Catu daya AC dan rugi daya
Daya rangkaian yang hanya memiliki resistansi aktif disebut daya aktif P. Ini dihitung seperti biasa menggunakan salah satu rumus berikut:
Daya aktif mencirikan konsumsi energi arus yang tidak dapat diubah (tidak dapat diubah).
Di rantai arus bolak-balik ada lebih banyak penyebab yang menyebabkan hilangnya energi yang tidak dapat dipulihkan daripada di sirkuit DC. Alasan-alasan ini adalah sebagai berikut:
1. Memanaskan kabel dengan arus… Untuk arus searah, pemanasan hampir merupakan satu-satunya bentuk kehilangan energi. Dan untuk arus bolak-balik, yang nilainya sama dengan arus searah, kehilangan energi untuk memanaskan kawat lebih besar karena peningkatan resistansi kawat akibat efek permukaan. Semakin tinggi frekuensi saat ini, semakin mempengaruhi efek permukaan dan kerugian yang lebih besar untuk memanaskan kawat.
2. Kerugian untuk menciptakan arus eddy, atau disebut arus Foucault… Arus ini diinduksi di semua benda logam dalam medan magnet yang dihasilkan oleh arus bolak-balik. Dari aksi arus eddy badan logam memanas.Kerugian arus eddy yang sangat signifikan dapat diamati pada inti baja. Kehilangan energi untuk menciptakan arus eddy meningkat dengan meningkatnya frekuensi.
Arus Eddy — dalam inti masif, b — dalam inti pipih
3. Hilangnya histeresis magnetik... Di bawah pengaruh medan magnet bolak-balik, inti feromagnetik dimagnetisasi ulang. Dalam hal ini, terjadi gesekan timbal balik dari partikel inti, akibatnya inti memanas. Sebagai frekuensi meningkatkan kerugian dari histeresis magnetik sedang tumbuh.
4. Kerugian dalam dielektrik padat atau cair... Dalam dielektrik seperti itu, medan listrik bolak-balik menyebabkan polarisasi molekul, yaitu, muatan muncul di sisi molekul yang berlawanan, nilainya sama tetapi berbeda tanda. Molekul terpolarisasi berputar di bawah aksi medan dan mengalami gesekan timbal balik. Karena itu, dielektrik memanas. Dengan meningkatnya frekuensi, kerugiannya meningkat.
5. Kerugian Kebocoran Isolasi… Zat isolasi yang digunakan bukan dielektrik yang ideal dan kebocoran kebocoran diamati di dalamnya. Dengan kata lain, resistansi isolasi, meskipun sangat tinggi, tidak sama dengan tak terhingga. Jenis kerugian ini juga ada pada arus searah. Pada tegangan tinggi, muatan bahkan dapat mengalir ke udara di sekitar kabel.
6. Kerugian karena radiasi gelombang elektromagnetik… Kabel AC apapun memancarkan gelombang elektromagnetik, dan dengan meningkatnya frekuensi, energi gelombang yang dipancarkan meningkat tajam (sebanding dengan kuadrat frekuensi).Gelombang elektromagnetik meninggalkan konduktor secara ireversibel, dan oleh karena itu konsumsi energi untuk emisi gelombang setara dengan kerugian dalam beberapa resistansi aktif. Pada antena pemancar radio, jenis kehilangan ini adalah kehilangan energi yang bermanfaat.
7. Kerugian transmisi daya ke sirkuit lain... Akibatnya fenomena induksi elektromagnetik beberapa daya AC ditransfer dari satu sirkuit ke sirkuit lain yang terletak di dekatnya. Dalam beberapa kasus, seperti pada transformator, transfer energi ini bermanfaat.
Resistansi aktif rangkaian AC memperhitungkan semua jenis kehilangan energi yang tidak dapat dipulihkan... Untuk rangkaian seri, Anda dapat menentukan resistansi aktif sebagai rasio daya aktif, kekuatan semua kerugian terhadap kuadrat Sekarang:
Jadi, untuk arus tertentu, resistansi aktif rangkaian semakin besar, semakin besar daya aktifnya, yaitu semakin besar kerugian energi total.
Daya di bagian sirkuit dengan resistansi induktif disebut daya reaktif Q... Ini mencirikan energi reaktif, yaitu energi yang tidak dikonsumsi secara permanen, tetapi hanya disimpan sementara dalam medan magnet. Untuk membedakannya dari daya aktif, daya reaktif diukur bukan dalam watt, tetapi dalam volt-ampere reaktif (var atau var)... Dalam hal ini, sebelumnya disebut anhidrat.
Daya reaktif ditentukan oleh salah satu rumus:
di mana UL adalah tegangan pada bagian dengan resistansi induktif xL; Saya adalah arus di bagian ini.
Untuk rangkaian seri dengan resistansi aktif dan induktif, konsep daya total S diperkenalkan... Itu ditentukan oleh produk dari tegangan rangkaian total U dan arus I dan dinyatakan dalam volt-ampere (VA atau VA)
Daya di bagian dengan resistansi aktif dihitung dengan salah satu rumus di atas atau dengan rumus:
di mana φ adalah sudut fasa antara tegangan U dan arus I.
Koefisien cosφ adalah faktor daya… Sering disebut «cosinus phi»… Faktor daya menunjukkan berapa banyak daya total daya aktif:
Nilai cosφ dapat bervariasi dari nol hingga satu, tergantung pada rasio antara resistansi aktif dan reaktif. Jika hanya ada satu di sirkuit reaktivitas, maka φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 dan daya dalam rangkaian murni reaktif. Jika hanya ada resistansi aktif, maka φ = 0, cosφ = 1 dan P = S, artinya, semua daya dalam rangkaian aktif murni.
Semakin rendah cosφ, semakin kecil bagian daya aktif dari daya semu dan semakin tinggi daya reaktif. Tetapi pekerjaan arus, yaitu peralihan energinya menjadi jenis energi lain, hanya dicirikan oleh daya aktif. Dan daya reaktif mencirikan energi yang berfluktuasi antara generator dan bagian reaktif dari rangkaian.
Untuk jaringan listrik, itu tidak berguna dan bahkan berbahaya. Perlu dicatat bahwa dalam rekayasa radio, daya reaktif diperlukan dan berguna dalam beberapa kasus. Misalnya, dalam rangkaian osilasi, yang banyak digunakan dalam rekayasa radio dan digunakan untuk menghasilkan osilasi listrik, kekuatan osilasi ini hampir murni reaktif.
Diagram vektor menunjukkan bagaimana perubahan cosφ mengubah arus penerima I dengan kekuatannya tidak berubah.
Diagram vektor arus penerima pada daya konstan dan berbagai faktor daya
Seperti yang dapat dilihat, faktor daya cosφ merupakan indikator penting dari tingkat pemanfaatan daya total yang dikembangkan oleh generator EMF bolak-balik... Penting untuk memberikan perhatian khusus pada fakta bahwa pada cosφ <1 generator harus dibuat tegangan dan arus yang produknya lebih besar dari daya aktif. Misalnya, jika daya aktif dalam jaringan listrik adalah 1000 kW dan cosφ = 0,8, daya semu akan sama dengan:
Misalkan dalam hal ini diperoleh daya nyata pada tegangan 100 kV dan arus 10 A. Namun generator harus membangkitkan tegangan 125 kV agar daya semu menjadi
Jelas bahwa penggunaan generator untuk tegangan yang lebih tinggi tidak menguntungkan dan, terlebih lagi, pada tegangan yang lebih tinggi perlu dilakukan peningkatan isolasi kabel untuk menghindari peningkatan kebocoran atau terjadinya kerusakan. Hal ini akan menyebabkan kenaikan harga jaringan listrik.
Kebutuhan untuk menaikkan tegangan generator karena adanya daya reaktif merupakan karakteristik rangkaian seri dengan resistansi aktif dan reaktif. Jika ada rangkaian paralel dengan cabang aktif dan reaktif, maka generator harus menghasilkan lebih banyak arus daripada yang dibutuhkan dengan resistansi aktif tunggal. Dengan kata lain, generator dibebani dengan arus reaktif tambahan.
Misalnya, untuk nilai di atas P = 1000 kW, cosφ = 0,8 dan S = 1250 kVA, ketika dihubungkan secara paralel, generator harus memberikan arus bukan 10 A, tetapi 12,5 A pada tegangan 100 kV .dalam hal ini, tidak hanya generator yang harus dirancang untuk arus yang lebih besar, tetapi kabel saluran listrik yang akan dilalui arus ini harus diambil dengan ketebalan yang lebih besar, yang juga akan meningkatkan biaya per saluran. Jika di saluran dan di belitan generator terdapat kabel yang dirancang untuk arus 10 A, maka jelas bahwa arus 12,5 A akan menyebabkan peningkatan pemanasan pada kabel tersebut.
Jadi, meski ekstra arus reaktif mentransfer energi reaktif dari generator ke beban reaktif dan sebaliknya, tetapi menimbulkan kerugian energi yang tidak perlu karena resistansi aktif kabel.
Dalam jaringan listrik yang ada, bagian dengan resistansi reaktif dapat dihubungkan baik secara seri maupun paralel dengan bagian dengan resistansi aktif. Oleh karena itu, generator harus mengembangkan peningkatan tegangan dan peningkatan arus untuk menghasilkan, selain daya aktif yang berguna, daya reaktif.
Dari apa yang telah dikatakan, jelas betapa pentingnya elektrifikasi meningkatkan nilai cosφ… Pengurangannya disebabkan oleh masuknya beban reaktif dalam jaringan listrik. Misalnya, motor listrik atau trafo yang diam atau tidak terisi penuh menciptakan beban reaktif yang signifikan karena memiliki induktansi belitan yang relatif tinggi. Untuk meningkatkan cosφ, motor dan transformator harus beroperasi pada beban penuh. Itu ada beberapa cara untuk meningkatkan cosφ.
Sebagai kesimpulan, kami mencatat bahwa ketiga kekuatan saling berhubungan oleh hubungan berikut:
artinya, daya semu bukanlah penjumlahan aritmetika dari daya aktif dan reaktif.Biasanya dikatakan bahwa pangkat S adalah jumlah geometris dari pangkat P dan Q.
Lihat juga: Reaktansi dalam teknik listrik