Moc i współczynnik mocy

Cześć, w poprzednich wpisach przytoczyłem parę wzorów i zapewniałem, że dla uproszczenia nie wspomnę o „zaawansowanych” szczegółach. No więc, tak: minąłem się z prawdą 😉 . Teraz dość trudne zagadnienie.

Niektóre urządzenia elektryczne nie spełniają wymogów prawa Ohma. Oznacza to, że nie cały prąd elektryczny jest przez nie skutecznie wykorzystywany. Wtedy moc pozorna i moc czynna nie są sobie równe i pojawia się niekorzystne dla nas zjawisko mocy biernej.

Niestety wiele urządzeń elektrycznych potrzebuje do pracy mocy biernej. Głównie są to transformatory, cewki, lampy wyładowcze (świetlówki, HPS). Powoduje to podwyższenie kosztów użytkowania energii, jak i budowy instalacji elektrycznych (grubsze przewody, wytrzymalsze wyłączniki, etc.).

Moc pozorna – S [VA] to ilość energii dostarczanej do obwodu przez źródło zasilania, np. elektrownię, zasilacz, transformator.

Moc czynna – P [kW] jest to rzeczywista ilość energii zużyta przez układ na wykonanie pracy, np. świecenie żarówki.

Moc bierna – Q [VAR] jest to ta część energii, która przepływa między źródłem energii a odbiornikiem i nie jest zamieniana na pracę. Moc (energia elektryczna) bierna służy do wytworzenia pola elektromagnetycznego, niezbędnego do działania silników indukcyjnych i transformatorów, i nie może być przemieniona w inną postać energii – przepływa jedynie pomiędzy źródłami i odbiorami prądu przemiennego.

W zależności od odbiornika wyróżniamy:

  1. Moc (energię) bierną indukcyjną związaną z elementami indukcyjnymi np. silniki, piece indukcyjne. Energia bierna indukcyjna występuje wyłącznie w obwodach prądu zmiennego. Przepływa miedzy źródłem a odbiornikiem i nie jest zamieniana na pracę. Jest potrzebna do wzbudzania zmiennych pól magnetycznych silników, magnesowania rdzeni transformatorów oraz ładowania pojemności linii przesyłowych napowietrznych i kablowych.
  2. Moc (energię) bierną pojemnościową związaną z kondensatorami lub długimi odcinkami kabli, będącymi pod napięciem.

Współczynnik mocy – cos\phi – jest miarą wykorzystania energii elektrycznej (moc czynna) przez urządzenie względem energii mu dostarczonej (moc pozorna). Jeżeli jakiś element obwodu ma ten współczynnik mniejszy niż jeden, to wtedy zaczynamy mieć do czynienia z energią, która została pobrana, ale niezużyta (mocą bierna), która zamieniana jest na niekorzystne zjawiska, np. przegrzewanie się przewodów, etc.

Jak obliczyć współczynnik mocy? Prosto:

    \[ cos\phi = \frac{P}{S} = \frac{P}{\sqrt{P^2+Q^2}} \]

Wzory na moc trzeba więc uzupełnić o właśnie ten współczynnik. Otrzymamy więc:

P = U \cdot I \cdot cos\phi – dla jednej fazy,

P = \sqrt{3} \cdot U \cdot I \cdot cos\phi dla trzech faz.

Dla użytkownika domowego nie ma to znaczenia gdyż płaci on i tak za energię rzeczywiście wykorzystaną, czyli moc czynną. Ale już odbiorcy przemysłowi muszą zapobiegać powstawaniu mocy biernej lub odpowiednio ją kompensować.