Mit o jalovi moci - OE | Aleš Berkopec
Transcription
Mit o jalovi moci - OE | Aleš Berkopec
Mit o jalovi moˇci koliko sta si podobni enoti W in VAr ter kako raˇcunati jalovo moˇc, da bo primerljiva s povpreˇcno Aleˇs Berkopec 3. julij 2010 Povzetek V tem ˇclanku vpeljemo koliˇcini D in J. S koliˇcino D so ovrednoteni vati (W), ki se troˇsijo na bremenu, s koliˇcino J so doloˇceni vati (W), ki se od bremena vraˇcajo v vezje. Rezultat vsote koliˇcin D in J je moˇc, ki jo poznamo kot povpreˇcno moˇc. Razlika D − J bi bila primeren kandidat za mero navidezne oz. celotne moˇci. 1 Uvod Jalova moˇc – enaˇcba, s pomoˇcjo katere jo raˇcunamo – me moti odkar sem prviˇc moral o njej govoriti na avditornih vajah. Vsi vemo, da je izraz za jalovo moˇc, v katerem nastopa sinus faznega kota med napetostjo in tokom sin ϕ, zgolj olajˇsava zaradi uporabe kompleksnega ˇ je 1 Um Im sin ϕ definicija jalove moˇci, potem morda potrebujemo ˇse eno koliˇcino raˇcuna. Ce 2 za vse tiste vate (W), ki se od bremena vraˇcajo v vezje, kajti jalova moˇc po gornji definiciji teh vatov (W) ne doloˇci. Sinus kota sicer pomaga pri obravnavi vezij kot povezava med karakterjem vezja in predznakom jalove moˇci, dejanske moˇcnostne razmere pa s tako definicijo lahko le slabo ocenimo. Gornja definicija ni omejena na naˇso drˇzavo. Na angleˇski wikipedii1 so stvari razloˇzene tako, kot jih tudi mi razlagamo svojim ˇstudentom2 , na nemˇski inaˇcici iste strani3 pa lahko celo najdemo trditev 1 VAr=1 W. Enota VAr je bila sprejeta kot enota jalove (reaktivne) moˇci s strani IEC leta 1930, medtem ko je v SI standardu ni. 2 Trenutna moˇ c Predpostavimo, da sta trenutni vrednosti napetosti in toka na nekem bremenu u(t) = Um · cos(ωt) i(t) = Im · cos(ωt + ϕ) Trenutna moˇc je p(t) = u(t) · i(t) = Um Im cos(ωt) · cos(ωt + ϕ) 1 Um Im cos ϕ + cos(2ωt + ϕ) 2 = Povpreˇcna moˇc je P = 12 Um Im cos ϕ, okrog katere trenutna moˇc niha s kotno frekvenco 2ω. 1 http://en.wikipedia.org/wiki/Volt-amperes reactive da je jalova moˇ c vpeljana na naˇ cin, kot ga poznamo, zato, da jo je preprosto izraˇ cunati, danes ne more veˇ c zdrˇ zati. Vsaka danaˇsnja tajnica ima na mizi raˇ cunalnik, ki izraˇ cuna sinus kota v manj kot milisekundi, torej tudi postopek, ki zahteva izraˇ cun dveh sinusov, eno seˇstevanje in eno mnoˇ zenje ni noben zalogaj. Ne pozabimo tudi, da ima elektrodistributer za jalovo moˇ c loˇ ceno tarifo, ki je doloˇ cena kot cena 1 VAr jalove energije in se uporablja kot sorazmernostni faktor. 3 http://de.wikipedia.org/wiki/Var (Einheit) 2 Argument, 1 1 u(t) i(t) p(t) P 0.5 u, i, p D D 0 J J -0.5 -1 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 ωt [o] Slika 1: Graf napetosti u(t), toka i(t), trenutne moˇ ci p(t) in povpreˇ cne moˇ ci za ϕ = 60◦ . Senˇ ceno obmoˇ cje je integral trenutne moˇ ci (energija): nad abscisno osjo je oznaˇ cen s ˇ crko D, pod abscisno osjo s ˇ crko J. 3 Pozitivna moˇ c D in negativna moˇ c J na bremenu Izraˇcunajmo pozitivni in negativni del integrala moˇci v eni periodi. Sploˇsni izraz za normirani integral moˇci v periodi Tp = 2π/(2ω) je Z t2 Z t2 1 1 1 · cos ϕ + cos(2ωt + ϕ) dt p(t)dt = 1 T T U I p t1 p t1 2 m m Z 1 ϑ2 cos ϕ + cos(2ωt + ϕ) d(ωt) = π ϑ1 Z 1 ϑ2 = cos ϕ + cos(2ϑ + ϕ) dϑ π ϑ1 i 1 1 1h = (ϑ2 − ϑ1 ) cos ϕ + sin(2ϑ2 + ϕ) − sin(2ϑ1 + ϕ) π 2 2 i 1h = (ϑ2 − ϑ1 ) cos ϕ + cos(ϑ2 + ϑ1 + ϕ) · sin(ϑ2 − ϑ1 ) π ˇ ˇzelimo izraˇcunati integral ϑ1 = ωt1 in ϑ2 = ωt2 sta niˇcli trenutne moˇci na ωt osi. Ce pozitivnega dela moˇci, potem v obmoˇcju ϕ ∈ [0, 2π] velja: π ; ϕ ∈ [0, π] 2 ϑ+ = 3π 1 − ϕ ; ϕ ∈ [π, 2π] 2 3π − ϕ ; ϕ ∈ [0, π] + 2 ϑ2 = π ; ϕ ∈ [π, 2π] 2 Pri izraˇcunu negativnega dela integrala moˇci sta meji: π − ϕ ; ϕ ∈ [0, π] 2 ϑ− = 1 ; ϕ ∈ [π, 2π] − π2 π ; ϕ ∈ [0, π] 2 ϑ− = 3π 2 − ϕ ; ϕ ∈ [π, 2π] 2 2 Definiramo koliˇcine, normirane z najveˇcjo povpreˇcno moˇcjo 21 Um Im : Z π 1 1 P = cos ϕ = 1 · p(ωt)d(ωt) Tp 0 U I 2 m m ϕ [◦ ] -180.0 -170.0 -160.0 -150.0 -140.0 -130.0 -120.0 -110.0 -100.0 -90.0 -80.0 -70.0 -60.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 -0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 150.0 160.0 170.0 Q = J = D = P -1.000000 -0.984808 -0.939693 -0.866025 -0.766044 -0.642788 -0.500000 -0.342020 -0.173648 0.000000 0.173648 0.342020 0.500000 0.642788 0.766044 0.866025 0.939693 0.984808 1.000000 0.984808 0.939693 0.866025 0.766044 0.642788 0.500000 0.342020 0.173648 0.000000 -0.173648 -0.342020 -0.500000 -0.642788 -0.766044 -0.866025 -0.939693 -0.984808 sin ϕ 1 1 U I 2 m m 1 1 U I 2 m m 1 Tp Z · 1 Tp Z · ϑ− 2 ϑ− 1 p(ωt)d(ωt) ϑ+ 2 p(ωt)d(ωt) ϑ+ 1 Q -0.000000 -0.173648 -0.342020 -0.500000 -0.642788 -0.766044 -0.866025 -0.939693 -0.984808 -1.000000 -0.984808 -0.939693 -0.866025 -0.766044 -0.642788 -0.500000 -0.342020 -0.173648 -0.000000 0.173648 0.342020 0.500000 0.642788 0.766044 0.866025 0.939693 0.984808 1.000000 0.984808 0.939693 0.866025 0.766044 0.642788 0.500000 0.342020 0.173648 D 0.000000 0.000562 0.004458 0.014817 0.034374 0.065287 0.108998 0.166106 0.236297 0.318310 0.409945 0.508126 0.608998 0.708075 0.800418 0.880843 0.944151 0.985370 1.000000 0.985370 0.944151 0.880843 0.800418 0.708075 0.608998 0.508126 0.409945 0.318310 0.236297 0.166106 0.108998 0.065287 0.034374 0.014817 0.004458 0.000562 J -1.000000 -0.985370 -0.944151 -0.880843 -0.800418 -0.708075 -0.608998 -0.508126 -0.409945 -0.318310 -0.236297 -0.166106 -0.108998 -0.065287 -0.034374 -0.014817 -0.004458 -0.000562 0.000000 -0.000562 -0.004458 -0.014817 -0.034374 -0.065287 -0.108998 -0.166106 -0.236297 -0.318310 -0.409945 -0.508126 -0.608998 -0.708075 -0.800418 -0.880843 -0.944151 -0.985370 N 1.000000 0.985933 0.948609 0.895660 0.834792 0.773362 0.717996 0.674231 0.646242 0.636620 0.646242 0.674231 0.717996 0.773362 0.834792 0.895660 0.948609 0.985933 1.000000 0.985933 0.948609 0.895660 0.834792 0.773362 0.717996 0.674231 0.646242 0.636620 0.646242 0.674231 0.717996 0.773362 0.834792 0.895660 0.948609 0.985933 Tabela 1: Tradicionalne koliˇ cine (P , Q, S = 1), integralni koliˇ cini (D, J) in izpeljana koliˇ cina (N ) za fazne kote ϕ. Koliˇ cine so normirane s faktorjem Um Im /2. Skicirane so na sliki 2. 3 P, Q, D, J, N [UmIm/2] 1 0.5 0 P=D+J Q D J N=|D|+|J| -0.5 -1 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 o ϕ[ ] Slika 2: Graf normiranih koliˇ cin, izpeljanih iz trenutne moˇ ci p(t) v odvisnosti od faznega kota med napetostjo in tokom ϕ. Vrednosti koliˇ cin so tabelirane v tabeli 1. 3.1 Izraz za D v obmoˇ cju ϕ ∈ [0, π] Velja 3.2 ϑ1 = ϑ+ 1 = ϑ2 = ϑ+ 2 = ϑ2 + ϑ1 + ϕ = ϑ2 − ϑ1 = D = π 2 3π −ϕ 2 2π π−ϕ i 1h (π − ϕ) cos ϕ − sin ϕ π Izraz za D v obmoˇ cju ϕ ∈ [π, 2π] Velja ϑ1 = ϑ+ 2 = ϑ2 = ϑ+ 1 = ϑ2 + ϑ1 + ϕ = ϑ2 − ϑ1 = D = 3π −ϕ 2 π 2 2π −(π − ϕ) i 1h (ϕ − π) cos ϕ + sin ϕ π 4 3.3 Izraz za J v obmoˇ cju ϕ ∈ [0, π] Velja 3.4 ϑ1 = ϑ+ 2 = ϑ2 = ϑ+ 1 = ϑ2 + ϑ1 + ϕ = ϑ2 − ϑ1 = J = π −ϕ 2 π 2 π ϕ i 1h ϕ cos ϕ + sin ϕ π Izraz za J v obmoˇ cju ϕ ∈ [π, 2π] Velja 3.5 4 ϑ1 = ϑ+ 2 = ϑ2 = ϑ+ 1 = ϑ2 + ϑ1 + ϕ = ϑ2 − ϑ1 = J = π 2 3π −ϕ 2 π − 2π − ϕ i 1h (2π − ϕ) cos ϕ − sin ϕ π Skrˇ ceni zapis izrazov za D in J D = J = h i 1 (π − ϕ) cos ϕ − sin ϕ ; ϕ ∈ [0, π] π h i 1 (ϕ − π) cos ϕ + sin ϕ ; ϕ ∈ [π, 2π] π h i 1 ϕ cos ϕ + sin ϕ ; ϕ ∈ [0, π] h π i 1 (2π − ϕ) cos ϕ − sin ϕ ; ϕ ∈ [π, 2π] π Kandidat za navidezno moˇ c: N = |D| + |J| Iz zadnjih izrazov lahko vidimo, da je pri kateremkoli faznem kotu ϕ izraz D+J enak povpreˇcni moˇci P = cos ϕ, torej D + J ≡ P = cos ϕ. Kako pa bi lahko vpeljali mero za navidezno moˇc? Funkciji D in J sta izraˇcunani z integralom, zato navidezno moˇc lahko sestavimo iz vsote njunih absolutnih vrednosti. Ker je D nenegativna, J pa nepozitivna, velja |D| + |J| = D − J: h i 1 (π − 2ϕ) cos ϕ − 2 sin ϕ ; ϕ ∈ [0, π] π h i N =D−J = 1 (2ϕ − 3π) cos ϕ + 2 sin ϕ ; ϕ ∈ [π, 2π] π Funkcija N = |D| + |J| je skicirana na sliki 2. 5 Razprava Velja P = D + J, torej je povpreˇcna moˇc vsota moˇci D, ki smo jo dobili kot ˇcasovno povpreˇcje pozitivnega dela trenutne moˇci, in moˇci J, ki je ˇcasovno povpreˇcje negativnega dela trenutne moˇci. Razlika D − J je seˇstevek vse energije, ki se pretaka na breme in iz bremena. Kaj ˇce bi torej raje ti dve, D in J, poimenovali delovna in jalova? Razlika med jalovo moˇcjo Q in jalovo moˇcjo J je nezanemarljiva: pri ϕ = π/2 je vrednost tradicionalne jalove moˇci 1 VAr, a izgub je le za 1/π ≈ 0.31831 W. Ne le, da W ni VAr, celo daleˇc je od tega, da bi bila sorazmerna. 5