एसी पावर

This article is about power in AC systems. For information on utility-supplied AC power, see Mains electricity.

File:City lights in motion.jpg

इस गति-धुंधले लंबे प्रदर्शन में गैर-गरमदीप शहर की रोशनी का टिमटिमाना दिखाया गया है। चलती रोशनी के निशानों की धराशायी उपस्थिति से मुख्य शक्ति की एसी प्रकृति का पता चलता है।

एक विद्युत परिपथ में, तात्कालिक शक्ति परिपथ के एक दिए गए बिंदु से ऊर्जा के प्रवाह की समय दर है। प्रत्यावर्ती धारा परिपथों में, ऊर्जा भंडारण तत्व जैसे प्रेरक और संधारित्र, ऊर्जा प्रवाह की दिशा के आवधिक उत्क्रमण में परिणत हो सकते हैं। इसका SI मात्रक वाट है।

तात्कालिक शक्ति का वह भाग, जो एसी तरंग के एक पूर्ण चक्र पर औसत होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक दिशा में ऊर्जा का शुद्ध हस्तांतरण होता है, तात्कालिक सक्रिय शक्ति के रूप में जाना जाता है, और इसका समय औसत सक्रिय शक्ति या वास्तविक शक्ति के रूप में जाना जाता है। तात्क्षणिक शक्ति का वह भाग जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा का कोई शुद्ध हस्तांतरण नहीं होता है, बल्कि संग्रहीत ऊर्जा के कारण प्रत्येक चक्र में स्रोत और भार के बीच दोलन होता है, तात्कालिक प्रतिक्रियाशील शक्ति के रूप में जाना जाता है, और इसका आयाम प्रतिक्रियाशील शक्ति का निरपेक्ष मान है। यदि भार पूरी तरह प्रतिरोधी है, तो दो मात्राएं एक ही समय में अपनी ध्रुवीयता को उलट देती हैं। हर पल वोल्टेज और करंट का गुणनफल धनात्मक या शून्य होता है, जिसका परिणाम यह होता है कि ऊर्जा प्रवाह की दिशा उलटी नहीं होती है। इस मामले में, केवल सक्रिय शक्ति स्थानांतरित की जाती है।

अगर लोड विशुद्ध रूप से इलेक्ट्रिकल रिएक्शन है, तो वोल्टेज और करंट 90 डिग्री फेज से बाहर हैं। प्रत्येक चक्र के दो तिमाहियों के लिए, वोल्टेज और करंट का गुणनफल धनात्मक होता है, लेकिन अन्य दो तिमाहियों के लिए, उत्पाद ऋणात्मक होता है, जो यह दर्शाता है कि औसतन उतनी ही ऊर्जा भार में प्रवाहित होती है जितनी कि वापस बाहर प्रवाहित होती है। प्रत्येक आधे चक्र में कोई शुद्ध ऊर्जा प्रवाह नहीं होता है। इस मामले में, केवल प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाहित होती है: भार में ऊर्जा का कोई शुद्ध हस्तांतरण नहीं होता है; हालाँकि, विद्युत शक्ति तारों के साथ प्रवाहित होती है और उसी तारों के साथ विपरीत दिशा में प्रवाहित होकर लौटती है। इस प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाह के लिए आवश्यक धारा लाइन प्रतिरोध में ऊर्जा का प्रसार करती है, भले ही आदर्श लोड डिवाइस स्वयं ऊर्जा का उपभोग न करे। व्यावहारिक भार में प्रतिरोध के साथ-साथ अधिष्ठापन, या धारिता भी होती है, इसलिए सक्रिय और प्रतिक्रियाशील दोनों शक्तियाँ सामान्य भार में प्रवाहित होंगी।

आभासी शक्ति वोल्टेज और करंट के मूल-माध्य-वर्ग मानों का गुणनफल है। पावर सिस्टम को डिजाइन और संचालित करते समय स्पष्ट शक्ति को ध्यान में रखा जाता है, क्योंकि हालांकि प्रतिक्रियाशील शक्ति से जुड़ा करंट लोड पर काम नहीं करता है, फिर भी इसे पावर स्रोत द्वारा आपूर्ति की जानी चाहिए। कंडक्टर, ट्रांसफॉर्मर और जनरेटर को कुल करंट को ले जाने के लिए आकार देना चाहिए, न कि केवल उस करंट को जो उपयोगी कार्य करता है। विद्युत ग्रिडों में पर्याप्त प्रतिक्रियाशील शक्ति की आपूर्ति प्रदान करने में विफलता से वोल्टेज का स्तर कम हो सकता है और, कुछ परिचालन स्थितियों के तहत, नेटवर्क या बिजली चली गयी का पूर्ण पतन हो सकता है। एक अन्य परिणाम यह है कि दो भारों के लिए स्पष्ट शक्ति जोड़ने से कुल शक्ति तब तक सही नहीं होगी जब तक कि उनके पास वर्तमान और वोल्टेज (समान शक्ति कारक) के बीच समान चरण अंतर न हो।

परंपरागत रूप से, कैपेसिटर के साथ ऐसा व्यवहार किया जाता है जैसे कि वे प्रतिक्रियाशील शक्ति उत्पन्न करते हैं, और इंडिकेटर्स के साथ ऐसा व्यवहार किया जाता है जैसे कि वे इसका उपभोग करते हैं। यदि एक संधारित्र और एक प्रारंभ करनेवाला को समानांतर में रखा जाता है, तो संधारित्र और प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से बहने वाली धाराएँ जोड़ने के बजाय रद्द हो जाती हैं। विद्युत शक्ति संचरण में शक्ति कारक को नियंत्रित करने के लिए यह मूलभूत तंत्र है; कैपेसिटर (या इंडक्टर्स) लोड द्वारा 'खपत' ('जेनरेट') की प्रतिक्रियाशील शक्ति के लिए आंशिक रूप से क्षतिपूर्ति करने के लिए सर्किट में डाले जाते हैं। विशुद्ध रूप से कैपेसिटिव सर्किट वर्तमान तरंग के साथ प्रतिक्रियाशील शक्ति की आपूर्ति करते हैं जो वोल्टेज तरंग को 90 डिग्री तक ले जाते हैं, जबकि विशुद्ध रूप से आगमनात्मक सर्किट वर्तमान तरंग के साथ प्रतिक्रियाशील शक्ति को अवशोषित करते हैं जो वोल्टेज तरंग को 90 डिग्री से पीछे कर देते हैं। इसका परिणाम यह होता है कि कैपेसिटिव और इंडक्टिव सर्किट तत्व एक दूसरे को रद्द कर देते हैं। रेफरी>"सिस्टम के लिए प्रतिक्रियाशील शक्ति का महत्व". 21 March 2011. Archived from the original on 2015-05-12. Retrieved 2015-04-29.</रेफरी>

File:Cmplxpower.svg

शक्ति त्रिकोण
जटिल शक्ति सक्रिय और प्रतिक्रियाशील शक्ति का सदिश योग है। स्पष्ट शक्ति जटिल शक्ति का परिमाण है।
  सक्रिय शक्ति, P
  प्रतिक्रियाशील शक्ति, Q
  जटिल शक्ति, S'
  स्पष्ट शक्ति, |S|
  'वर्तमान के सापेक्ष वोल्टेज का चरण', $\varphi$

एक सिस्टम में ऊर्जा प्रवाह का वर्णन करने के लिए इंजीनियर निम्नलिखित शब्दों का उपयोग करते हैं (और उनमें से प्रत्येक को उनके बीच अंतर करने के लिए एक अलग इकाई असाइन करते हैं):

• सक्रिय शक्ति, पी, या 'वास्तविक शक्ति': वाट (डब्ल्यू);
• प्रतिक्रियाशील शक्ति, Q: वोल्ट-एम्पीयर प्रतिक्रियाशील (वार);
• कॉम्प्लेक्स पावर, S: वोल्ट-एम्पीयर (VA);
• स्पष्ट शक्ति, |S|: जटिल शक्ति S का परिमाण (वेक्टर): वोल्ट-एम्पीयर (VA);
• करंट के सापेक्ष वोल्टेज का चरण, φ: करंट और वोल्टेज के बीच अंतर का कोण (डिग्री में); $\varphi =\arg(V)-\arg(I)$. करंट लैगिंग वोल्टेज (क्वाड्रंट (प्लेन ज्योमेट्री) I वेक्टर), करंट लीडिंग वोल्टेज (क्वाड्रेंट IV वेक्टर)।

इन सभी को आसन्न आरेख (जिसे शक्ति त्रिकोण कहा जाता है) में दर्शाया गया है।

आरेख में, पी सक्रिय शक्ति है, क्यू प्रतिक्रियाशील शक्ति है (इस मामले में सकारात्मक), एस जटिल शक्ति है और एस की लंबाई स्पष्ट शक्ति है। प्रतिक्रियाशील शक्ति कोई कार्य नहीं करती है, इसलिए इसे वेक्टर आरेख के 'काल्पनिक अक्ष' के रूप में दर्शाया जाता है। सक्रिय शक्ति काम करती है, इसलिए वह वास्तविक धुरी है।

शक्ति की इकाई वाट (प्रतीक: डब्ल्यू) है। स्पष्ट शक्ति अक्सर वोल्ट-एम्पीयर (VA) में व्यक्त की जाती है क्योंकि यह रूट माध्य वर्ग वोल्टेज और RMS विद्युत प्रवाह का उत्पाद है। प्रतिक्रियाशील शक्ति की इकाई var है, जो वोल्ट-एम्पीयर प्रतिक्रियाशील के लिए है। चूंकि प्रतिक्रियाशील शक्ति भार में कोई शुद्ध ऊर्जा स्थानांतरित नहीं करती है, इसलिए इसे कभी-कभी वाट रहित शक्ति कहा जाता है। हालांकि, यह विद्युत ग्रिड में एक महत्वपूर्ण कार्य करता है और इसकी कमी को 2003 के पूर्वोत्तर ब्लैकआउट में एक महत्वपूर्ण कारक के रूप में उद्धृत किया गया है। इन तीन राशियों के बीच संबंध को समझना पावर इंजीनियरिंग को समझने के केंद्र में है। उनके बीच गणितीय संबंध को वैक्टर द्वारा दर्शाया जा सकता है या जटिल संख्याओं, S = P + j Q (जहाँ j काल्पनिक इकाई है) का उपयोग करके व्यक्त किया जा सकता है।

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एसी सिस्टम में तात्कालिक शक्ति जब करंट वोल्टेज से 50 डिग्री पीछे हो जाता है।

== साइनसोइडल स्थिर-अवस्था == में गणना और समीकरण चरणबद्ध रूप में जटिल शक्ति (इकाइयां: VA) का सूत्र है:

$S=VI^{*}=|S|\angle \varphi$,

जहाँ V चरण रूप में वोल्टेज को रूट माध्य वर्ग के रूप में आयाम के साथ दर्शाता है, और I चरण रूप में धारा को RMS के रूप में आयाम के साथ दर्शाता है। साथ ही परिपाटी द्वारा, I के जटिल संयुग्म का उपयोग किया जाता है, जिसे निरूपित किया जाता है $I^{*}$ (या ${\overline {I}}$), मैं खुद के बजाय। ऐसा इसलिए किया जाता है क्योंकि अन्यथा S को परिभाषित करने के लिए उत्पाद VI का उपयोग करने से ऐसी मात्रा प्राप्त होगी जो V या I के लिए चुने गए संदर्भ कोण पर निर्भर करती है, लेकिन S को V I* के रूप में परिभाषित करने से ऐसी मात्रा प्राप्त होती है जो संदर्भ कोण पर निर्भर नहीं करती है और अनुमति देती है S को P और Q से संबंधित करने के लिए। जटिल शक्ति के अन्य रूप (वोल्ट-एम्प्स, VA में इकाइयाँ) Z, भार विद्युत प्रतिबाधा (ओम, Ω में इकाइयाँ) से प्राप्त होते हैं।

$S=|I|^{2}Z={\frac {|V|^{2}}{Z^{*}}}$.

नतीजतन, शक्ति त्रिकोण के संदर्भ में, वास्तविक शक्ति (वाट, डब्ल्यू में इकाइयां) के रूप में प्राप्त की जाती है:

$P=|S|\cos {\varphi }=|I|^{2}R={\frac {|V|^{2}}{|Z|^{2}}}\times {R}$.

विशुद्ध रूप से प्रतिरोधक भार के लिए, वास्तविक शक्ति को सरल बनाया जा सकता है:

$P={\frac {|V|^{2}}{R}}$.

आर लोड के प्रतिरोध (ओम, Ω में इकाइयां) को दर्शाता है।

प्रतिक्रियाशील शक्ति (वोल्ट-एम्प्स-प्रतिक्रियाशील, var में इकाइयाँ) इस प्रकार प्राप्त होती हैं:

$Q=|S|\sin {\varphi }=|I|^{2}X={\frac {|V|^{2}}{|Z|^{2}}}\times {X}$.

विशुद्ध रूप से प्रतिक्रियाशील भार के लिए, प्रतिक्रियाशील शक्ति को सरल बनाया जा सकता है:

$Q={\frac {|V|^{2}}{X}}$,

जहां X भार के विद्युत मुक़ाबले (ओम में इकाइयां, Ω) को दर्शाता है।

संयोजन, जटिल शक्ति (वोल्ट-एम्प्स, VA में इकाइयाँ) के रूप में वापस व्युत्पन्न है

$S=P+jQ$,

और स्पष्ट शक्ति (वोल्ट-एम्प्स, VA में इकाइयाँ) के रूप में

$|S|={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}}$.

इन्हें शक्ति त्रिकोण द्वारा आरेखीय रूप से सरलीकृत किया गया है।

पावर फैक्टर

Main article: Power factor

एक सर्किट में सक्रिय शक्ति और स्पष्ट शक्ति के अनुपात को शक्ति कारक कहा जाता है। समान मात्रा में सक्रिय शक्ति संचारित करने वाली दो प्रणालियों के लिए, कम शक्ति कारक वाली प्रणाली में ऊर्जा के कारण उच्च परिसंचारी धाराएँ होंगी जो लोड में ऊर्जा भंडारण से स्रोत पर लौटती हैं। ये उच्च धाराएँ उच्च नुकसान उत्पन्न करती हैं और समग्र संचरण दक्षता को कम करती हैं। कम शक्ति कारक सर्किट में सक्रिय शक्ति की समान मात्रा के लिए उच्च स्पष्ट शक्ति और उच्च हानि होगी। पावर फैक्टर 1.0 है जब वोल्टेज और करंट फेज (तरंगों) में होते हैं। यह शून्य है जब करंट वोल्टेज को 90 डिग्री से आगे या पीछे करता है। जब वोल्टेज और करंट फेज से 180 डिग्री बाहर होते हैं, तो पावर फैक्टर नेगेटिव होता है, और लोड ऊर्जा को स्रोत में फीड कर रहा है (एक उदाहरण छत पर सौर कोशिकाओं वाला एक घर होगा जो पावर ग्रिड में पावर फीड करता है जब सूरज चमक रहा है)। वोल्टेज के संबंध में वर्तमान के चरण कोण के संकेत को दिखाने के लिए पावर कारकों को आमतौर पर अग्रणी या पिछड़ने के रूप में कहा जाता है। वोल्टेज को उस आधार के रूप में नामित किया जाता है जिससे वर्तमान कोण की तुलना की जाती है, जिसका अर्थ है कि वर्तमान को अग्रणी या पिछड़े वोल्टेज के रूप में माना जाता है। जहां वेवफॉर्म विशुद्ध रूप से साइनसोइडल होते हैं, पावर फैक्टर चरण कोण का कोसाइन होता है ($\varphi$) करंट और वोल्टेज साइनसोइडल वेवफॉर्म के बीच। उपकरण डेटा शीट और नेमप्लेट अक्सर पावर फैक्टर को संक्षिप्त करते हैं$\cos \phi$इस कारण से।

उदाहरण: सक्रिय शक्ति है 700 W और वोल्टेज और करंट के बीच का फेज कोण 45.6° है। शक्ति कारक है cos(45.6°) = 0.700. स्पष्ट शक्ति तब है: 700 W / cos(45.6°) = 1000 VA. एसी सर्किट में बिजली अपव्यय की अवधारणा को उदाहरण के साथ समझाया और समझाया गया है।

उदाहरण के लिए, 0.68 के एक शक्ति कारक का मतलब है कि कुल आपूर्ति (परिमाण में) का केवल 68 प्रतिशत वास्तव में काम कर रहा है; शेष करंट लोड पर कोई काम नहीं करता है।

प्रतिक्रियाशील शक्ति

प्रत्यक्ष वर्तमान सर्किट में, भार में प्रवाहित होने वाली शक्ति लोड के माध्यम से वर्तमान के उत्पाद और भार में संभावित गिरावट के समानुपाती होती है। स्रोत से लोड तक ऊर्जा एक दिशा में प्रवाहित होती है। एसी पावर में, वोल्टेज और करंट दोनों लगभग साइनसॉइड रूप से भिन्न होते हैं। जब सर्किट में इंडक्शन या कैपेसिटेंस होता है, तो वोल्टेज और करंट वेवफॉर्म पूरी तरह से लाइन में नहीं आते हैं। विद्युत प्रवाह के दो घटक होते हैं - एक घटक स्रोत से लोड की ओर प्रवाहित होता है और लोड पर कार्य कर सकता है; अन्य भाग, जिसे प्रतिक्रियाशील शक्ति के रूप में जाना जाता है, वोल्टेज और करंट के बीच देरी के कारण होता है, जिसे चरण कोण के रूप में जाना जाता है, और लोड पर उपयोगी कार्य नहीं कर सकता है। इसे वर्तमान के रूप में माना जा सकता है जो गलत समय पर आ रहा है (बहुत देर या बहुत जल्दी)। प्रतिक्रियाशील शक्ति को सक्रिय शक्ति से अलग करने के लिए, इसे वोल्ट-एम्पीयर प्रतिक्रियाशील, या var की इकाइयों में मापा जाता है। ये इकाइयां वाट्स को सरल कर सकती हैं लेकिन यह दर्शाने के लिए var के रूप में छोड़ दी जाती हैं कि वे वास्तविक कार्य आउटपुट का प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं।

नेटवर्क के कैपेसिटिव या आगमनात्मक तत्वों में संग्रहीत ऊर्जा प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाह को जन्म देती है। प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाह पूरे नेटवर्क में वोल्टेज के स्तर को दृढ़ता से प्रभावित करता है। स्वीकार्य सीमा के भीतर बिजली प्रणाली को संचालित करने की अनुमति देने के लिए वोल्टेज स्तर और प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाह को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए। लचीला एसी संचरण प्रणाली के रूप में जानी जाने वाली तकनीक का उपयोग ट्रांसमिशन लाइनों से आपूर्ति की जाने वाली प्रतिक्रियाशील शक्ति को कम करके और इसे स्थानीय रूप से प्रदान करके लोड में स्पष्ट शक्ति प्रवाह को कम करने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, आगमनात्मक भार की क्षतिपूर्ति करने के लिए, लोड के पास ही एक शंट कैपेसिटर स्थापित किया जाता है। यह कैपेसिटर द्वारा आपूर्ति की जाने वाली लोड द्वारा आवश्यक सभी प्रतिक्रियाशील शक्ति की अनुमति देता है और इसे ट्रांसमिशन लाइनों पर स्थानांतरित नहीं करना पड़ता है। इस अभ्यास से ऊर्जा की बचत होती है क्योंकि यह उस ऊर्जा की मात्रा को कम कर देता है जिसे समान कार्य करने के लिए उपयोगिता द्वारा उत्पादित किया जाना आवश्यक है। इसके अतिरिक्त, यह छोटे कंडक्टर या कम बंडल कंडक्टर का उपयोग करके और ट्रांसमिशन टावरों के डिजाइन को अनुकूलित करने के लिए अधिक कुशल ट्रांसमिशन लाइन डिज़ाइन की अनुमति देता है।

कैपेसिटिव बनाम इंडक्टिव लोड

लोड डिवाइस के चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र में संग्रहीत ऊर्जा, जैसे मोटर या कैपेसिटर, वर्तमान और वोल्टेज तरंगों के बीच ऑफसेट का कारण बनता है। कैपेसिटर एक उपकरण है जो ऊर्जा को विद्युत क्षेत्र के रूप में संग्रहीत करता है। जैसा कि वर्तमान को संधारित्र के माध्यम से संचालित किया जाता है, चार्ज बिल्ड-अप के कारण संधारित्र में एक विरोधी वोल्टेज विकसित होता है। यह वोल्टेज तब तक बढ़ता है जब तक कि कैपेसिटर संरचना द्वारा अधिकतम निर्धारित नहीं किया जाता है। एक एसी नेटवर्क में, कैपेसिटर में वोल्टेज लगातार बदल रहा है। कैपेसिटर इस परिवर्तन का विरोध करता है, जिससे धारा चरण में वोल्टेज का नेतृत्व करती है। कैपेसिटर को प्रतिक्रियाशील शक्ति स्रोत कहा जाता है, और इस प्रकार एक प्रमुख शक्ति कारक का कारण बनता है।

इंडक्शन मशीनें आज इलेक्ट्रिक पावर सिस्टम में सबसे सामान्य प्रकार के भार हैं। ये मशीनें चुंबकीय क्षेत्र के रूप में ऊर्जा को संग्रहित करने के लिए कुचालक या तार के बड़े कॉइल का उपयोग करती हैं। जब एक वोल्टेज शुरू में कॉइल में रखा जाता है, तो प्रारंभ करनेवाला वर्तमान और चुंबकीय क्षेत्र में इस परिवर्तन का दृढ़ता से विरोध करता है, जिससे करंट को अपने अधिकतम मूल्य तक पहुंचने में समय लगता है। यह करंट को फेज में वोल्टेज से पिछड़ने का कारण बनता है। इंडक्टर्स को प्रतिक्रियाशील शक्ति को सिंक करने के लिए कहा जाता है, और इस प्रकार एक लैगिंग पावर फैक्टर का कारण बनता है। प्रेरण जनरेटर प्रतिक्रियाशील शक्ति को स्रोत या सिंक कर सकते हैं, और प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाह और इस प्रकार वोल्टेज पर सिस्टम ऑपरेटरों को नियंत्रण का एक उपाय प्रदान करते हैं। क्योंकि इन उपकरणों का वोल्टेज और करंट के बीच के फेज कोण पर विपरीत प्रभाव पड़ता है, इसलिए इनका उपयोग एक दूसरे के प्रभावों को रद्द करने के लिए किया जा सकता है। यह आमतौर पर कैपेसिटर बैंकों का रूप लेता है जिसका उपयोग इंडक्शन मोटर्स के कारण होने वाले लैगिंग पावर फैक्टर का प्रतिकार करने के लिए किया जाता है।

प्रतिक्रियाशील शक्ति नियंत्रण

Main article: Voltage control and reactive power management

ट्रांसमिशन से जुड़े जनरेटर आमतौर पर प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाह का समर्थन करने के लिए आवश्यक होते हैं। उदाहरण के लिए, यूनाइटेड किंगडम ट्रांसमिशन सिस्टम पर, जनरेटर को ग्रिड कोड आवश्यकताएँ द्वारा 0.85 पावर फैक्टर लैगिंग और 0.90 पावर फैक्टर की सीमा के बीच नामित टर्मिनलों पर अग्रणी करने की आवश्यकता होती है। प्रतिक्रियाशील शक्ति संतुलन समीकरण को बनाए रखते हुए सिस्टम ऑ�