Puterea reprezintă energia consumată în unitatea de timp. Unitatea de măsură în Sistemul Internațional este wattul (W). În curent alternativ, forma diferită a semnalelor și componentele circuitului determină o împărțire a puterii în putere reală, putere reactivă și putere aparentă. În acest articol vom detalia metodele de măsurare, paradigmele teoretice și relațiile matematice care guvernează puterea în circuitele AC, folosind conceptele din materialul de bază furnizat.
Puterea în curent continuu vs. curent alternativ
În curent continuu, întreaga energie absorbită de un consumator de la o sursă se transformă în alte forme de energie. În curent continuu, puterea absorbită se poate determina indirect sau direct. În curent continuu, întreaga energie absorbită de un consumator de la o sursă se transformă în alte forme de energie: calorică, mecanică, luminoasă etc.
Metoda industrială: măsurarea indirectă a puterii în curent continuu
Metoda ampermetrului și voltmetrului folosește două montaje: în aval și în amonte. Metoda ampermetrului și a voltmetrului, cunoscută ca metoda industrială, este o metodă indirectă în care puterea se determină prin măsurarea directă a tensiunii și a curentului. Montajul în aval și în amonte este utilizat la măsurarea puterii în curent continuu. Sursa: cdpress.ro
Pentru măsurări precise trebuie să se țină cont de consumul aparatelor, adică de puterile consumate de voltmetru și ampermetru.
Wattmetrul: măsurarea directă a puterii
Wattmetrul electrodinamic sau ferodinamic măsoară direct puterea electrică. La wattmetrele electrodinamice sau ferodinamice, indicația aparatului este proporțională cu produsul curenților care trec prin bobina de curent și bobina de tensiune. Bobina fixă, de curent, se montează în serie cu consumatorul și are rezistență interioară mică. Bobina mobilă, de tensiune, se montează în paralel cu consumatorul, are rezistență mare și este parcursă de curentul I2 = U / Rad.α = k · I · U / Rad = k1 · P
Pentru a determina puterea măsurată de wattmetru, este necesar să se cunoască constanta wattmetrului: KW = Un · In / N, [W/div.] In este domeniul de măsurare a intensității curentului electric; Un este domeniul de măsurare a tensiunii electrice; N este numărul maxim de diviziuni ale scării gradate. Dacă acul indicator arată n diviziuni, puterea măsurată de wattmetru este P = KW · n. Montarea wattmetrului în circuitul de măsurare.
Puterea aparentă
Puterea aparentă se poate măsura prin metoda ampermetrului și voltmetrului. Pentru a măsura puterea aparentă în curent alternativ monofazat se folosește metoda industrială ampermetru și voltmetru. Măsurarea puterii aparente în curent alternativ monofazat: a. montaj în aval, b. montaj în amonte.
Puterea activă în curent alternativ monofazat
Puterea activă în curent alternativ monofazat se măsoară cu wattmetrul electrodinamic. Măsurarea puterii active în curent alternativ monofazat se face cu wattmetrul electrodinamic. Montarea wattmetrului în circuit se face la fel ca în curent continuu, iar indicațiile aparatului sunt proporționale cu puterea activă din circuit. α = K1 · I · IU · cos(I, IU) = K2 · I · U · cos ϕ = K2 · P. Indicațiile wattmetrului la măsurarea puterii într-un circuit alternativ monofazat sunt în sensul normal al cadranului dacă regulile de montare au fost respectate, atât pentru un consumator inductiv, cât și pentru un consumator capacitiv, deoarece factorul de putere cos ϕ este pozitiv. Dacă tensiunile și curenții depășesc valorile nominale ale aparatului, wattmetrul se conectează prin intermediul transformatoarelor de măsură de curent și de tensiune. Montarea se face în aval sau în amonte, în funcție de mărimea și natura consumatorului.
Puterea activă în circuite de curent alternativ monofazat
Puterea activă P, cunoscută ca putere adevărată sau activă, efectuează munca reală în cadrul unui circuit electric. Puterea reală, măsurată în wați, definește puterea consumată de partea rezistivă a unui circuit. Deci puterea reală P într-un circuit AC este aceeași cu puterea P într-un circuit DC și, la fel ca la circuitele DC, este întotdeauna calculată ca I2R, unde R este componenta rezistivă totală a circuitului. Deoarece rezistențele nu produc nicio diferență de fază, toată puterea utilă este livrată direct la rezistență și transformată în căldură, lumină și lucru. Puterea reală P poate fi calculată și ca P = V · I · cos(θ).
Puterea reactiva în circuitele AC
Puterea reactivă Q (uneori numită putere wattless) este puterea consumată într-un circuit AC care nu efectuează niciun lucru util, dar influențează defazajul dintre formele de undă. Puterea reactivă este legată de reactanța produsă de inductoare și condensatoare și contracarează efectele puterii reale. Energia stocată în câmpul magnetic al unui inductor și energia stocată în câmpul electrostatic al condensatoarelor contribuie la generarea și restituirea puterii reaktivei. Pentru a găsi puterea reactivă, valorile rms ale tensiunii și curentului sunt multiplicate cu sin(hr) unghiului de fază θ: Q = I2X = V·I·sin(θ) (VAr).
Puterea aparentă și triunghiul de puteri
Puterea aparentă S este produsul dintre tensiunea RMS și curentul RMS: S = V · I (VA). Puterea aparentă este vectorială, reprezentată printr-un triunghi de puteri împreună cu componentele P (puterea reală) și Q (puterea reactivă). În triunghiul de puteri, ipotenuza S reprezintă puterea aparentă, iar unghiul θ este diferența de fază dintre tensiune și curent. Relația S² = P² + Q² exprimă geometria triunghiului de puteri. Factorul de putere este cosθ = P / S, deci pf = P/S.
Factorul de putere
Factorul de putere, cosθ, este o măsură a eficienței în utilizarea energiei într-un circuit AC. Este definit ca raportul dintre puterea reală (P) și puterea aparentă (S). În circuitele pur rezistive, cosθ = 1, iar factorul de putere este unitate (1,0 sau 100%). În circuitele pur reactive, cosθ = 0, ceea ce înseamnă că puterea reală este zero, deși tensiunea și curentul există. În circuitele reale, factorul de putere variază între 0 și 1,0, influențat de componentele inductive și capacitive. Formula: pf = P/S = cosθ, iar P = S · pf.
Un sistem cu factori de putere slabi implică un consum mai mare de curent pentru a livra aceeași putere reală, ceea ce poate duce la pierderi mai mari și la necesitatea compensării reactivei. Prin această compensare se urmărește creșterea factorului de putere spre unitate, reducând consumul de curent și optimizând utilizarea rețelei.
Exemplu numeric: triunghiul de puteri și factorul de putere
O bobină înfășurată cu inductanță L = 180 mH și rezistență R = 35 Ω este conectată la o sursă de 100 V, 50 Hz. (a) Impedanța Z a bobinei: Z = R + jX, unde X = ωL = 2πfL. (b) Curentul I consumat: I = V / |Z|. (c) Factorul de putere și unghiul de fază θ: pf = cosθ, θ = arctan(X/R). (d) Puterea aparentă S: S = V · I. (e) Triunghiul de puteri pentru bobină. Acest exemplu demonstrează cum, la un factor de putere de 0,5263 (51,63%), bobina necesită 150 VA pentru a produce 79 W de lucru util. Adăugarea unui condensator de corecție (de exemplu 32,3 μF) poate crește factorul de putere peste 0,95, reducând semnificativ puterea reactivă consumată de bobină.
Rezumatul triunghiului de puteri
Cele trei elemente ale puterii electrice într-un circuit AC pot fi reprezentate de cele trei laturi ale unui triunghi dreptunghic: P (puterea reală, în W), Q (puterea reactivă, în VAr) și S (puterea aparentă, în VA). Relațiile sunt S² = P² + Q² și pf = P/S = cosθ. Unghiul θ reprezintă diferența de fază dintre curent și tensiune, iar cosθ descrie cât de eficient este transferul de energie în circuit. În cicluri practice, funcția de fază și componentele pasive determină factori de putere între 0 și 1,0, iar valoarea lor are impact asupra dimensiunilor elementelor de distribuție și costurilor energetice.
Impedanța și triunghiul impedanțelor
Impedanța (Z) în circuitele AC este raportul dintre fazorii de tensiune și curent. Pentru circuite cu rezistență și reactanță, Z nu este suma simplă a rezistenței și a reactanței; este o mărime complexă cu magnitudine și unghi de fază. Putem vizualiza relația în cadrul unui triunghi de impedanțe, iar transformarea acestui triunghi într-un triunghi de puteri ilustrează relația dintre P, Q și S. În această transformare, rezistența (R) contribuie la puterea reală, în timp ce reactanța (X) contribuie la puterea reactivă.
Sincronizări practice și măsurări în AC
În práctica, dacă tensiunile sau curenții depășesc valorile nominale ale aparatului, wattmetrul se conectează prin transformatoare de măsură pentru curent și tensiune. Montarea se poate face în aval sau în amonte, în funcție de natura sarcinii. Pentru sarcini inductive sau capacitive, respectarea regulilor de montare asigură citiri corecte ale indicatorilor.
Real vs Reactive Power
Perfecționări și aplicații ale corecției factorului de putere
Corecția factorului de putere cu ajutoarele capacitive reduce componenta reactivă din circuite, ceea ce duce la scăderea curentului total necesar pentru a livra aceeași cantitate de putere reală. Aceasta poate implica economii semnificative în costuri energetice și îmbunătățirea stabilității rețelei.
| Parametru | Unitate | Definiție |
|---|---|---|
| P | W | Puterea reală (puterea activă) care efectuează munca utilă |
| Q | VAr | Puterea reactivă, asociată cu câmpurile magnetic și electric |
| S | VA | Puterea aparentă, produsul tensiune × curent |
| - | Factorul de putere = P / S = cos θ | |
| θ | Grade | Diferența de fază dintre tensiune și curent |
tags: #puterea #pe #sarcina #curent #alternativ