Elektrisk effekt

Elektrisk effekt er mottatt eller avgitt elektrisk energi per tidsenhet i en elektrisk krets. På samme måte som mekanisk effekt blir elektrisk effekt målt i watt (W). Én watt er lik 1 joule per sekund. Den enkle sammenheng mellom effekt, strøm og spenning i en elektrisk krets er at effekten er produktet av strøm og spenning.
Sammenhengen mellom strøm, spenning og effekt er noe mer komplisert når det gjelder elektriske kraftsystemer med vekselstrøm. I vekselstrømsystemer er strøm og spenning beskrevet av sinusfunksjoner, dermed vil også produktet av strøm og spenning bli en sinusfunksjon. Siden dette er verdier som varierer over tid, angir man ofte effekt uttrykt ved middelverdien av denne. Konseptet innebærer at effekten som en vekselstrøm og -spenning representerer gjøres sammenlignbar med den effekten som en tilsvarende stor likestrøm og -spenning ville gitt. Ytterligere mer komplisert blir sammenhengen om vekselstrømssystemet er et trefasesystem. Da må det tas hensyn til at både  strømmer og spenninger har en innbyrdes faseforskyvning. Rent fysisk er faseforskyvning en innbyrdes tidsforsinkelse av de periodiske signalene. Utledning av formlene som gjelder involverer en del avanserte matematiske konsepter, men formlene som til slutt fremkommer er dog enkle.
En spesiell sammenheng som finnes i systemer for vekselstrøm er at det oppstår en type elektrisk effekt som bare sirkulerer i kraftsystemet, dermed kan den ikke omformes til andre energiformer som varme, lys, lyd, mekanisk arbeid, eller tjene andre nyttige hensikter. Denne energien har sammenheng med elektriske- og magnetiske felter som alltid er tilstede i et elektrisk system. En kaller denne effekten for reaktiv effekt, mens den anvendbare effekten kalles aktiv effekt. Et måltall på andelen av reaktiv effekt relativt til aktiv effekt i et kraftsystem er effektfaktoren, som egentlig angir faseforskyvningen mellom gitt strøm og spenning. Reaktiv effekt fører til unødvendig energitap i elektriske kraftlinjer. Dermed er dette en type effekt som blir forsøkt begrenset på forskjellige vis.

Notasjon og måleenheter

Både elektrisk effekt, og effekt i andre sammenhenger måles i watt med forkortelsen W, etter den skotske fysikeren James Watt. En watt er lik 1 joule per sekund: 1 W = 1 J/s. For vekselstrøm har en også måleenhetene voltamper (VA) for tilsynelatende effekt og voltamper-reaktiv (VAr) for reaktiv effekt. Voltamper brukes for å oppgi nominell ytelse for elektriske maskiner som generatorer, motorer, transformatorer og lignende. Voltamperereaktiv brukes for å oppgi effekten til blant annet spoler, reaktorer og kondensatorer. I de fleste sammenhenger er det middelverdien av effekten som er av interesse, men for elektriske kretser for vekselstrøm vil den såkalte momentanverdien (verdien på et gitt tidspunkt) også være en størrelse som i noen tilfeller undersøkes.
Måleenheter som for eksempel (kWh) (uttales «kilowattime») eller (MWh) (uttales «megawattime») er vanlige enheter for elektrisk energi, spesielt ved kjøp og salg. Således er 1 kWh den energimengden som omsettes om effekten 1 kW konstant produseres eller forbrukes i én time.

Retningen på elektrisk effekt

Av ligningen i avsnittet over ser en at effekt er produktet av strøm gjennom elementet og spenningen over det. Effekt utviklet eller absorbert i et kretselement skjer mellom dets to terminaler, og denne effekten kan ha positivt eller negativt fortegn.
I den øverste animasjonen til høyre går det en strøm av ladninger gjennom et kretselement der den øverste terminalen har positivt potensiale (merket «+») og den nederste negativt (merket «-»). Strømmen går inn ved plussterminalen, dermed sier en at en ladning q som går gjennom elementet får redusert sin potensielle energi. Når dette skjer får heller ikke ladningen tilført kinetisk energi fordi strømmen av ladninger inn og ut av elementet må være like stor. Det skjer altså en overføring av elektrisk energi inn til elementet som omdannes til en annen energiform og forlater den elektriske kretsen. Animasjonene illustrere dette som piler ut fra kretselementet.
Spenningsfallet over kretselementet i begge tegningene defineres til å være et positivt tall. Energitapet er gitt av qU, som representerer mengden elektrisk energi som går inn til elementet og omskapes til for eksempel varme, lys, eller mekanisk arbeid. Animasjonene nedenfor til høyre viser et motsatt tilfelle der strømmen går ut ved den positive terminalen. Da omformes energi utenfra, som går ut av elementet som elektrisk energi. Dermed oppfører den seg som en spenningskilde. Produktet av ladning og spenning må dermed være negativt, altså -qU. Det er her sett på én ladning, og hvordan den tilføres eller avgir energi. Med definisjonen om at strøm er ladninger per tidsenhet kan en like god skrive i istedenfor q, altså som henholdsvis iU og -iU.
Den definisjonen som er brukt her for energiretning kalles for motorisk referanseretning. Med denne definisjonen forårsaker strøm (ladninger) som går inn ved den positive terminalen at det utføres arbeid i komponenten, altså at uttrykket iU er positivt. Omvendt vil strøm som flyte fra negativ til positiv terminal bety at arbeid tilføres komponenten. Her får en at produktet av strøm og spenning er negativt.

Effekt i sammenheng med vekselstrømskretser

Effekt i sammenheng med vekselstrømskretser er mer komplisert enn for likestrøm. Det er nødvendig å ha kjennskap til en del grunnlegende begreper og konsepter innenfor vekselstrømsteknikk for å kunne forstå hvordan effekt beskrives i slike elektriske kretser. Derfor inneholder dette kapittelet en del innledende beskrivelser.

Motstand for vekselstrøm i en resistans en spole eller en kondensator

Innen vekselstrømsteknikk brukes begrepet impedans for motstand, denne deles inn i to størrelser, resistans og reaktans. Resistansen, eller ohmsk motstand, er det samme som i en likestrømskrets, mens reaktansen er en type motstand som gir spenningsfall over blant annet spoler og kondensatorer. En gir impedansen symbolet Z, resistansen symbolet R og reaktansen X. Alle disse størrelsene omtales i sammenheng med lineære kretselementer.
I motsetning til i likestrømskretser, vil spoler og kondensatorer være opphav til en spesiell type effekt som opptrer når de påtrykkes vekselspenning. Dette blir forklart lenger ned.

Effekt i trefasekretser

For å få en forståelse av effektutvikling i trefasekretser er det nødvendig med en beskrivelse av begreper og konsepter innenfor denne delen av elektroteknikken.

Måling av elektrisk effekt

For å måle effekt brukes et wattmeter som i sin enkleste form er et viserinstrument. Det har to spoler for måling der den ene spolen kalles strømspolen og er stasjonær. Den andre spolen kalles spenningsspolen og er bevegelig, til denne er selve viseren festet. Viseren angir effekten på en skala som kan avleses. Strømspolen er konstruert for å måle en strøm som er proporsjonal med laststrømmen, mens spenningsspolen er laget for å måle en strøm som er proporsjonal med spenningen. Gjennomsnittlig utslag av viseren er proporsjonal med effektivverdien av spenningen gjennom spenningsspolen, effektivverdien av strømmen gjennom strømspolen og effektfaktoren (cos φ) til fasevinklen for strøm og spenning. For at wattmetret skal kunne måle riktig er tilkoblingen til ledningene viktig, noe som er illustrert i figuren til høyre.
For å måle effekten til en trefaselast er to-wattmetermetoden et grunnlegende konsept. Dette går ut på at to wattmetre må brukes for å måle effekt for en symmetrisk last. Total effekt er da summen av effekten målt i de to wattmetrene.

Størrelsen av effekt i forskjellige sammenhenger

Som eksempel på liten elektrisk effekt i elektriske apparater kan det nevnes at elektroniske hjelpemidler som klokker, lommekalkulatorer og mobiltelefoner typisk yter noe få watt. Andre små apparater som radio eller en moderne sparepærer yter bare noen titalls watt. Elektriske apparater i husholdningen har gjerne en effekt på noen hundre watt, som for eksempel en miksmaster, en datamaskin, en fryser eller et kjøleskap. En elektrisk komfyr, vaskemaskin, eller tørketrommel har betydelig større ytelse, gjerne noen kW.
Når det gjeler store ytelser for industrielle anvendelser finnes det serieproduserte elektriske motorer på ytelser opp mot 100 000 hk, eller rundt 73 MW. En elektrisk generator som etter planen skal settes i drift i et atomkraftverk i Finland i 2018 skal ha en ytelse på hele 2000 MVA. Verdens desidert største kraftverk er det i tilknyttet de tre kløfters demning med en total ytelse på hele 22 500 MW.