Tillbaka

Fasförskjutning


 

Introduktion till fasförskjutning


Normalt sett när vi pratar om växelström så menar vi en sinusformad kurva där ström och spänning följs åt och har samma period. Detta kallas att de är i fas med varandra. Ordet fasförskjutning betyder att det finns en relativ skillnad i fasvinkel mellan två olika svängningsrörelser med samma frekvens, t ex ström och spänning.

På bilden visas en krets med resistor utan fasförskjutning.

Men detta inbördes förhållande mellan ström och spänning kan förskjutas på olika sätt i en krets så att de båda kommer i otakt. Kurvorna för spänningen och strömmen blir noll vid olika tidpunkter och man säger att en fasförskjutning har ägt rum.


 

Fasförskjutning över spole


Ett enkelt sätt att fasförskjuta en ström är att man kopplar in en eller flera spolar i kretsen. Genom en serie uppmätningar så kan man se att ju högre frekvens på strömmen vi har, desto större motstånd får vi i spolen.

En spole påverkar normalt inte nämnvärt den likström som flyter genom, förutom i de ögonblick då strömmen sluts eller bryts då självinduktans uppstår.
Eftersom växelspänningen kan betraktas som en likspänning som hela tiden bryts och sluts åt olika håll så förklarar detta just varför vi får ett så stort motstånd i spolen då vi använder växelström. Anledningen till att spolen uppför sig på detta högst olämpliga sätt beror på dess naturliga induktiva egenskaper som förklaras närmare i ett kommande kapitel.

Detta motstånd i spolen ger ett direkt upphov till eftersläpning av strömmen i förhållande till spänningen, dvs. strömmen är fasförskjuten. Då strömmen som i detta fall roterar efter spänningen i ett visardiagram så säger vi att fasförskjutningen är positiv.

För en ideal spole är fasförskjutningen alltid +90 grader som på bilden.


 

Fasförskjutning över kondensator


För att åstadkomma en negativ fasförskjutning där spänningen släpar efter strömmen så kan vi studera en krets med en kondensator istället för en spole.
Normalt sett så laddas en kondensator (ansluten till likspänning) upp snabbt för att sedan inte leda någon ström överhuvudtaget. Men om man istället kopplar kondensatorn till en växelström så kan man med en amperemeter konstatera att den tycks leda ström hela tiden.
Detta beror på att polariteten ständigt kastas om så att kondensatorn ständigt laddas upp och ur periodiskt.

Bilden visar hur kondensatorns laddning varierar periodiskt med tiden då den kopplats till en växelströmskälla.

Vi kan även för kondensatorn mäta upp en slags motstånd genom att undersöka kvoten av spänning och ström. Vi kan då se att en kondensator med större kapacitans kan dra till sig mer ström per uppladdning och då den ständigt laddas upp och ur så ger detta upphov till en starkare ström igenom denna. En starkare ström får man även om man ökar frekvensen eftersom det då passerar ett större antal elektroner genom kretsen på en tidsenhet.
Kondensatorns egenskaper gör att strömmen fasförskjuts en kvarts period före spänningen, dvs strömmen blir negativt fasförskjuten.

Bilden visar tydligt den negativa fasförskjutningen i en ren kondensatorkrets.


 

Fasförskjutningens påverkan på effekten


Då vi kopplat in endast en spole eller en kondensator i en krets så får vi ett effektdiagram som ser ut som på bilden. Effekten är arean av det skuggade området.



Som man kan se så blir effekten negativ den första fjärdedels perioden, positiv nästa fjärdedel osv. Summan av effekten som tas upp och avges av kretsen blir i dessa fall teoretiskt sett alltid noll. För kondensatorn så kan den negativa effekten förklaras med att kondensatorn under dessa intervall laddas upp och således förbrukar effekt. Under de perioder då effekten är positiv så laddas kondensatorn ur och avger då effekt. För spolen kan dessa olika effekttillstånd förklaras på ett liknande sätt. Under de perioder då effekten är negativ så går det åt energi för att bygga upp ett magnetfält i spolen.
För en något mera komplicerad krets så blir effekten sällan lika med noll
eftersom det alltid går åt effekt i en krets pga resistansen.
I de flesta fall så blir då energin som tas ur spänningskällan större än den som återgår till denna. Med hjälp av trigonometri kan man bevisa att medel-effekten kan beräknas enligt P = U I cosf där faktorn cos f kallas effektfaktorn.
Resultatet blir det samma om fasförskjutningen är kapacitiv och ligger då mellan 0 och -90 grader.


I enklare kretsar så innebär fasförskjutningen sällan något problem med avseende på effektförlusterna. Däremot vid en kraftig induktiv belastning av en växelspänningskälla, exempelvis vid drift av en motor kan fasförskjutningen f mellan spänning och ström bli av betydande storlek. Detta betyder ju att effektfaktorn cos f i motsvarande grad blir liten och det krävs en större ström för att uppnå en viss effekt. Detta leder i sin tur till större effektförluster i ledningarna som därför måste vara tjockare och därmed dyrare.


För att undvika detta så kopplar man in kondensatorer som motverkar den induktiva fasförskjutningen. Detta kallas faskompensering.


Tillbaka