RLC circuits and power factor: leading and lagging currentวงจร RLC และตัวประกอบกำลัง: กระแสนำหน้าและล้าหลัง

Put R, L and C loads on a 220 V, 50 Hz supply and watch the current shift against the voltage. Read the impedance, the power triangle and the power factor, and tune to resonance.ต่อโหลด R, L และ C เข้ากับแหล่งจ่าย 220 V 50 Hz แล้วดูกระแสเลื่อนเฟสเทียบกับแรงดัน อ่านค่าอิมพีแดนซ์ สามเหลี่ยมกำลัง และตัวประกอบกำลัง และปรับไปที่จุดเรโซแนนซ์

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

Impedance: resistance plus reactance

On AC an inductor and a capacitor oppose current with reactance, which depends on frequency. Inductive reactance rises with f; capacitive reactance falls. In a series circuit they add to the resistance as a complex impedance:

X_L = 2πf·L,   X_C = 1 / (2πf·C)
Z = R + j(X_L − X_C)
|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²),   θ = atan((X_L − X_C)/R)

Lead and lag

The angle θ is how far the voltage leads the current. An inductor resists changes in current, so the current peaks a quarter cycle after the voltage: inductive loads lag. A capacitor must charge before its voltage rises, so its current peaks first: capacitive loads lead. A pure resistor keeps them in step.

  • R only: θ = 0°, in phase
  • L only: current lags by 90°
  • C only: current leads by 90°
  • RL: lags by 0–90°; RC: leads by 0–90°

Real, reactive and apparent power

Only the part of the current in phase with the voltage delivers energy. The rest flows back and forth each cycle. The three powers form a right-angled triangle, and the power factor is the cosine of θ.

S = V·I  (VA)
P = V·I·cos θ  (W)
Q = V·I·sin θ  (var)
PF = cos θ = P / S

Power factor correction and resonance

Motors are inductive, so factories draw lagging reactive power that the utility must still carry. A capacitor across the load supplies leading Q that cancels it, raising the power factor toward 1 and cutting the line current.

In a series RLC circuit, X_L and X_C cancel at one frequency, the resonant frequency. There Z = R, the current is largest and the power factor is exactly 1.

f0 = 1 / (2π·√(L·C))

Worked example (the simulator’s default RL load)

  1. RL load: R = 10 Ω, L = 50 mH on 220 V, 50 Hz.
  2. X_L = 2π·50·0.050 = 15.71 Ω; |Z| = √(10² + 15.71²) = 18.62 Ω; θ = atan(15.71/10) = 57.5°.
  3. I = 220/18.62 = 11.8 A, lagging by 57.5°; PF = cos 57.5° = 0.537 lagging.
  4. P = I²R = 1.40 kW; Q = I²X_L = 2.19 kvar; S = V·I = 2.60 kVA.
  5. To correct to PF = 1, add C = Q/(ωV²) = 2193/(314.2·220²) ≈ 144 µF in parallel.

Common mistakes

  • Adding R and X directly. They are at right angles: |Z| = √(R² + X²), not R + X.
  • Mixing up the sign: inductive loads lag (θ > 0); capacitive loads lead (θ < 0).
  • Thinking reactive power is wasted energy. It does no work on average, but it still flows in the wires and loads them.

Common questions

What is power factor?

The ratio of real power to apparent power, PF = P/S = cos θ, where θ is the phase angle between voltage and current. It runs from 0 (purely reactive) to 1 (purely resistive).

Why does current lag in an inductor?

An inductor’s voltage is L·di/dt, so it is largest where the current changes fastest: as the current crosses zero. That puts the current’s peak a quarter cycle (90°) after the voltage’s.

How do you find the resonant frequency of an RLC circuit?

f0 = 1/(2π√(LC)), where X_L = X_C. With L = 50 mH and C = 100 µF, f0 ≈ 71 Hz.

อิมพีแดนซ์: ความต้านทานบวกรีแอกแตนซ์

บนไฟสลับ ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุต้านกระแสด้วยรีแอกแตนซ์ ซึ่งขึ้นกับความถี่ รีแอกแตนซ์เชิงเหนี่ยวนำเพิ่มตาม f ส่วนรีแอกแตนซ์เชิงความจุลดลง ในวงจรอนุกรมจะรวมกับความต้านทานเป็นอิมพีแดนซ์เชิงซ้อน:

X_L = 2πf·L,   X_C = 1 / (2πf·C)
Z = R + j(X_L − X_C)
|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²),   θ = atan((X_L − X_C)/R)

นำหน้าและล้าหลัง

มุม θ คือมุมที่แรงดันนำหน้ากระแส ตัวเหนี่ยวนำต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแส กระแสจึงถึงยอดหลังแรงดันหนึ่งในสี่รอบ: โหลดเหนี่ยวนำล้าหลัง ตัวเก็บประจุต้องประจุก่อนแรงดันจึงจะขึ้น กระแสจึงถึงยอดก่อน: โหลดตัวเก็บประจุนำหน้า ตัวต้านทานล้วนให้ทั้งสองไปพร้อมกัน

  • R อย่างเดียว: θ = 0° เฟสตรงกัน
  • L อย่างเดียว: กระแสล้าหลัง 90°
  • C อย่างเดียว: กระแสนำหน้า 90°
  • RL: ล้าหลัง 0–90°; RC: นำหน้า 0–90°

กำลังจริง กำลังรีแอกทีฟ และกำลังปรากฏ

มีเพียงส่วนของกระแสที่เฟสตรงกับแรงดันเท่านั้นที่ส่งพลังงาน ส่วนที่เหลือไหลไปกลับในแต่ละรอบ กำลังทั้งสามเป็นสามเหลี่ยมมุมฉาก และตัวประกอบกำลังคือ cos ของ θ

S = V·I  (VA)
P = V·I·cos θ  (W)
Q = V·I·sin θ  (var)
PF = cos θ = P / S

การแก้ตัวประกอบกำลังและเรโซแนนซ์

มอเตอร์เป็นโหลดเหนี่ยวนำ โรงงานจึงดึงกำลังรีแอกทีฟแบบล้าหลังซึ่งการไฟฟ้ายังต้องส่งผ่านสาย การต่อตัวเก็บประจุคร่อมโหลดจะจ่าย Q แบบนำหน้ามาหักล้าง ทำให้ตัวประกอบกำลังเข้าใกล้ 1 และกระแสในสายลดลง

ในวงจร RLC อนุกรม X_L และ X_C หักล้างกันที่ความถี่หนึ่ง เรียกว่าความถี่เรโซแนนซ์ ที่นั่น Z = R กระแสมากที่สุด และตัวประกอบกำลังเท่ากับ 1 พอดี

f0 = 1 / (2π·√(L·C))

ตัวอย่างการคำนวณ (โหลด RL ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. โหลด RL: R = 10 Ω, L = 50 mH ต่อกับ 220 V 50 Hz
  2. X_L = 2π·50·0.050 = 15.71 Ω; |Z| = √(10² + 15.71²) = 18.62 Ω; θ = atan(15.71/10) = 57.5°
  3. I = 220/18.62 = 11.8 A ล้าหลัง 57.5°; PF = cos 57.5° = 0.537 ล้าหลัง
  4. P = I²R = 1.40 kW; Q = I²X_L = 2.19 kvar; S = V·I = 2.60 kVA
  5. ถ้าต้องการแก้ให้ PF = 1 ให้ต่อ C = Q/(ωV²) = 2193/(314.2·220²) ≈ 144 µF ขนานกับโหลด

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • บวก R กับ X ตรง ๆ ทั้งสองตั้งฉากกัน: |Z| = √(R² + X²) ไม่ใช่ R + X
  • สับสนเครื่องหมาย: โหลดเหนี่ยวนำล้าหลัง (θ > 0) โหลดตัวเก็บประจุนำหน้า (θ < 0)
  • คิดว่ากำลังรีแอกทีฟเป็นพลังงานที่สูญเปล่า โดยเฉลี่ยมันไม่ทำงาน แต่ยังไหลอยู่ในสายไฟและทำให้สายรับภาระ

คำถามที่พบบ่อย

ตัวประกอบกำลังคืออะไร?

อัตราส่วนของกำลังจริงต่อกำลังปรากฏ PF = P/S = cos θ โดย θ คือมุมเฟสระหว่างแรงดันกับกระแส มีค่าตั้งแต่ 0 (รีแอกทีฟล้วน) ถึง 1 (ความต้านทานล้วน)

ทำไมกระแสในตัวเหนี่ยวนำจึงล้าหลัง?

แรงดันของตัวเหนี่ยวนำคือ L·di/dt จึงสูงสุดเมื่อกระแสเปลี่ยนเร็วที่สุด คือขณะกระแสผ่านศูนย์ ทำให้ยอดของกระแสอยู่หลังยอดของแรงดันหนึ่งในสี่รอบ (90°)

หาความถี่เรโซแนนซ์ของวงจร RLC อย่างไร?

f0 = 1/(2π√(LC)) ซึ่งเป็นจุดที่ X_L = X_C เมื่อ L = 50 mH และ C = 100 µF จะได้ f0 ≈ 71 Hz