Puterea Electrica

Bine te-am găsit !
Spuneam într-unul din articolele trecute cum că un generator electric nu face decât să preia o anumită formă de energie (mecanică, chimică, termică etc.) şi să o transforme în energie electrică. În acelaşi timp, spuneam că un consumator electric preia energie electrică şi o transformă în alte forme de energie (căldura, lumină, lucru mecanic etc.). Din acestea putem trage concluzia că, în momentul funcţionării lor, absolut toate componentele electrice transformă energia pe care o primesc în una sau mai multe alte forme de energie. Pentru a putea înţelege şi profita cât mai mult de pe urma acestor fenomene este nevoie să ştim cu ce viteză se transformă energia dintr-o stare în alta. În cazul energiei electrice, viteza de transformare a energiei electrice în sau din altă formă de energie este numită putere electrică. Prin urmare, astăzi vom vorbi despre:
  • Ce este puterea electrică ?
  • Puterea electrică activă
  • Puterea electrică reactivă
  • Puterea electrică aparentă
  • Factorul de putere
Ce este puterea electrică ?
După cum am spus şi în introducere, puterea este mărimea care arată cât de rapid “curge” energia dintr-un loc în altul sau cât de rapid se transformă ea într-o altă formă de energie. În cazul energiei electrice, viteza cu care aceasta “curge” este proporţională atât cu tensiunea cât şi cu intensitatea curentului electric care o transportă. Aşadar, relaţia matematică a puterii electrice este:
P=U\cdot I
unde:
  • P – puterea electrică. Se exprimă în W (vaţi);
  • U – tensiunea electrică. Se exprimă în V (volţi);
  • I – intensitatea curentului electric. Se exprimă în A (amperi).
Nu ştiu tu, însă eu m-am obişnuit deja ca toate formulele simple să nu poată fi folosite direct în practică decât în destul de puţine cazuri. La fel stă treaba şi în cazul formulei puterii electrice: relaţia de mai sus este valabilă doar în cazul circuitelor formate din circuite pur rezistive (adică formate doar din rezistenţe electrice). De ce ? Mai băbeşte spus, rezistenţele electrice tranferă energie într-un singur sens (din energie electrică în căldură), în timp ce bobinele şi condensatorii se comportă ca nişte rezervoare de energie electrică: ele pot primi dar pot şi ceda energie electrică. Noi dorim să ştim doar puterea consumată de circuit însă relaţia de mai sus pune în aceeaşi oală atât puterea consumată cât şi cea cedată de circuit şi astfel ne poate da rezultate complet greşite.
Dacă ţinem cont şi de faptul că orice componentă electronică va avea mereu atât o capacitate cât şi o inductanţă parazită, rezultă că formula de mai sus este 100% corectă doar în cazul circuitelor electrice alimentate cu tensiune continuă constantă (adică atunci când efectele capacităţilor şi inductanţelor nu se pot produce). Totuşi, ultima afirmaţie nu trebuie să te sperie – în cazul în care este vorba de componente electronice de mici dimensiuni folosite în circuite electrice de joasă frecvenţă (să zicem sub câteva zeci de mii de herţi), efectul capacităţilor şi inductanţelor parazite este de multe ori complet neglijabil.
Puterea electrică activă
Este puterea reală consumată de un circuit. Într-un circuit în care avem rezistenţe, bobine şi condensatori, puterea electrică activă este consumată doar de rezistenţele electrice deoarece acestea nu pot stoca energie electrică (toată energia electrică pe care o primesc trebuie neapărat să se consume cumva, adică să se transforme în altă formă de energie – în cazul acesta în căldură).
Formula de calcul a puterii active este cea de mai sus. O rescriu în continuare împreună cu celelalte variante perfect echivalente:
P=U\cdot I
sau
P=I^2\cdot R
sau
P=\frac{U^2}{R}
unde:
  • P – puterea electrică actică. Se exprimă în W (vaţi);
  • U – tensiunea electrică. Se exprimă în V (volţi);
  • I – intensitatea curentului electric. Se exprimă în A (amperi);
  • R este rezistenţa electrică a circuitului. Se exprimă în Ω (ohmi).
Puterea electrică reactivă
Pe scurt, este puterea electrică plimbată de colo până colo de către bobinele şi condensatorii dintr-un circuit. Mai pe larg, putem privi bobinele şi condensatorii ca pe nişte oglinzi: primesc energie electrică însă mai devreme sau mai târziu o reflectă înapoi în circuit. Din acest motiv condensatoarelor şi bobinelor li se mai spun componente reactive – pentru că reacţionează la trecerea curentului electric folosind energia electrică acumulată anterior.
Într-un circuit în care avem rezistenţe, bobine şi condensatori, puterea electrică reactivă apare doar datorită prezenţei în circuit a bobinelor şi condensatorilor deoarece acestea sunt singurele componente care înmagazinează energia electrică primită, putând ulterior să o reintroducă în circuit. Ca să fim mai la obiect, uite cum se întâmplă:
  • energia electrică primită de o bobină se transformă în energie magnetică. Când tensiunea de la bornele bobinei tinde să devină constantă sau chiar să scadă, energia magnetică stocată în bobină se transformă din nou în energie electrică producând un curent electric de sens contrar celui care există iniţial prin bobină;
  • energia electrică primită de un condensator este folosită pentru a muta sarcini electrice de la o bornă la alta a condensatorului. Când tensiunea de la bornele condensatorului tinde să scadă, energia (s-o numim electrostatică) din condensator se transformă înapoi în energie electrică sub forma unui curent care are aceelaşi sens cu cel iniţial. Altfel spus, când tensiunea de a borne scade, condensatorul se descarcă şi bagă înapoi în circuit energia electrică pe care a primit-o mai devreme.
Formula de calcul a puterii electrice reactive este:
Q=I^2\cdot X
sau
Q=\frac{U^2}{X}
unde:
  • Q – putere electrică reactivă. Se exprimă în VAR (volt-amperi reactivi);
  • I – intensitatea curentului electric. Se exprimă în A (amperi);
  • U – tensiunea electrică. Se exprimă în V (volţi);
  • X – reactanţa electrică. Se exprimă în Ω (ohmi).
Ţi-am mai vorbit despre reactanţa electrică dar decât să te trimit unde am vorbit prima dată despre ea este mai eficient mai reiau aici şi acum câteva lucruri despre ea.
Reactanţa este pentru un condensator sau o bobină ceea ce este rezistenţa electrică pentru o, hmm, rezistenţă electrică :D. Altfel spus reactanţa arată cât de mult se opune un condensator sau o bobină la trecerea unui curent electric. Reactanţa poate fi inductivă (a bobinelor) sau capacitivă (a condensatoarelor) şi se măsoară la fel ca şi rezistenţa electrică, în ohmi [Ω]. Reactanţa este un fenomen care apare doar când tensiunea electrică din circuit este variabilă (de exemplu în curent alternativ).
Ecuaţia de calcul a reactanţei inductive este:
X_{L}=2\cdot \pi \cdot f\cdot L
Ecuaţia de calcul a reactanţei capacitive este:
X_{C}=\frac{1}{2\cdot \pi \cdot f\cdot C}
unde:
  • XL – reactanţa inductivă. Se exprimă în Ω (ohmi);
  • XC – reactanţa capacitivă. Se exprimă în Ω (ohmi);
  • f – frecvenţa curentului alternativ care circulă prin respectiva componentă. Se exprimă în Hz (herţi);
  • L – inductanţa bobinei sau inductanţa echivalentă (în cazul în care circuitul conţine mai multe bobine). Se exprimă în H (henry);
  • C – capacitatea condensatorului sau capacitatea echivalentă (în cazul în care circuitul conţine mai multe bobine). Se exprimă în F (farazi).
Acestea fiind zise, X din ecuaţia puterii reactive:
  • se înlocuieşte cu XL dacă în circuit avem doar bobine;
  • se înlocuieşte cu XC dacă în circuit avem doar condensatori.
Cunoaşterea şi înţelegerea puterii reactive este importantă deoarece prezenţa ei în circuit solicita suplimentar atât generatorul cât şi cablurile de alimentare ale circuitului. Prezenţa unei componente reactive într-un circuit electric este o sursă de şocuri: în loc ca energia electrică să circule lin prin circuit, ea este ba înfulecată cu lacomie ba scuipată cu furie de componentele reactive. Prin urmare, elementele circuitului trebuie construite mai solid, fapt ce implică preţuri de cost mai mari pentru componentele circuitului.
Puterea electrică aparentă
Este puterea care include atât puterea electrică activă cât şi cea reactivă. Relaţia de calcul este următoarea:
S=U\cdot I
sau
S=I^2\cdot Z
sau
S=\frac{U^2}{Z}
unde:
  • S – puterea electrică aparentă. Se exprimă în VA (volt-amperi);
  • U – tensiunea electrică. Se exprimă în V (volţi);
  • I – intensitatea curentului electric. Se exprimă în A (amperi);
  • Z – impedanţa electrică a circuitului. Pe scurt,  impedanţa electrică este suma dintre rezistenţa electrică echivalentă a circuitului, reactanţa capacitivă şi reactanţa inductivă. La fel ca şi componentele sale impedanţa electrică se exprimă în Ω (ohmi).
De ce i se spune “putere aparentă” ? Pai dacă îţi aduci aminte, la începutul articolului am spus că puterea electrică se calculează înmulţind tensiunea de la bornele unui circuit cu intensitatea curentului care circulă prin acesta. Dacă facem acest calcul pentru un circuit de curent alternativ care conţine componente reactive (bobine şi condensatori) vom obţine doar o putere aparentă deoarece valoarea ei poate fi foarte departe valoarea puterii active (reale) consumate de respectivul circuit.
Factorul de putere
Matematic vorbind, factorul de putere este raportul dintre puterea electrică activă şi cea aparentă. Fiind un raport între două mărimi de aceeaşi natură, rezultă că factorul de putere este o mărime adimensională. Poate lua valori între 0 şi 1:
  • valoarea 0 înseamnă că în circuit nu avem decât componente reactive, care nu consumă energie ci doar o plimbă de ici colo pe cea existentă în circuit, aşa cum am explicat mai sus;
  • valoarea 1 înseamnă că în circuit nu circulă decât putere activă.
La ce ne foloseşte factorul de putere ?
Ştii deja că atunci când avem circuite cu bobine şi condensatori pot exista diferenţe de fază între tensiunea şi intensitatea curentului electric. Mai ştii şi că bobinele induc un defazaj opus faţă de defazajul introdus de condensatori, ceea ce înseamnă că dacă reactanţele produse de cele două tipuri de componente sunt egale, ele se vor anula reciproc (acesta fiind cazul în care avem un factor de calitate egal cu 1). În practică este evident că această egalitate apare foarte rar de la sine fapt pentru care, daca nu intervenim în vreun fel, în circuitul respectiv intensitatea curentului va fi mai mult sau mai puţin defazată faţă de tensiune, ceea ce va provoca apariţia unor dezechilibre în circuit (curenţi de intensităţi mult mai mari decât este nevoie, reducerea puterii active disponibile etc.).
În concluzie, un factor de putere mai mic decât 1 conduce la pierderi. Aşa cum poate ai intuit deja din cele prezentate mai sus, factorul de putere poate fi corectat astfel încât valoarea acestuia să fie adusă foarte aproape de 1. Despre aceasta însă vom vorbi în articolele viitoare.

Niciun comentariu:

Trimiteți un comentariu

Abonați-vă la: Postări (Atom)