3. Moce w obwodach RLC przy wymuszeniu sinusoidalnym

3.2. Moc czynna

Moc czynną definiuje się jako wartość średnią za okres z mocy chwilowej, to jest

P=\frac{1}{T}\int_{t_0}^{t_0+T}{p(t)dt} (3.3)

 

Podstawiając do powyższego wzoru funkcję określającą moc chwilową w obwodzie, po wykonaniu operacji całkowania otrzymuje się

P=\left|U\right|\left|I\right|cos{\phi} (3.4)

 

Moc czynna w obwodzie o wymuszeniu sinusoidalnym jest więc wielkością stałą (niezależną od czasu) równą iloczynowi modułów wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosinusa kąta przesunięcia fazowego między wektorem napięcia i prądu. Współczynnik cos{\phi} odgrywa ogromną rolę w praktyce i nosi specjalną nazwę współczynnika mocy

Moc czynna stanowi składową stałą mocy chwilowej. Jest ona nieujemna dla obwodu RLC a w granicznym przypadku przy  \phi=\pm\pi/2\mathrm{\ \ \ }\rightarrow\mathrm{\ \ \ }\mathrm{P}_L=P_C=0 jest równa zeru. Moc czynna osiąga wartość największą P=\left|U\right|\left|I\right| gdy \phi=0, to znaczy gdy odbiornik ma charakter rezystancyjny, cos{\phi}=1. Wartość najmniejszą (P=0) moc osiąga w przypadku granicznym, gdy \phi=\pm\pi/2, to znaczy gdy odbiornikiem jest cewka idealna lub kondensator idealny dla których cos{\phi}=0. Oznacza to, że na elementach reaktancyjnych nie wydziela się moc czynna.

Z przytoczonych rozważań wynika, moc czynną wydzielaną w rezystorze można opisać następującymi wzorami

P=\left|U\right|\left|I\right|cos{\phi}=R\left|I\right|^2=G\left|U\right|^2 (3.5)

 

w których prąd I oraz napięcie U odpowiadają rezystorowi R. Jednostką mocy czynnej jest wat (W), przy czym 1W=1AV. W praktyce stosuje się również wielokrotności wata w postaci kilowata (1kW=1000W) lub megawata (1MW=106W) oraz wartości ułamkowe, np. miliwat (mW) lub mikrowat (μW). 

 

Do pomiaru mocy czynnej służy watomierz. Klasyczny watomierz jest przyrządem pomiarowym posiadającym cewkę prądową (o impedancji wewnętrznej bliskiej zeru) do pomiaru prądu gałęziowego obwodu i cewkę napięciową (o impedancji wewnętrznej bliskiej nieskończoności) do pomiaru napięcia między punktami obwodu, dla którego mierzymy moc czynną. Początki uzwojeń obu cewek oznaczać będziemy na schematach przy pomocy gwiazdek. Pozycja znaku gwiazdki przy cewce prądowej wskazuje kierunek prądu Iw watomierza przyjęty za dodatni (prąd płynie od gwiazdki do watomierza). W przypadku cewki napięciowej pozycja gwiazdki wskazuje przyjęty kierunek wyższego potencjału (napięcia Uw) obwodu. Wskazanie watomierza jest wówczas określone wzorem (3.4), które przy naszych oznaczeniach prądu i napięcia watomierza przyjmą postać P=\left|U_w\right|\left|I_w\right|cos{\phi}. Przyjmując założenie idealizujące, że impedancja cewki prądowej watomierza jest równa zeru a cewki napięciowej równa nieskończoności watomierz nie ma żadnego wpływu na rozpływy prądów i rozkłady napięć w badanym obwodzie elektrycznym.