Induktivnost
Induktivnost je svojstvo električnog kola koje se suprotstavlja svakoj promjeni električne struje. Otpor se suprotstavlja protoku struje, dok se induktivnost suprotstavljapromjeni struje. Znamo da proticanje struje kroz provodnik proizvodi magnetno polje. Količina struje određuje jačinu magnetnog polja; kako se struja povećava, jačina polja se povećava, kako se protok struje smanjuje, jačina polja se smanjuje, takođe. Svaka promjena struje uzrokuje odgovarajuću promjenu u magnetnom polju koje okružuje provodnik. Struja je konstantna za regulirani izvor istosmjerne struje, osim prilikom uključenja i isključenja, ili kada dođe do promjene opterećenja. Međutim, naizmjenična struja se stalno mijenja, a induktivnost se stalno suprotstavlja promjeni. Promjena magnetnog polja koje okružuje provodnik indukuje napon u vodiču. Ovaj samoinducirani napon se suprotstavlja promjeni struje, što je poznato kao kontra emf. Suprotstavljanje uzrokuje kašnjenje u vremenu potrebnom struji da postigne svoju novu stabilnu vrijednost. Ako se struja poveća, induktivnost pokušava da je zadrži. Ako se struja smanji, induktivnost pokušava da je zadrži, takođe. Induktivnost je nešto poput mehaničke inercije koja se mora savladati da bi se mehanički objekat pokrenuo ili zaustavio. Vozilu, na primjer, treba nekoliko trenutaka da ubrza do željene brzine ili uspori do zaustavljanja.
Svi provodnici imaju induktivnost, ali induktori su zavojnice žice namotane za određenu induktivnost. Za neke primjene, induktori su namotani oko metalnog jezgra kako bi se dodatno koncentrirala induktivnost. Induktivnost zavojnice određena je brojem zavoja u zavojnici, prečnikom i dužinom zavojnice i materijalom jezgre.
Jedinica za mjerenje induktivnosti je henri (oznaka h).
U čisto otpornom/omskom kolu, promjena struje se smatra trenutnom. Ako se koristi induktor, struja se ne mijenja tako brzo.
Napomena: Ranije smo se upoznali sa pojmovima: induktivitet/zavojnica, induktivna vremenska konstanta, kao i serijski i paralelno spojenim zavojnicama, i odgovarajućim formulama za izračunavanje ukupne induktivnosti u kolu..., tako da to sada ovdje nećemo ponavljati.
Kapacitivnost
Kapacitet je mjera sposobnosti kola da pohrani električni naboj. Uređaj proizveden da ima određenu količinu kapacitivnosti naziva se kondenzator. Kondenzator se sastoji od para provodljivih ploča odvojenih tankim slojem izolacionog materijala - dielektrični materijal. Kada se na ploče dovede napon, elektroni se prisiljavaju na jednu ploču. Ta ploča ima višak elektrona dok druga ploča ima manjak elektrona. Ploča s viškom elektrona je negativno nabijena, ploča s nedostatkom elektrona je pozitivno nabijena.
Jednosmjerna struja ne može teći kroz dielektrični materijal jer je on izolator; međutim, električno polje koje nastaje ovim putem osjeća se kroz dielektrik. Kapacitet kondenzatora ovisi o površini ploča, udaljenosti između ploča i vrsti korištenog dielektričnog materijala. Jedinica mjerenja kapacitivnosti je farad (oznaka F). Međutim, farad je velika jedinica i kapacitivnost kondenzatora se često izražava u mikrofaradima (µF) ili pikofaradima (pF).
U čisto otpornom/omskom kolu promjena napona je trenutna. U kolu s otpornikom i kondenzatorom u seriji, napon na kondenzatoru se ne mijenja tako brzo.
Napomena: Ranije smo se takođe upoznali sa pojmovima: kapacitet/kondenzator, kapacitivna vremenska konstanta, kao i serijski i paralelno spojenim kondenzatorima, i odgovarajućim formulama za izračunavanje ukupnog kapaciteta u kolu..., tako da to sada ovdje nećemo ponavljati.
Induktivna i kapacitivna reaktansa
U čisto otpornom AC kolu, otpor je jedina opozicija strujnom toku. U izmjeničnom kolu sa samo induktivitetom, kapacitetom ili i induktivitetom i kapacitetom, ali bez otpora, suprotstavljanje strujnom toku naziva se reaktansa, označena simbolom "X".
Potpuno suprotstavljanje strujnom toku u kolu izmjenične struje koji sadrži i reaktansu i otpor naziva se impedansa, označena simbolom "Z".
Induktivnost utiče na protok struje samo kada se struja mijenja. Induktivnost stvara samoinducirani napon (kontra emf) koji se suprotstavlja promjenama struje. U AC krugu struja se stalno mijenja. Induktivnost u strujnom krugu izmjenične struje, stoga, uzrokuje stalnu opoziciju. Ova suprotnost strujnom toku naziva se induktivna reaktansa i označena je simbolom "XL".
Induktivna reaktansa je proporcionalna i induktivnosti i primijenjenoj frekvenciji, XL = 2πfL.
U čisto otpornom krugu struja i napon rastu i padaju u isto vrijeme. Za njih se kaže da su "u fazi". U ovom krugu nema induktivnosti. Otpor i impedansa su isto. U čisto induktivnom krugu struja zaostaje za naponom za 90 stepeni. Kaže se da su struja i napon "van faze". U ovom krugu impedansa i induktivna reaktansa su iste. U krugu s otporom i induktivnom reaktansom, izmjenična struja će zaostajati za naponom za više od 0 stepeni i manje od 90 stepeni. Tačan iznos kašnjenja ovisit' će o relativnom iznosu otpora i induktivne reaktanse. Što je krug otporniji, to je bliži "u fazi". Što je krug reaktivniji, to je više "van faze".
Kada radimo s krugom koji sadrži elemente induktivnosti, kapacitivnosti i otpor, potrebno je izračunati impedansu. Budući da se električni koncepti bave trigonometrijskim funkcijama, ovo nije jednostavno pitanje oduzimanja i sabiranja. Formula za impedansu u krugu koji sadrži otpor i induktivnu reaktansu je Z = √(R2 + XL2).
Uobičajeni način predstavljanja vrijednosti izmjeničnog kruga je vektor. Vektor je grafički prikaz veličine koja ima smjer i magnitudu.
Kapacitet se takođe suprotstavlja protoku izmjenične struje. Kapacitivna reaktansa označena je simbolom XC. Što je veći kondenzator, to je manja kapacitivna reaktansa. Protok struje u kapacitivnom krugu izmjenične struje takođe ovisi o frekvenciji. Kapacitivnu reaktansu izračunavamo pomoću formule: XC = 1/(2πfC).
Fazni odnos između struje i napona je suprotan faznom odnosu induktivnog kruga. U čisto kapacitivnom krugu struja prednjači naponu za 90 stepeni. U krugu s otporom i kapacitivnom reaktansom, izmjenična struja će prednjačiti naponu za više od 0 stepeni i manje od 90 stepeni. Tačan iznos prednjačenja ovisit' će o relativnom iznosu otpora i kapacitivne reaktanse. Što je krug otporniji, to je bliži "u fazi". Što je krug reaktivniji, to je više "van faze".
Sljedeća formula se koristi za izračunavanje impedanse u krugu s otporom i kapacitivnom reaktansom: Z = √(R2 + XC2).
Gore smo već kazali da vrijednosti izmjeničnog kruga predstavljamo vektorima.
Napomena: Vidjeli smo ranije različite varijante strujnih krugova: R-L serijski krug, R-L paralelni krug, R-C serijski krug, R-C paralelni krug, kao i R-L-C serijski i paralelni krug, te smo uradili detaljnu analizu, tako da ih ovdje sada nećemo ponavljati, nego idemo dalje...
Snaga i faktor snage u AC kolu
Snaga koju troši otpornik raspršuje se u toplini i ne vraća se izvoru, što se naziva aktivna snaga jer je ona zapravo brzina kojom se energija koristi.
Struja u krugu izmjenične struje raste do vršnih vrijednosti i smanjuje se na nulu mnogo puta u sekundi. Energija pohranjena u magnetskom polju zavojnice, ili pločama kondenzatora, vraća se izvoru kada struja promijeni smjer.
Iako reaktivne komponente ne troše energiju, one povećavaju količinu energije koja se mora proizvesti za obavljanje iste količine rada. Brzina kojom se ta "ne-radna" energija mora generirati naziva se reaktivna snaga. Ako su napon i struja izvan faze za 90 stepeni, kao što bi bio slučaj u čisto kapacitivnom ili čisto induktivnom krugu, prosječna vrijednost aktivne snage jednaka je nuli. Postoje visoke pozitivne i negativne vršne vrijednosti snage, ali kada se saberu, rezultat je nula.
Snaga u krugu izmjenične struje je vektorski zbir stvarne/aktivne snage i jalove/reaktivne snage. To se zove prividna snaga. Aktivna snaga jednaka je prividnoj snazi u čisto otpornom krugu jer su napon i struja u fazi. Napon i struja su takođe u fazi u krugu koji sadrži jednake vrijednosti induktivne reaktanse i kapacitivne reaktanse. U većini sklopova, međutim, prividna snaga se sastoji od aktivne snage i reaktivne snage.
Formula za prividnu snagu je: PZ = EI [VA].
Aktivna snaga se računa prema formuli: P = EI cosΘ [W], Θ - fazni ugao
U čisto otpornom krugu struja i napon su u fazi. Između struje i napona postoji ugao od nula stepeni. Kosinus nule je jedan. Množenjem određene vrijednosti s jedan ne mijenja se data vrijednost. Stoga se u čisto otpornom krugu kosinus ugla zanemaruje.
U čisto reaktivnom krugu, bilo induktivnom ili kapacitivnom, struja i napon su 90 stepeni van faze. Kosinus od 90 stepeni je nula. Množenje vrijednosti s nulom rezultira nultim proizvodom. Stoga se u čisto reaktivnom krugu ne troši energija.
Faktor snage je omjer stvarne snage i prividne snage u krugu izmjenične struje.
PF = aktivna snaga/prividna snaga
PF = (EIcosΘ)/(EI) = cosΘ
U čisto otpornom krugu, gdje su struja i napon u fazi, ne postoji ugao pomaka između struje i napona. Kosinus ugla od nula stepeni je jedan. Faktor snage je jedan. To znači da svu energiju koju isporučuje izvor troši strujni krug i raspršuje u obliku topline.
U čisto reaktivnom krugu, napon i struja su međusobno udaljeni 90 stepeni. Kosinus ugla od 90 stepeni jednak je nuli. Faktor snage je nula. To znači da krug vraća svu energiju koju prima od izvora izvoru. Dakle, reaktivna snaga, bilo pri induktivnom ili pri kapacitivnom opterećenju, je energija koja beskonačno kruži strujnim krugom, PX = EI sinΘ [Var].
U krugu u kojem su reaktansa i otpor jednaki, napon i struja su pomaknuti za 45 stepeni. Kosinus ugla od 45 stepeni je 0.7071. Faktor snage je 0.7071. To znači da krug koristi približno 70% energije koju daje izvor i vraća približno 30%.
Transformatori
Transformatori su elektromagnetski uređaji koji međusobnom indukcijom prenose električnu energiju iz jednog strujnog kruga u drugi. Jednofazni transformator ima dvije zavojnice, primarnu i sekundarnu. Međusobna indukcija je prenos električne energije s primarne na sekundarnu putem magnetskih polja.
Krug s desne strane ilustrira međusobnu indukciju.
Generator izmjenične struje daje električnu energiju primarnom namotu. Magnetsko polje koje proizvodi primarni namot inducira napon u sekundarnoj zavojnici, koja opskrbljuje opterećenje napajanjem.
Transformatori se koriste za podizanje napona na višu ili spuštanje na nižu razinu. Da bismo razumjeli potrebu za povećanjem ili smanjenjem napona, razmislimo kako se električna energija stvara i distribuira...
Generatori koje koriste elektroprivredne kompanije obično stvaraju napone od 30 kV ili manje. Iako je riječ o relativno visokom naponu u usporedbi s naponima koje koriste kupci električne energije, efikasnije je ovu snagu prenositi na još višim naponima, čak do 765 kV. Električna energija dolazi na transformatore trafostanica udaljenim mnogo kilometara gdje se spušta na niže nivoe i distribuira lokalno. Kada stigne na lokaciju kupca, dodatno se spušta na razinu potrebnu ovisno o vrsti kupca. Čak i unutar objekta kupca, napon će se možda morati dodatno smanjiti kako bi se zadovoljili zahtjevi neke opreme. Ovaj proces povećanja ili smanjenja napona u cijelom sistemu distribucije energije najčešće se ostvaruje pomoću transformatora. Veličina i karakteristike transformatora se razlikuju, ali osnovni rad ovih uređaja je isti.