Measured Values

AC currents and voltages

Frequency

f = 50 Hz ;  60 Hz ;  16 2/3 Hz (trains)


Complex Values (Phasors) ⇔ Sine Curves

 U = U · e j φu     ⇔     u ( t )  =  √2 · U · cos ( ω t + φu )  =  √2 · Re{ U · e j ω t }

 I  =  I  · e j φi     ⇔      i ( t )  =  √2 ·  I · cos ( ω t + φi )  =  √2 · Re{  I · e j ω t }

 U ,  I : effective values     φu ,  φi : phase angles     ω = 2 π f : angular frequency

 with   e j α · e j β  = e j ( α + β )   ;     e j φ = cos φ + j sin φ


complex phasor   U = U · e j φu     ⇔     u ( t )  =  √2 · U · cos ( ω t + φu ) 
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Phase angle φ(L) between voltage phasor U and current phasor I
   


Load Impedance

 ZL  =  U / I  =  U / I · e j ( φu -  φi )  =  ZL · e j φL   =   R + j X

            with   e j α / e j β  = e j ( α − β )

 φL = φu -  φi   ;     cos φL  :  power factor

pure resistive :   φi = φu   =>  φL = 0   (current in phase with voltage)
inductive :   φi < φu   =>  φL > 0   (lagging current)
capacitive :   φi > φu   =>  φL < 0   (leading current)


Power (single phase)

   


 S  =  U · I*  =  U e j φu  ·  I e -j φi  =  U · I  e j ( φu -  φi )  =  S  e j φL  =  P + j Q

         with   ( e j φ )*  =  e -j φ   ;     e j α · e -j β  = e j ( α − β )


 P  =  S · cos φL  =  U · I · cos ( φu -  φi )   :   active power ( kW, MW)

 Q  =  S · sin φL  =  U · I · sin ( φu -  φi )   :   reactive power ( kvar, Mvar)

 S  =  √( P2 + Q2 )   :   apparent power ( kVA, MVA)

 cos φL  =  P / S   :   power factor (ind. or cap.)


 p ( t )  =  u ( t ) · i ( t )  =  2 · U · I · cos ( ω t + φu )  · cos ( ω t + φi ) 

            =  U · I · cos ( φu -  φi )  +  U · I · cos ( 2 ω t + φu + φi )

            =            P                      +    S   · cos ( 2 ω t + φu + φi )

            with   2 · cos α · cos β   =   cos ( α − β )  +  cos ( α + β )


Demonstration



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three-phase systems



   


- power (three-phase systems)

 S  =  U1· I1*U2· I2*U3· I3*

- symmetrical voltages

 U2  =  U1 e -j 120 ° ;    U3  =  U1 e -j 240 ° :   phase to ground voltages


 U12  =  U1 −  U2  =  √ 3  U1 e j 30 ° ;  

 U23  =  U2 −  U3 ;    U31  =  U3 −  U1 :   phase to phase voltages

- symmetrical currents

 I2  =  I1 e -j 120 ° ;    I3  =  I1 e -j 240 ° :   phase currents

- power (symmetrical)

 S  =  3 · U1· I1* ;     U1 : phase to ground voltage

- rated (nominal) voltage of voltage level and three-phase equipment

e.g. UN = 400 kV : phase to phase voltage

U1 = UN / √ 3 ≈ 231 kV : phase to ground voltage

Uphase to phase = √ 3 · Uphase to ground

- rated power (rated data of three-phase equipment)

SN = √ 3 · UN · IN : total three-phase apparent power

UN : phase to phase voltage ;   IN : phase current (of one phase)

PN = √ 3 · UN · IN · cos φN : total three-phase active power

QN = √ 3 · UN · IN · sin φN : total three-phase reactive power



reference schemes


   



convention used in this course


   

balances