S = VI * / 2 มา


12

ฉันสงสัยว่าฉันจะหาที่มาของสูตรพลังงานที่ซับซ้อนได้อย่างไร S = VI * / 2 โดยที่ S, V และฉันเป็นเฟสเซอร์ที่ซับซ้อน

ฉันเคยเห็นการยืนยันทั้งหมดที่ผู้คนย่อยสิ่งต่าง ๆ ลงในสมการเพื่อแสดงว่ามันเกิดขึ้นกับการทำงาน

นี่คือสิ่งที่ฉันรู้เพื่อให้ห่างไกลถ้าV=VM∠ϕVและI=IM∠ϕIและS=VRMS⋅IRMS ,
แล้วVRMS=VM∠ϕV2และและ S = Vm∠ø_v * Im∠ø_i / 2S=VM∠ϕV⋅IM∠ϕฉันIRMS=IM∠ϕI2S=VM∠ϕV⋅IM∠ϕI2


1
คุณจะต้องกำหนด S, V, I และสิ่งที่ "* /" ควรจะหมายถึง
— Olin Lathrop

1
@OlinLathrop มันเป็น I * สำหรับคอนจูเกตที่ซับซ้อนของ I (ปัจจุบัน) และหารด้วยสองเนื่องจากพวกเขาเป็นทั้งคลื่นบาป (V และ I *) ดังนั้นพวกเขาทั้งสองจึงมีการแปลง RMS ของพวกเขา
— Kortuk

คำตอบ:


15

ให้Vกับฉันเป็นแรงดันและกระแสทันทีที่โหลด จากคำจำกัดความของพลังงานแรงดันและกระแสเรามีความสัมพันธ์กับกำลังไฟทันที:

p(t)=v(t)⋅i(t)

ซึ่งหมายความว่าพลังงานในทันทีที่กำหนดเท่ากับผลคูณของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าตรงกับทันทีนั้นt

ฉันจะสมมติว่าคุณคุ้นเคยกับความหมายของการเป็นตัวแทนเฟสเซอร์ เพียงเพื่อระบุว่าในไม่ช้า: phasor เป็นชวเลขทางคณิตศาสตร์สำหรับการแสดงไซนัสที่ความถี่ที่ไม่รู้จัก

ดังนั้นเป็นชวเลขสำหรับโวลต์( T ) = V M ⋅ คo s ( ω T + φ V ) ในทำนองเดียวกัน: ฉัน= ฉันM ∠ φ ฉันหมายความว่าฉัน( T ) = ฉันM ⋅ คo s ( ω T + φ ฉัน )V=VM∠ϕVv(t)=VM⋅cos(ωt+ϕV)I=IM∠ϕIi(t)=IM⋅cos(ωt+ϕI)

คูณสำหรับทุกทีทำให้เรามีรูปแบบของคลื่นของพลังงานทันทีสำหรับทุกๆที ทำงานกับการคูณนั้น:v(t)⋅i(t)tt

s(t)=v(t)⋅i(t)=VM⋅cos(ωt+ϕV)⋅IM⋅cos(ωt+ϕI)

ในฐานะที่เป็น, กับu=ωt+ϕVและv=ωt+ϕI, เราสามารถทำให้สมการข้างบนง่ายขึ้น:cos(u)⋅cos(v)=12⋅[cos(u−v)+cos(u+v)]u=ωt+ϕVv=ωt+ϕI

s(t)=v(t)⋅i(t)=VMIM2⋅[cos(ϕV−ϕI)+cos(2ωt+ϕV+ϕI)]

รูปแบบของคลื่นนี้ค่อนข้างน่าสนใจสำหรับตัวเอง: มันเป็นค่าคงที่ สรุปโดยไซน์VMIM2⋅cos(ϕV−ϕI)]VMIM2cos(2ωt+ϕV+ϕI)]

สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ากำลังไฟทันทีไม่คงที่ตามกาลเวลา

จากผลดังกล่าวเราจะเห็นได้ว่ากำลังเฉลี่ยเท่ากับองค์ประกอบที่ไม่แปรเปลี่ยนของ (มันค่อนข้างตรงไปตรงมาเพื่อพิสูจน์ว่าทางคณิตศาสตร์เราต้องแก้อินทิกรัลs(t))1T∫tt+Ts(t)dt

แรงบันดาลใจจากผลลัพธ์นี้และจากการตีความเชิงเรขาคณิตที่น่ารักของค่านั้นได้ถูกกำหนดให้เป็นพลังที่แท้จริงนั่นคือพลังที่ส่งไปยังโหลดจริง ตอนนี้คุณรู้แล้วว่าสิ่งนี้เรียกว่าพลังที่แท้จริงนั้นไม่ได้มีอะไรมากไปกว่ากำลังเฉลี่ยที่โหลดVIcos(ϕV−ϕI)

ดำน้ำในแนวคิดนี้เล็กน้อย (มันน่ากลัวที่ฉันวาดไม่ได้ที่นี่ แต่ฉันจะลอง):

ให้vเป็นเวกเตอร์ที่มีขนาด || v || และเฟสและฉันเป็นเวกเตอร์ที่มีขนาด || i || และเฟสϕ i หากคุณคูณ || i || โดยคo s ( φ วี - φ ฉัน )คุณมีการประมาณการของฉันกว่าโวลต์ บนมืออื่น ๆ| | ฉัน| | s i n ( ϕ v - ϕ i )ถูกกล่าวว่าเป็นองค์ประกอบของiในการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสกับvϕvϕicos(ϕv−ϕi)||i||sin(ϕv−ϕi).

ตอนนี้คุณสามารถเข้าใจว่าทำไมพลังงานเฉลี่ยมีการตีความทางเรขาคณิตที่ยอดเยี่ยม: พลังงานเฉลี่ยคือแรงดันไฟฟ้าคูณด้วยภาพของกระแสเหนือแรงดันบนพื้นที่เฟสเซอร์

สิ่งนี้กระตุ้นให้เกิดการสร้างพลังที่ซับซ้อนSเมื่อ:

S = P + jQ

ด้วยคำจำกัดความนี้ส่วนที่แท้จริงของเวกเตอร์คือค่าเฉลี่ยกำลังไฟฟ้าที่ส่งไปยังโหลดและส่วนที่ซับซ้อนคือกำลังที่บอกว่าอยู่ในพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสเรียกว่าพลังงานปฏิกิริยา (google สำหรับ Power Triangle เพื่อดูการตีความเชิงเรขาคณิตของผลลัพธ์นี้) .

ตกลงตอนนี้กลับไปที่คำจำกัดความเราจะเห็นว่าP =s(t)และQตามคำจำกัดความและเพื่อให้สอดคล้องกับคำจำกัดความของ S เท่ากับP=VMIM2⋅cos(ϕv−ϕi)QVMIM2⋅sin(ϕv−ϕi)

ดังนั้นตามที่เราต้องการพิสูจน์ที่จุดเริ่มต้น:

S=P+jQ=VMIM2⋅cos(ϕv−ϕi)+jVMIM2⋅sin(ϕv−ϕi)

S=VMผมM2⋅[คโอs(φโวลต์-φผม)+Jsผมn(φโวลต์-φผม)]

S=VM∠φV⋅ผมM∠-φผม2

S=V⋅ผม* * * *2

ดังนั้นไปที่นั่นสิ่งที่คุณต้องการเห็น;)

แก้ไข : การตีความทางกายภาพของ Q คืออะไร?

ฉันได้แสดงให้เห็นข้างต้นว่าการตีความทางกายภาพของส่วนที่แท้จริงของพลังเชิงซ้อนคือ P คือพลังเฉลี่ยที่ส่งไปยังโหลด แต่อะไรคือสิ่งที่ Q เราจะมองเห็นภาพได้อย่างไร มันขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่า cos และ sin เป็นแบบมุมฉากและหลักการของการซ้อนทับสามารถนำไปใช้กับพลังงานได้หากรูปคลื่นทั้งสองที่เกี่ยวข้องในการคำนวณนั้นเป็นมุมฉาก ลองเข้าสู่คณิตศาสตร์เพราะนั่นคือสิ่งที่สำคัญจริงๆ

การใช้ผลลัพธ์ที่ได้รับด้านบน: s(เสื้อ)=VMผมM2⋅[คโอs(φV-φผม)+คโอs(2ωเสื้อ+φV+φผม)]

  • กรณีแรก: โหลดตัวต้านทานอย่างหมดจดดังนั้นφV-φผม=0

    s(เสื้อ)=VMผมM2⋅[1+คโอs(2(ωเสื้อ+φV))]

    นั่นคือซายน์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ VMผมM2VMผมM

  • φV-φผม=π2

    s(เสื้อ)=VMผมM2⋅[0-คโอs(2(ωเสื้อ+φV)-π2)]

    s(เสื้อ)=VMผมM2⋅[sผมn(2(ωเสื้อ+φV))]

    นั่นคือรูปแบบของคลื่นกวัดแกว่งล้วนมีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 0 ขอเรียกผลนี้Q

  • φV-φผม=θ

    ในกรณีนี้ s (t) เป็นสมการทั่วไปที่เราพบในการสนทนาข้างต้น แต่เราสามารถเขียนซ้ำเพื่อใช้ประโยชน์จากสองกรณีก่อนหน้าดังนี้:

    θφV+φผม=φV-φV+φV+φผม=2φV-θs(เสื้อ)=VMผมM2⋅[คโอs(θ)+คโอs(2(ωเสื้อ+φV)-θ)]คโอs(x-Y)=คโอs(x)คโอs(Y)+sผมn(x)sผมn(Y)x=2(ωเสื้อ+φV)Y=θ

    s(เสื้อ)=VMผมM2⋅[คโอs(θ)+คโอs(θ)คโอs(2(ωเสื้อ+φV))+sผมn(θ)sผมn(2(ωเสื้อ+φV))]

    การจัดเรียงข้อกำหนดใหม่:

    s(เสื้อ)=คโอs(θ)⋅VMผมM2⋅[1+คโอs(2(ωเสื้อ+φV))]+sผมn(θ)⋅VMผมM2sผมn(2(ωเสื้อ+φV))

    การใช้ผลลัพธ์ของสองกรณีแรกข้างต้น:

    s(เสื้อ)=คโอs(θ)P+sผมn(θ)Q

    ผลลัพธ์ที่น่าอัศจรรย์ใช่มั้ย นั่นหมายความว่าอย่างไร?

    φV-φผม=θ

    s(เสื้อ)=VMคโอs(ωเสื้อ+φV)⋅ผมMคโอs(ωเสื้อ+φผม)

    ผม(เสื้อ)=ผมMคโอs(ωเสื้อ+φผม)ผม(เสื้อ)=K1คโอs(ωเสื้อ+φV)+K2sผมn(ωเสื้อ+φV)

    มาลองกัน:

    φผม=φV-θ ผม(เสื้อ)=ผมMคโอs(ωเสื้อ+φV-θ

    ωเสื้อ+φV=ยูθ=โวลต์

    ด้วยความสัมพันธ์:

    คโอs(ยู-โวลต์)=คโอs(ยู)คโอs(โวลต์)+sผมn(ยู)sผมn(โวลต์)

    เรามี:

    ผม(เสื้อ)=ผมMคโอs(θ)คโอs(ωเสื้อ+φV)+ผมMsผมn(θ)sผมn(ωเสื้อ+φV)

    สิ่งที่เราต้องการเพื่อเขียน i (t) เป็นผลรวมของสององค์ประกอบ: หนึ่งในเฟสด้วย v (t) และหนึ่งในการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสกับ v (t)!

    ตอนนี้ผลของกรณีที่ 3 ที่สามารถอธิบาย: ฉัน (t) สามารถย่อยสลายในสองส่วนดังแสดงข้างต้นและพลังงานที่สร้างขึ้นมาโดย i (t) มีค่าเท่ากับพลังงานที่สร้างขึ้นโดยหนึ่งในองค์ประกอบเหล่านี้ในแต่ละรายบุคคล โอ้โหเหมือนกับการวางซ้อน แต่สำหรับพลัง! ( โปรดจำไว้ว่านี่เป็นความจริงเท่านั้นและได้รับการพิสูจน์แล้วข้างต้นเพราะ cos และบาปเป็นฉากตั้ง )

    ดังนั้นQคือปริมาณพลังงานที่สร้างขึ้นโดยองค์ประกอบของ i (t) ที่อยู่ในรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสกับ v (t) มันสั่นอย่างหมดจดและไม่มีค่าเฉลี่ย

    Pคือปริมาณพลังงานที่สร้างขึ้นโดยส่วนประกอบของ i (t) ที่อยู่ในเฟสด้วย v (t) มันสั่น แต่มีค่าเฉลี่ยที่เท่ากับกำลังเฉลี่ยที่ส่งไปยังโหลด

    และพลังงานเชิงซ้อนS , พลังงานทั้งหมดนั้นคือผลรวมขององค์ประกอบทั้งสองนี้


  • -VMผมM2คโอs(2ωเสื้อ+φV+φผม)Q=||ผม||sผมn(φโวลต์-φผม)S=VMผมM2⋅[คโอs(φโวลต์-φผม)+Jsผมn(φโวลต์-φผม)]S=VM∠φV⋅ผมM∠-φผม2cos⁡(φโวลต์-φผม)

    อ๋อ คุณพูดถูกใช่มั้ย Q. พลังงานรีแอคทีฟถูกกำหนดในแง่ของความแตกต่างของเฟสระหว่างแรงดันและความตึงเครียดและเป็นค่าที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับคำจำกัดความของ S ในฐานะเฟสเซอร์ มันคือพลังงานที่จะถูกส่งโดยกระแสไฟฟ้าในรูปสี่เหลี่ยมกับแรงดันไฟฟ้า องค์ประกอบที่แตกต่างกันของเวลาไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาเนื่องจากในแง่นี้สิ่งที่สำคัญจริงๆคือกำลังเฉลี่ยที่โหลด ส่วน EXISTS ที่แตกต่างกันมีอยู่จริง (เช่นดูหลอดไส้) แต่เมื่อเวลาผ่านไปพลังงานจะเกี่ยวข้องเฉพาะกับส่วนคงที่ของ s (t) ;)
    — Castilho

    โอเคส่วนที่แตกต่างนี้มีชื่อพิเศษหรือไม่ อย่างไรก็ตามถ้าฉันเข้าใจอย่างถูกต้องปริมาณของฉันในทิศทางของ V คือพลังที่แท้จริงและปริมาณของฉันที่ตั้งฉากกับ V คือพลังที่ซับซ้อน
    — user968243

    เกือบนั้นปริมาณของฉันในทิศทางของ V คูณด้วย V คือพลังที่แท้จริง P จำนวนของฉันที่ตั้งฉากกับ V คูณด้วย V คือพลังปฏิกิริยา Q, P + jQ คือพลังงานที่ซับซ้อนหรือพลังที่ชัดเจน;)
    — Castilho

    ตกลงนั่นเหมาะสมแล้ว! ที่จริงแล้วในความคิดเห็นก่อนหน้าของฉันฉันถามว่าชื่อนี้คืออะไร: −VMIM2cos (2ωt + ϕV + ϕ ฉัน) ฉันคิดว่ามันเป็นพลังปฏิกิริยา ... ขอบคุณสำหรับตัวแทนของคุณโดยวิธีฉันขอบคุณ!
    — user968243
    โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
    Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.