini bermakna kedua-duanya menggunakan kuasa dan mengembalikan kuasa kepada sumber, jadi mereka tidak menggunakan apa-apa kuasa sebenar.
Untuk mencari kuasa reaktif, nilai voltan dan arus rms didarab dengan sinus sudut fasa.
Kuasa reaktif Q = I 2 X = V*I*sin( Φ ) volt-ampere reaktif, (VAr's)
Oleh kerana terdapat perbezaan fasa 90o antara bentuk gelombang voltan dan arus dalam reaktans tulen (induktif atau kapasitif), pendaraban V*I dengan sin( Φ ) menghasilkan komponen menegak yang 90 daripada fasa dengan setiap reaktans lain , jadi:
di mana kuasa reaktif (Q) dalam volt-ampere reaktif, voltan (V) dalam rms volt, dan arus (I) dalam rms ampere.
Kemudian kuasa reaktif mewakili hasil darab volt dan ampere, 90 darjah keluar fasa antara satu sama lain , tetapi secara amnya, boleh terdapat sebarang sudut fasa Φ antara voltan dan arus.
Oleh itu, kuasa reaktif ialah unsur reaktif I 2 X, dan unitnya ialah volt-ampere reaktif (VAr), kilovolt-ampere reaktif (kVAr), dan megavolt-ampere reaktif (MVAr) .
Kuasa Nampak dalam Litar AC
Kita telah melihat di atas bahawa kuasa aktif dilesapkan oleh rintangan dan kuasa reaktif dibekalkan kepada reaktansi. Oleh itu, bentuk gelombang arus dan voltan tidak berada dalam fasa disebabkan oleh perbezaan antara komponen rintangan litar dan reaktif.
Kemudian terdapat hubungan matematik antara kuasa aktif ( P ) dan kuasa reaktif ( Q ), dipanggil kuasa kompleks. Hasil darab voltan rms V digunakan pada litar AC dan arus rms I yang mengalir ke litar itu dipanggil "hasil volt-ampere" ( VA ), simbol S , dan magnitudnya sering dirujuk sebagai kuasa ketara.
Kuasa kompleks ini tidak sama dengan jumlah algebra bagi kuasa aktif dan reaktif yang ditambah bersama, sebaliknya jumlah vektor P dan Q yang diberikan dalam volt-ampere (VA). Ia adalah kuasa kompleks yang diwakili oleh segi tiga kuasa. Nilai rms produk volt-ampere sering dirujuk sebagai kuasa ketara, kerana "jelas" ini ialah jumlah kuasa yang hilang oleh litar, walaupun kuasa sebenar melakukan kerja adalah lebih kurang.
Memandangkan kuasa ketara terdiri daripada dua komponen, kuasa perintang ialah kuasa dalam fasa atau kuasa aktif dalam watt, dan kuasa reaktif adalah kuasa luar fasa dalam volt-ampere, kita boleh menunjukkan jumlah vektor kedua-dua komponen kuasa ini dari segi bentuk segi tiga kuasa yang muncul. Segitiga kuasa mempunyai empat bahagian: P , Q , S dan θ.
Tiga elemen yang membentuk sumber kuasa dalam litar AC boleh diwakili secara grafik oleh tiga sisi segi tiga tepat, lebih kurang sama dengan segi tiga galangan di atas. Seperti yang ditunjukkan, bahagian mendatar (bersebelahan) bagi segi tiga kuasa mewakili kuasa aktif litar ( P ), bahagian menegak (bertentangan) mewakili kuasa reaktif litar ( Q ), dan hipotenus mewakili kuasa ketara yang dihasilkan ( S ).
P ialah I 2 * R atau kuasa sebenar untuk melaksanakan kerja, dalam watt, W
Q ialah I 2 *X atau kuasa reaktif dalam volt-ampere reaktif, VAr
S ialah I2 * Z atau kuasa ketara dalam VA, VA
Φ ialah sudut fasa dalam darjah. Semakin besar sudut fasa, semakin besar kuasa reaktif
Cos( Φ ) = P/S = W/VA = faktor kuasa, pf
Sin( Φ ) = Q/S = VAr/VA
Tan( Φ ) = Q/P = VAr/W
Faktor kuasa dikira sebagai nisbah kuasa sebenar kepada kuasa ketara, kerana nisbah ini adalah sama dengan cos( Φ ) .
Faktor kuasa cos( Φ ) ialah bahagian penting dalam litar AC, dan ia juga boleh dinyatakan dengan impedans litar atau kuasa litar. Faktor kuasa ditakrifkan sebagai nisbah kuasa sebenar (P) kepada kuasa ketara (S) , biasanya dinyatakan sebagai nilai perpuluhan seperti 0.95 , atau sebagai peratusan: 95% .
Faktor kuasa mentakrifkan sudut fasa antara bentuk gelombang arus dan voltan, di mana I dan V ialah magnitud nilai rms arus dan voltan . Ambil perhatian bahawa tidak kira sama ada sudut fasa ialah perbezaan antara arus dan voltan atau sama ada sudut fasa ialah perbezaan antara voltan dan arus. Hubungan matematik adalah seperti berikut:
Kami berkata sebelum ini bahawa dalam litar rintangan semata-mata, bentuk gelombang arus dan voltan berada dalam fasa antara satu sama lain, jadi apabila perbezaan fasa adalah sifar (0 o ), kuasa sebenar yang terlesap adalah sama dengan kuasa ketara. Jadi faktor kuasa adalah:
Faktor kuasa, pf = cos 0 o = 1.0
Iaitu, watt yang digunakan adalah sama dengan volt-amp yang digunakan, menghasilkan faktor kuasa 1.0 atau 100% . Dalam kes ini ia dipanggil faktor kuasa perpaduan.
Kami juga berkata di atas bahawa dalam litar reaktif tulen, bentuk gelombang arus dan voltan adalah 90o daripada fasa antara satu sama lain. Oleh kerana perbezaan fasa ialah sembilan puluh darjah (90 o), faktor kuasa akan menjadi:
Faktor kuasa, pf = cos 90 o = 0
Iaitu, watt yang digunakan adalah sifar, tetapi masih terdapat voltan dan arus yang membekalkan beban reaktif. Jelas sekali, mengurangkan komponen VAr reaktif bagi segi tiga kuasa akan mengakibatkan penurunan dalam θ, dengan itu meningkatkan faktor kuasa kepada 1, iaitu perpaduan. Ia juga wajar untuk mempunyai faktor kuasa yang tinggi, kerana ini menjadikan penggunaan litar yang membawa arus ke beban dengan paling cekap.
Kita kemudian boleh menulis hubungan antara kuasa aktif, kuasa ketara, dan faktor kuasa litar sebagai:
Litar induktif yang arusnya "tertinggal" voltan (ELI) dikatakan mempunyai faktor kuasa ketinggalan, manakala litar kapasitif yang arusnya "membawa" voltan (ICE) dikatakan mempunyai faktor kuasa utama.
Sebuah gegelung luka dawai dengan kearuhan 180mH dan rintangan 35Ω telah disambungkan kepada bekalan kuasa 100V 50Hz. Kira: a) galangan gegelung, b) arus, c) faktor kuasa, dan d) kuasa ketara yang terlesap.
Juga lukiskan segi tiga kuasa yang terhasil untuk gegelung di atas.
Data yang diberikan: R = 35 Ω, L = 180mH , V = 100V dan ƒ = 50Hz .
Pada faktor kuasa 0.5263 atau 52.63% , gegelung memerlukan 150 VA kuasa untuk menghasilkan 79 watt kerja berguna. Dalam erti kata lain, pada faktor kuasa 52.63%, gegelung memerlukan 89% lebih arus untuk melakukan kerja yang sama, yang merupakan banyak arus terbuang.
Menambah kapasitor pembetulan faktor kuasa ( 32.3uF dalam kes ini ) merentasi gegelung untuk meningkatkan faktor kuasa melebihi 0.95 atau 95% akan mengurangkan kuasa reaktif yang digunakan oleh gegelung kerana kapasitor ini bertindak sebagai mesin penjanaan arus reaktif, dengan itu mengurangkan jumlah keseluruhan arus yang digunakan.
Segitiga Kuasa dan Ringkasan Faktor Kuasa
Kita telah melihat di sini bahawa tiga elemen kuasa elektrik dalam litar AC, iaitu kuasa aktif, kuasa reaktif dan kuasa ketara, boleh diwakili oleh tiga sisi segitiga yang dipanggil segi tiga kuasa. Oleh kerana ketiga-tiga elemen ini diwakili oleh "segitiga tepat", hubungannya boleh ditakrifkan sebagai: S 2 = P 2 + Q 2 , di mana: P ialah kuasa aktif dalam watt (W ) dan Q ialah kuasa aktif dalam watt (W) Kuasa reaktif dalam volt-ampere reaktif (VAr) , S ialah kuasa ketara dalam volt-ampere (VA) .
Kami juga melihat bahawa dalam litar AC, kuantiti cos( Φ ) dipanggil faktor kuasa. Faktor kuasa litar AC ditakrifkan sebagai nisbah kuasa aktif (W) yang digunakan oleh litar kepada kuasa ketara (VA) yang digunakan oleh litar yang sama. Jadi ini memberi kita: Faktor Kuasa = Kuasa Nyata / Kuasa Nyata, atau pf = W/VA .
Kemudian kosinus sudut yang terhasil antara arus dan voltan ialah faktor kuasa. Biasanya faktor kuasa dinyatakan sebagai peratusan, seperti 95% , tetapi ia juga boleh dinyatakan sebagai nilai perpuluhan, seperti 0.95 .
Apabila faktor kuasa bersamaan dengan 1.0 (unit) atau 100% , iaitu apabila kuasa sebenar yang terlesap adalah sama dengan kuasa ketara litar, sudut fasa antara arus dan voltan ialah 0 o , kerana: cos -1 (1.0) = 0 o . Apabila faktor kuasa adalah sifar (0) , sudut fasa antara arus dan voltan akan menjadi 90 darjah kerana: cos -1 ( 0 ) = 90 darjah . Dalam kes ini, kuasa sebenar yang hilang oleh litar AC adalah sifar, tanpa mengira arus litar.
Dalam litar AC sebenar, faktor kuasa boleh berada di antara 0 dan 1.0, bergantung pada komponen pasif dalam beban yang disambungkan. Untuk beban rintangan atau litar (kes yang paling biasa), faktor kuasa akan "tertinggal". Dalam litar kapasitif-resistif, faktor kuasa akan "membawa". Litar AC kemudiannya boleh ditakrifkan sebagai mempunyai perpaduan, ketinggalan atau faktor kuasa utama.
Faktor kuasa yang lemah dengan nilai yang hampir kepada sifar (0) akan menghilangkan kuasa terbuang dan dengan itu mengurangkan kecekapan litar, manakala litar atau beban dengan faktor kuasa yang hampir kepada satu (1.0) atau kesatuan (100%) akan lebih cekap. Ini kerana litar atau beban dengan faktor kuasa rendah memerlukan lebih banyak arus daripada litar yang sama atau beban dengan faktor kuasa hampir 1.0 (unit).
