Bagaimana cara menghitung faktor daya load bank?

Teman-teman yang sering terkena pengujian beban tiruan tahu bahwa sirkuit AC mengandung istilah seperti resistansi, kapasitansi atau resistansi, induktansi (daya aktif dan daya reaktif). Jadi agar kita dapat menghitung total daya yang dikonsumsi, kita perlu mengetahui perbedaan fase antara bentuk gelombang sinusoidal tegangan dan arus.

Dalam sirkuit AC, bentuk gelombang tegangan dan arus adalah gelombang sinus, sehingga amplitudonya berubah seiring waktu. Karena kita tahu bahwa daya adalah arus waktu tegangan (P = V*I) , daya maksimum terjadi ketika dua bentuk gelombang tegangan dan arus sejajar satu sama lain. Artinya, puncak dan penyeberangan nol mereka terjadi pada saat yang bersamaan. Ketika ini terjadi, kedua bentuk gelombang tersebut dikatakan "dalam fase".

Dengan mendefinisikan impedansi total rangkaian, tiga elemen utama dalam rangkaian AC yang dapat mempengaruhi hubungan antara bentuk gelombang tegangan dan arus dan perbedaan fasenya adalah resistor, kapasitor, dan induktor.

Impedansi (Z) dari rangkaian AC setara dengan resistansi yang dihitung dalam rangkaian DC, dan impedansi diukur dalam ohm. Untuk sirkuit AC, impedansi biasanya didefinisikan sebagai rasio fasor tegangan terhadap fasor arus yang dihasilkan oleh elemen rangkaian. Fasor adalah garis lurus yang ditarik sedemikian rupa sehingga besarnya tegangan atau arus diwakili oleh panjangnya, dan perbedaan fasenya relatif terhadap garis fasor lainnya diwakili oleh posisi sudutnya relatif terhadap garis fasor lainnya.

Sirkuit AC mengandung resistansi dan reaktansi yang bergabung untuk memberikan impedansi total (Z) yang membatasi aliran arus di sekitar sirkuit . Tetapi impedansi sirkuit AC tidak sama dengan jumlah aljabar dari nilai ohmik resistansi dan reaktansi, karena resistansi murni dan reaktansi murni adalah 90o keluar dari fase satu sama lain . Tetapi kita dapat menggunakan perbedaan fase 90o ini sebagai sisi segitiga siku-siku, yang disebut segitiga impedansi, di mana impedansi adalah sisi miring yang ditentukan oleh teorema Pythagoras.

Hubungan geometris antara resistansi, reaktansi, dan impedansi ini dapat direpresentasikan secara visual dengan menggunakan segitiga impedansi seperti yang ditunjukkan.

Perhatikan bahwa impedansi adalah jumlah vektor resistansi dan reaktansi, dan tidak hanya memiliki besaran (Z) , tetapi juga sudut fase ( Φ ) , yang mewakili perbedaan fase antara resistansi dan reaktansi. Perhatikan juga bahwa ketika frekuensi berubah, segitiga berubah bentuk karena perubahan reaktansi (X) . Tentu saja, resistensi (R) akan selalu tetap sama.

Kita dapat mengambil ide ini selangkah lebih maju dengan mengubah segitiga impedansi menjadi segitiga daya yang mewakili tiga elemen daya dalam rangkaian AC. Hukum Ohm memberi tahu kita bahwa dalam rangkaian DC, daya (P) dalam watt sama dengan kuadrat arus (I 2 ) kali resistansi (R) . Jadi kita dapat mengalikan tiga sisi segitiga impedansi di atas dengan I 2 untuk mendapatkan segitiga kekuatan yang sesuai sebagai:

Daya Aktif P = I 2 R Watt, (W)

Daya reaktif Q = I 2 X volt-ampere reaktif, (VAr)

Daya nyata S = I 2 Z volt- ampere, (VA)

daya nyata dalam rangkaian AC

Daya Aktif (P) , juga dikenal sebagai Daya Aktif atau Daya Aktif, melakukan "pekerjaan nyata" di sirkuit. Daya nyata (dalam watt) mendefinisikan daya yang dihamburkan oleh bagian resistif dari rangkaian. Kemudian daya aktual (P) dalam rangkaian AC sama dengan daya P di sirkuit DC. Jadi seperti rangkaian DC, selalu dihitung sebagai I 2 *R , di mana R adalah komponen resistif total dari rangkaian tersebut.

Karena resistansi tidak menciptakan perbedaan fasor (pergeseran fase) antara bentuk gelombang tegangan dan arus, semua daya yang berguna ditransfer langsung ke resistansi dan diubah menjadi panas, cahaya, dan pekerjaan. Maka kekuatan yang dihamburkan oleh resistor adalah kekuatan nyata, pada dasarnya daya rata-rata sirkuit.

Untuk menemukan nilai daya aktif yang sesuai, nilai tegangan dan arus rms dikalikan dengan kosinus sudut fase.

Daya Aktif P = I 2 R = V * I * cos ( Φ ) Watt, (W)

Tetapi karena mereka tidak memiliki perbedaan fase antara tegangan dan arus dalam rangkaian resistif, pergeseran fase antara dua bentuk gelombang akan menjadi nol (0) . Kemudian:

Daya aktual (P) dalam watt, tegangan (V) dalam rms volt, dan arus (I) dalam ampli rms.

Daya sebenarnya adalah elemen resistif I2 * R yang diukur dalam watt , yang Anda baca pada meteran utilitas Anda dalam watt (W) , kilowatt (kW), dan megawatt (MW) . Perhatikan bahwa kekuatan nyata P selalu positif.

Daya reaktif di sirkuit AC

Daya reaktif (Q) , (kadang-kadang disebut daya reaktif) adalah daya yang dihamburkan dalam rangkaian AC yang tidak melakukan pekerjaan yang berguna tetapi memiliki efek besar pada pergeseran fase antara bentuk gelombang tegangan dan arus. Daya reaktif terkait dengan reaktansi yang diciptakan oleh induktor dan kapasitor, yang dapat menangkal efek daya aktif. Tidak ada daya reaktif di sirkuit DC.

Tidak seperti daya aktif (P) , yang melakukan semua pekerjaan, daya reaktif (Q) mengambil daya dari sirkuit karena penciptaan dan pengurangan medan magnet yang diinduksi dan medan elektrostatik kapasitif, sehingga lebih sulit untuk memasok daya aktif langsung ke sirkuit atau beban .

Daya yang disimpan oleh induktor dalam medan magnetnya mencoba untuk mengontrol aliran arus, sementara daya yang disimpan oleh medan elektrostatik kapasitor mencoba untuk mengontrol tegangan. Hasilnya adalah kapasitor "menghasilkan" daya reaktif dan induktor "mengkonsumsi" daya reaktif. Ini berarti bahwa mereka berdua mengkonsumsi daya dan mengembalikan daya ke sumbernya, sehingga mereka tidak mengkonsumsi daya nyata.

Untuk menemukan daya reaktif, nilai rms tegangan dan arus dikalikan dengan sinus sudut fase.

Daya reaktif Q = I 2 X = V*I*sin( Φ ) volt-ampere reaktif, (VAr's)

Karena ada perbedaan fase 90o antara bentuk gelombang tegangan dan arus dalam reaktansi murni (induktif atau kapasitif), mengalikan V*I dengan sin( Φ) menghasilkan komponen vertikal yang 90 keluar dari fase dengan setiap reaktansi oOther , jadi:

di mana daya reaktif (Q) berada dalam volt-ampere reaktif, tegangan (V) dalam rms volt, dan arus (I) dalam rms ampere.

Kemudian daya reaktif mewakili produk volt dan ampere, 90 derajat keluar dari fase satu sama lain , tetapi secara umum, mungkin ada sudut fase Φ antara tegangan dan arus.

Oleh karena itu, daya reaktif adalah elemen reaktif I 2 X, dan unitnya adalah volt-ampere reaktif (VAr) , kilovolt-ampere reaktif (kVAr), dan megavolt-ampere reaktif (MVAr) .

Daya Nyata di Sirkuit AC

Kita telah melihat di atas bahwa daya aktif dihamburkan oleh resistansi dan daya reaktif disuplai ke reaktansi. Oleh karena itu, bentuk gelombang arus dan tegangan tidak dalam fase karena perbedaan antara komponen resistif sirkuit dan reaktif.

Kemudian ada hubungan matematis antara daya aktif ( P ) dan daya reaktif ( Q ), yang disebut daya kompleks. Produk dari tegangan rms V yang diterapkan pada rangkaian AC dan arus rms yang saya alirkan ke rangkaian itu disebut "produk volt-ampere" ( VA ), simbol S , dan besarnya sering disebut sebagai daya nyata.

Daya kompleks ini tidak sama dengan jumlah aljabar dari kekuatan aktif dan reaktif yang ditambahkan bersama-sama, melainkan jumlah vektor P dan Q yang diberikan dalam volt- ampere (VA) . Ini adalah kekuatan kompleks yang diwakili oleh segitiga kekuatan. Nilai rms dari produk volt-ampere sering disebut sebagai daya nyata, karena "jelas" ini adalah daya total yang dihamburkan oleh sirkuit, meskipun daya sebenarnya yang melakukan pekerjaan jauh lebih sedikit.

Karena daya nyata terdiri dari dua komponen, daya resistif adalah daya dalam fase atau daya aktif dalam watt, dan daya reaktif adalah daya di luar fase dalam volt-ampere, kita dapat menunjukkan jumlah vektor dari kedua komponen daya ini dalam hal bentuk segitiga daya muncul. Segitiga daya memiliki empat bagian: P , Q , S dan θ.

Tiga elemen yang membentuk sumber daya dalam rangkaian AC dapat direpresentasikan secara grafis oleh tiga sisi segitiga siku-siku, kira-kira sama dengan segitiga impedansi di atas. Seperti yang ditunjukkan, sisi horizontal (berdekatan) dari segitiga daya daya mewakili daya aktif rangkaian ( P ), sisi vertikal (berlawanan) mewakili daya reaktif sirkuit ( Q ), dan sisi miring mewakili daya nyata yang dihasilkan ( S ).

P adalah I 2 * R atau daya nyata untuk melakukan pekerjaan, dalam watt, W

Q adalah I 2 *X atau daya reaktif dalam volt-ampere reaktif, VAr

S adalah I2 * Z atau kekuatan nyata dalam VA, VA

Φ adalah sudut fase dalam derajat. Semakin besar sudut fase, semakin besar daya reaktif

Cos( Φ ) = P/S = W/VA = faktor daya, pf

Dosa( Φ ) = Q/S = VAr/VA

Tan( Φ ) = Q/P = VAr/W

Faktor daya dihitung sebagai rasio kekuatan nyata terhadap kekuatan nyata, karena rasio ini sama dengan cos( Φ ) .

Faktor daya cos (Φ) adalah bagian penting dari rangkaian AC, dan juga dapat diekspresikan oleh impedansi sirkuit atau daya sirkuit. Faktor daya didefinisikan sebagai rasio daya nyata (P) terhadap daya nyata (S) , biasanya dinyatakan sebagai nilai desimal seperti 0, 95 , atau sebagai persentase: 95% .

Faktor daya mendefinisikan sudut fase antara bentuk gelombang arus dan tegangan, di mana I dan V adalah besarnya nilai rms dari arus dan tegangan . Perhatikan bahwa tidak masalah apakah sudut fase adalah perbedaan antara arus dan tegangan atau apakah sudut fase adalah perbedaan antara tegangan dan arus. Hubungan matematis adalah sebagai berikut:

Kami mengatakan sebelumnya bahwa dalam rangkaian resistif murni, bentuk gelombang arus dan tegangan berada dalam fase satu sama lain, jadi ketika perbedaan fase adalah nol (0 o), daya aktual yang dihamburkan sama dengan daya nyata. Jadi faktor dayanya adalah:

Faktor daya, pf = cos 0o = 1,0

Artinya, watt yang dikonsumsi sama dengan volt-amp yang dikonsumsi, menghasilkan faktor daya 1,0 atau 100% . Dalam hal ini disebut faktor kekuatan persatuan.

Kami juga mengatakan di atas bahwa dalam rangkaian reaktif murni, bentuk gelombang arus dan tegangan adalah 90o keluar dari fase satu sama lain . Karena perbedaan fase adalah sembilan puluh derajat (90 o ), faktor dayanya adalah:

Faktor daya, pf = cos 90 o = 0

Artinya, watt yang dikonsumsi adalah nol, tetapi masih ada tegangan dan arus yang memasok beban reaktif. Jelas, mengurangi komponen VAr reaktif dari segitiga daya akan mengakibatkan penurunan θ, sehingga meningkatkan faktor daya menjadi 1 , yaitu kesatuan. Juga diinginkan untuk memiliki faktor daya yang tinggi, karena ini membuat penggunaan arus pembawa sirkuit yang paling efisien ke beban.

Kita kemudian dapat menulis hubungan antara daya aktif, daya nyata, dan faktor daya rangkaian sebagai:

Rangkaian induktif yang arusnya "tertinggal" tegangan (ELI) dikatakan memiliki faktor daya yang tertinggal, sedangkan rangkaian kapasitif yang arusnya "mengarah" tegangan (ICE) dikatakan memiliki faktor daya utama.

Kumparan luka kawat dengan induktansi 180mH dan resistansi 35Ω terhubung ke catu daya 100V 50Hz. Hitung: a) impedansi kumparan, b) arus, c) faktor daya, dan d) daya nyata menghilang.

Gambar juga segitiga daya yang dihasilkan untuk kumparan di atas.

Data yang diberikan: R = 35 Ω, L = 180mH , V = 100V dan ƒ = 50Hz .

Pada faktor daya 0, 5263 atau 52, 63%, koil membutuhkan daya 150 VA untuk menghasilkan 79 watt pekerjaan yang bermanfaat. Dengan kata lain, pada faktor daya 52, 63%, koil membutuhkan 89% lebih banyak arus untuk melakukan pekerjaan yang sama, yang merupakan banyak arus yang terbuang percuma.

Menambahkan kapasitor koreksi faktor daya ( 32,3uF dalam hal ini ) di seluruh kumparan untuk meningkatkan faktor daya di atas 0,95 atau 95% akan sangat mengurangi daya reaktif yang dikonsumsi oleh kumparan karena kapasitor ini bertindak sebagai mesin pembangkit arus reaktif, sehingga mengurangi jumlah total arus yang dikonsumsi.

Ringkasan Segitiga Daya dan Faktor Daya

Kita telah melihat di sini bahwa tiga elemen daya listrik dalam rangkaian AC, yaitu daya aktif, daya reaktif dan daya nyata, dapat diwakili oleh tiga sisi segitiga yang disebut segitiga. Karena ketiga elemen ini diwakili oleh "segitiga siku-siku", hubungannya dapat didefinisikan sebagai: S 2 = P 2 + Q 2 , di mana: P adalah daya aktif dalam watt (W ) dan Q adalah daya aktif dalam watt (W) Daya reaktif dalam volt-ampere reaktif (VAr), S adalah daya nyata dalam volt- ampere (VA) .

Kami juga melihat bahwa dalam rangkaian AC, kuantitas cos (Φ) disebut faktor daya. Faktor daya dari rangkaian AC didefinisikan sebagai rasio daya aktif (W) yang dikonsumsi oleh sirkuit terhadap daya nyata (VA) yang dikonsumsi oleh sirkuit yang sama . Jadi ini memberi kita: Faktor Daya = Kekuatan Nyata / Daya Nyata, atau pf = W /VA .

Kemudian kosinus dari sudut yang dihasilkan antara arus dan tegangan adalah faktor daya. Biasanya faktor daya dinyatakan sebagai persentase, seperti 95% , tetapi juga dapat dinyatakan sebagai nilai desimal, seperti 0, 95 .

Ketika faktor daya sama dengan 1, 0 (unit) atau 100% , yaitu ketika daya aktual yang dihamburkan sama dengan daya nyata rangkaian, sudut fase antara arus dan tegangan adalah 0 o , karena: cos -1 (1,0) = 0 o . Ketika faktor daya adalah nol (0) , sudut fase antara arus dan tegangan akan menjadi 90 derajat karena: cos -1 ( 0 ) = 90 derajat . Dalam hal ini, daya aktual yang dihamburkan oleh sirkuit AC adalah nol, terlepas dari arus sirkuit.

Dalam sirkuit AC nyata, faktor daya dapat antara 0 dan 1,0 , tergantung pada komponen pasif dalam beban yang terhubung. Untuk beban atau sirkuit resistif (kasus yang paling umum), faktor daya akan "tertinggal". Dalam sirkuit kapasitif-resistif, faktor daya akan "memimpin". Sirkuit AC kemudian dapat didefinisikan sebagai memiliki faktor daya kesatuan, tertinggal, atau terdepan.

Faktor daya yang buruk dengan nilai mendekati nol (0) akan menghilangkan daya yang terbuang dan dengan demikian mengurangi efisiensi sirkuit, sementara sirkuit atau beban dengan faktor daya mendekati satu (1,0) atau kesatuan (100%) akan lebih efisien. Ini karena sirkuit atau beban dengan faktor daya rendah membutuhkan lebih banyak arus daripada sirkuit atau beban yang sama dengan faktor daya mendekati 1,0 (unit).