CORECTAREA FACTORULUI DE PUTERE; Electricitate industrială aplicată
Luați în considerare un circuit pentru un sistem de alimentare cu curent alternativ monofazat, în care o sursă de tensiune alternativă de 120 volți și 60 Hz furnizează energie unei sarcini rezistive: (Figura de mai jos)
[latex] Z = 60 + j0 \ Omega \ textbf < or >60 \ Omega \ angle \ text< 0°>[/ latex]
În acest exemplu, curentul la încărcare ar fi de 2 amperi, RMS. Puterea disipată la sarcină ar fi de 240 wați. Deoarece această sarcină este pur rezistivă (fără reactanță), curentul este în fază cu tensiunea, iar calculele arată similar cu cel dintr-un circuit DC echivalent. Dacă ar fi să trasăm formele de undă de tensiune, curent și putere pentru acest circuit, ar arăta ca figura de mai jos.
Figura 7.1 Curentul este în fază cu tensiunea într-un circuit rezistiv.
Rețineți că forma de undă pentru putere este întotdeauna pozitivă, niciodată negativă pentru acest circuit rezistiv. Aceasta înseamnă că puterea este întotdeauna disipată de sarcina rezistivă și nu se întoarce niciodată la sursă, așa cum este cu sarcinile reactive. Dacă sursa ar fi un generator mecanic, ar fi nevoie de 240 de wați de energie mecanică (aproximativ 1/3 cai putere) pentru a roti arborele.
De asemenea, rețineți că forma de undă pentru putere nu este la aceeași frecvență ca tensiunea sau curentul! Mai degrabă, frecvența sa este dublă față de formele de undă de tensiune sau curent. Această frecvență diferită interzice exprimarea puterii noastre într-un circuit de curent alternativ utilizând aceeași notație complexă (dreptunghiulară sau polară) ca și cea utilizată pentru tensiune, curent și impedanță, deoarece această formă de simbolism matematic implică relații de fază neschimbate. Când frecvențele nu sunt aceleași, relațiile de fază se schimbă constant.
Oricât de ciudat ar părea, cel mai bun mod de a continua cu calculele puterii de curent alternativ este să folosiți notația scalară și să gestionați orice relație de fază relevantă cu trigonometria.
Circuit de curent alternativ cu o sarcină pur reactivă
Pentru comparație, să luăm în considerare un circuit simplu de curent alternativ cu o sarcină pur reactivă în figura de mai jos.
Circuit de curent alternativ cu o sarcină pur reactivă (inductivă).
[latex] X_L = 60.319 \ Omega [/ latex]
[latex] Z = 0 + j60.319 \ Omega \ text < or >60.319Ω \ angle \ text< 90°>[/ latex]
Figura 7.2 Puterea nu este disipată într-o sarcină pur reactivă. Deși este alternativ absorbit și returnat la sursă.
Rețineți că puterea alternează în mod egal între ciclurile pozitiv și negativ. (Figura de mai sus) Aceasta înseamnă că puterea este absorbită alternativ și returnată la sursă. Dacă sursa ar fi un generator mecanic, nu ar fi nevoie (practic) de energie mecanică netă pentru a roti arborele, deoarece sarcina nu ar folosi energie. Arborele generatorului ar fi ușor de rotit, iar inductorul nu s-ar încălzi ca un rezistor.
Circuit de curent alternativ cu o sarcină rezistivă și pur reactivă
Acum, să luăm în considerare un circuit de curent alternativ cu o sarcină constând atât din inductanță, cât și din rezistență în figura de mai jos.
circuit atât cu reactanță cât și rezistență.
[latex] X_L = 60.319 \ Omega [/ latex]
[latex] Z_L = 0 + j60.319 \ Omega [/ latex] sau [latex] 60.319 \ Omega \ angle 90 ° [/ latex]
[latex] Z_R = 60 + j0 \ Omega [/ latex] sau [latex] 60 \ Omega \ angle 0 ° [/ latex]
[latex] Z_> = 60+ j60.319 \ Omega [/ latex] sau [latex] 85.078 \ Omega \ angle 45.152 ° [/ latex]
La o frecvență de 60 Hz, cei 160 de milenirys de inductanță ne oferă 60.319 Ω de reactanță inductivă. Această reactanță se combină cu rezistența de 60 Ω pentru a forma o impedanță de încărcare totală de 60 + j60.319 Ω, sau 85.078 Ω ∠ 45.152 o. Dacă nu ne preocupă unghiurile de fază (care nu suntem în acest moment), putem calcula curentul în circuit luând magnitudinea polară a sursei de tensiune (120 volți) și împărțindu-l la magnitudinea polară a impedanței (85.078). Cu o tensiune de alimentare de 120 volți RMS, curentul nostru de încărcare este de 1.410 amperi. Aceasta este cifra pe care un ampermetru RMS ar indica-o dacă este conectată în serie cu rezistorul și inductorul.
Știm deja că componentele reactive disipă puterea zero, deoarece absorb în mod egal puterea și restituie puterea către restul circuitului. Prin urmare, orice reactanță inductivă în această sarcină va disipa, de asemenea, puterea zero. Singurul lucru care rămâne pentru a disipa puterea aici este porțiunea rezistivă a impedanței de încărcare. Dacă ne uităm la diagrama formei de undă a tensiunii, curentului și puterii totale pentru acest circuit, vedem cum funcționează această combinație în figura de mai jos.
Figura 7.3 Un circuit combinat rezistiv/reactiv disipează mai multă putere decât revine la sursă. Reactanța disipează nicio putere; totuși, rezistența o face.
La fel ca în cazul oricărui circuit reactiv, puterea alternează între valori pozitive și negative instantanee în timp. Într-un circuit pur reactiv, alternanța dintre puterea pozitivă și cea negativă este împărțită în mod egal, rezultând o disipare a puterii nete de zero. Cu toate acestea, în circuite cu rezistență și reactanță mixte ca aceasta, forma de undă a puterii va alterna în continuare între pozitiv și negativ, dar cantitatea de putere pozitivă va depăși cantitatea de putere negativă. Cu alte cuvinte, sarcina combinată inductivă/rezistivă va consuma mai multă energie decât se întoarce înapoi la sursă.