Что характеризует коэффициент мощности: Коэффициент мощности cos φ: определение, назначение, формула

Коэффициент мощности | Электроснабжение, электрические сети | Архивы

Страница 23 из 52

ГЛАВА IX
КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И СПОСОБЫ ЕГО ПОВЫШЕНИЯ

§ 9.1. Технико-экономическое значение коэффициента мощности

Как известно, в электрической цепи переменного тока, имеющей чисто активную нагрузку, ток совпадает по фазе с приложенным напряжением.
Если в цепь включены электроприемники, обладающие активным и индуктивным сопротивлениями (например, асинхронные электродвигатели, сварочные и силовые трансформаторы и т. п.), то ток будет отставать от напряжения на некоторый угол φ, называемый углом сдвига фаз. Косинус этого угла (cosφ) называется коэффициентом мощности. Величина коэффициента мощности характеризует степень использования активной мощности источника электроэнергии. Чем выше коэффициент мощности электроприемников, тем лучше используются генераторы электрических станций и их первичные двигатели (турбины и др.), трансформаторы подстанции и электрические сети.
Наоборот, чем ниже cosφ, тем хуже используется электрооборудование электростанций и всех других элементов электроснабжения. Низкие значения cosφ при тех же величинах активной мощности приводят к дополнительным затратам на сооружение более мощных станций, подстанций и сетей, а также к дополнительным эксплуатационным расходам.

Отсюда становится ясным большое народнохозяйственное значение повышения коэффициента мощности в электрических установках.
ПУЭ (1-2-47) установлена минимальная величина cosφ = 0,92—0,95, обязательная для предприятий.
Чтобы создать заинтересованность предприятий в увеличении коэффициента мощности, существует шкала скидок и надбавок к стоимости электроэнергии в зависимости от величины его среднего значения в электрохозяйстве предприятия.

§ 9.2. Определение коэффициента мощности

Действительная мощность электроприемников предприятия непрерывно изменяется с течением времени. Это объясняется тем, что работа отдельных участков или цехов предприятий не совпадает во времени.

Кроме того, часть оборудования может работать с неполной загрузкой или даже находиться в состоянии холостого хода.

Изменение активной и реактивной мощностей электроприемников влечет за собой и соответствующие изменения cosφ. Различают следующие понятия коэффициента мощности.
Мгновенный коэффициент мощности — это величина cosφ в данный момент времени.
Значение мгновенного коэффициента мощности можно определить по фазометру или по одновременным указаниям измерительных приборов — амперметра, вольтметра и киловаттметра из выражения

На предприятиях принято средневзвешенный коэффициент мощности определять за месяц.
Энергоснабжающие организации при расчетах с абонентами различают два вида средневзвешенного коэффициента мощности: естественный и общий.
Естественный средневзвешенный коэффициент мощности характеризует электрическую установку без компенсирующих устройств.

Общий средневзвешенный коэффициент мощности определяется с учетом действия компенсирующих устройств.

§ 9.3. Причины, вызывающие снижение коэффициента мощности

Основными потребителями реактивной энергии являются асинхронные электродвигатели, трансформаторы и индуктивные печи, сварочные аппараты, газоразрядные лампы и т. д.
Асинхронный электродвигатель, работающий с нагрузкой, близкой к номинальной, имеет наибольшее значение cosφ. При снижении нагрузки электродвигателя коэффициент мощности уменьшается. Это объясняется тем, что активная мощность на зажимах электродвигателя изменяется пропорционально его загрузке, в то время как реактивная мощность вследствие незначительного изменения намагничивающего тока практически остается постоянной.
При холостом ходе cosφ имеет наименьшую величину, которая в зависимости от типа электродвигателя, мощности и скорости вращения находится в пределах 0,14-0,3.

Силовые трансформаторы, как и асинхронные электродвигатели, при загрузке меньше чем на 75% имеют пониженное значение коэффициента мощности.
Перегруженные асинхронные электродвигатели тоже имеют низкий cosφ, что объясняется увеличением по токов магнитного рассеяния.
Электродвигатели открытого типа, обладающие лучшими условиями охлаждения по сравнению с закрытыми электродвигателями, могут нести большую нагрузку (активную мощность) и будут иметь, следовательно, более высокий cosφ. Электродвигатели с короткозамкнутым ротором вследствие меньших значений индуктивного сопротивления рассеяния имеют cosφ выше, чем электродвигатели с фазным ротором. Значение cosφ у машин одного и того же типа возрастет с ростом номинальной мощности и скорости вращения ротора, так как при этом уменьшается относительная величина намагничивающего тока.
Увеличение напряжения на вторичной стороне силовых трансформаторов вследствие снижения нагрузки (например, во время ночных смен и в часы обеденных перерывов) ведет к повышению напряжения по сравнению с номинальным на зажимах работающих электродвигателей. Это в свою очередь приводит к увеличению намагничивающего тока и реактивной мощности электродвигателей, что влечет за собой уменьшив коэффициента мощности.
Обточка ротора, которую производят при износе подшипников, чтобы ротор не задевал статор, приводит к увеличению воздушного зазора между статором и ротором, что вызывает увеличение намагничивающего тока и понижение cosφ. Уменьшение числа проводников в пазу статора при перемотке вызывает увеличение намагничивающего тока и снижение cosφ асинхронного двигателя.

Применение газоразрядных ламп (ДРЛ и люминесцентных), имеющих в цепи индуктивное сопротивление (дроссель) при отсутствии компенсирующих устройств, также снижает коэффициент мощности электроустановок.

• Назад
• Вперед

определение, способы увеличения «косинуса фи»

Показатель коэффициента мощности двигателя, который обозначается как «косинус фи», обычно стараются сделать как можно больше. Чем меньше будет значение, тем большую силу должен иметь ток, чтобы выделить в цепи нужную мощность. Если при расчетах в чем-то ошибиться, то неизбежно увеличится потребление электроэнергии, а коэффициент полезного действия при этом, наоборот, уменьшится.

• Важный показатель
• Мгновенная мощность
• Активная и реактивная
• Увеличение значения

Важный показатель

Косинус фи — показатель приборов, работающих от электротока. Это параметр, который характеризует искажения формы переменного тока. Если говорить математическим языком, этот показатель можно охарактеризовать как отношение активной мощности к полной. Чем выше это значение, тем эффективнее устройство расходует электроэнергию.

Для объяснения физического значения коэффициента в пример можно взять расчет других связанных с ним параметров для одного из устройств. Допустим:

1. В сеть переменного тока был включен идеальный конденсатор.
2. Поскольку переменное напряжение периодически меняет свою полярность, устройство будет то заряжаться, то вновь возвращать сохраненную энергию к источнику.
3. В итоге будет происходить циркуляция электронов.

В электросетях с постоянным током мощность, как и другие ключевые параметры, остается неизменной в течение некоторого периода. Для таких случаев применимо понятие мощности, представляющей собой произведение двух важных параметров тока — его силы и напряжения. Однако это нельзя сказать о токе переменном, ведь его параметры постоянно меняются. Именно поэтому нельзя просто определить значение по той формуле коэффициента мощности, которая используется для ее определения в случае с электросетью с постоянным током. По этой причине было введено такое понятие, как мгновенная мощность.

Мгновенная мощность

Этот показатель имеет непосредственное отношение к выделению энергии и к механической работе: то есть к тем явлениям, которые имеют инерционный характер. Применяется он исключительно для расчетов. В оценке расчетов различных показателей электрических сетей применяются также действующие значения силы тока и напряжения.

Измерительные приборы, знакомые со школьной скамьи — вольт- и амперметр — предназначены для измерения этих значений. Такой показатель, как полная мощность, по сути представляет собой произведение действующих силы тока и напряжения: достаточно их лишь перемножить.

Этот показатель используют при определении требований электросети. Измеряется не в ваттах, для этого существует специальная единица измерения с названием, которое прямо указывает на то, что именно нужно перемножить для определения значения — вольт-ампер.

Активная и реактивная

С появлением в электросети реактивных элементов начинают происходить изменения. Эти элементы могут накапливать энергию и затем возвращать ее. В итоге образуется так называемая реактивная мощность. Впрочем, она не выполняет никакую полезную работу. Разумеется, возвращается энергия уже с некоторыми потерями, поэтому в любой электросети реактивное значение пытаются свести к минимуму.

Активная мощность — это усредненное значение мгновенной за определенный временной отрезок. Она способна выполнять полезную работу. Для определения полной нужно активную и реактивную возвести в квадрат и затем из суммы этих квадратов извлечь квадратный корень.

Активную можно узнать, перемножив силу тока, напряжение и косинус фи. Если он будет равен единице, то активная мощность будет полностью соответствовать полной. Это будет означать, что потерь энергии нет вообще, и любая работа является полезной.

Коэффициент полезного действия в этом случае будет равен 100%. Случается это лишь на активной нагрузке, в сети, где нет реактивных элементов. Следовательно, при реактивной мощности не выполняется работа, однако, происходят потери, которые имеют обратно пропорциональную зависимость от косинуса фи. Чем ближе значение к единице, тем меньше потеря.

Увеличение значения

Косинус фи можно увеличить либо с помощью специальных компенсирующих устройств, либо без них. Первый способ подразумевает упорядочение процесса, которое улучшает энергетический режим. Определить коэффициент помогают специальные электроизмерительные приборы, называемые фазометрами.

Увеличивая значение косинуса фи в электрике, пытаются достичь трех главных целей:

1. Таким способом хотят сэкономить электроэнергию.
2. Увеличение косинуса фи способствует также экономии материала, который используется для изготовления проводников. Это тоже является экономией.
3. Высокое значение показателя говорит о высоком коэффициенте полезного действия.

Показатель косинус фи обязательно нужно принимать во внимание при создании электросетей. Если он будет недостаточно высоким, это неизбежно приведет к огромным потерям энергии.

Что такое «коэффициент мощности»?

Содержание

Сдвиг фаз между напряжением и током

Фазовый сдвиг – показатель, описывающий разность исходных фаз двух параметров, имеющих свойство меняться во времени с одинаковыми скоростями и периодами. Именно сдвиг между силой и напряжением определяет, сколько будет значение угла фи.

В радиотехнической промышленности используются цепочки для получения асинхронного хода. Одна RC-цепь создает 60-градусный сдвиг, для получения 180-градусного для трехфазной структуры организуют последовательное соединение трех цепочек.

При трансформации электродвижущей силы во вторичных обмотках прибора для всех вариаций тока ее значение идентично по фазе таковому для первичной обмотки. Если обмотки трансформатора включить в противофазе, значение напряжения получает обратный знак. Если напряжение идет по синусоиде, происходит сдвиг на 180 градусов.

В простом случае (к примеру, включение электрического чайника) фазы двух показателей совпадают, и они в одно и то же время достигают пиковых значений. Тогда при расчете потребительской мощности применять угол фи не требуется. Когда к переменному току подключен электродвигатель с составной нагрузкой, содержащей активный и индуктивный компоненты (двигатель стиральной машинки и т.д.), напряжение сразу подается на обмотки, а ток отстает вследствие действия индуктивности. Таким образом, между ними возникает сдвиг. Если индуктивный компонент (обмотки) подменен использованием достижений химии в виде емкостного аккумулятора, отстающей величиной, напротив, оказывается напряжение.

Косинус фи не следует путать с другим показателем, рассчитываемым для комплексных нагрузок, – коэффициентом демпфирования. Он широко используется в усилителях мощности и равен частному номинального сопротивлению прибора и выходному – усилка.

Угол фазового сдвига

Важный показатель

Косинус фи — показатель приборов, работающих от электротока. Это параметр, который характеризует искажения формы переменного тока. Если говорить математическим языком, этот показатель можно охарактеризовать как отношение активной мощности к полной. Чем выше это значение, тем эффективнее устройство расходует электроэнергию.

Для объяснения физического значения коэффициента в пример можно взять расчет других связанных с ним параметров для одного из устройств. Допустим:

1. В сеть переменного тока был включен идеальный конденсатор.
2. Поскольку переменное напряжение периодически меняет свою полярность, устройство будет то заряжаться, то вновь возвращать сохраненную энергию к источнику.
3. В итоге будет происходить циркуляция электронов.

https://youtube.com/watch?v=-MBd7x6GmHU

В электросетях с постоянным током мощность, как и другие ключевые параметры, остается неизменной в течение некоторого периода. Для таких случаев применимо понятие мощности, представляющей собой произведение двух важных параметров тока — его силы и напряжения. Однако это нельзя сказать о токе переменном, ведь его параметры постоянно меняются. Именно поэтому нельзя просто определить значение по той формуле коэффициента мощности, которая используется для ее определения в случае с электросетью с постоянным током. По этой причине было введено такое понятие, как мгновенная мощность.

Причины низкого «косинуса фи»

Недозагрузка электродвигателей переменного тока

При недозагрузке электродвигателя потребляемая им активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке. В то же время реактивная мощность изменяется меньше. Поэтому чем меньше нагрузка двигателя, тем с меньшим коэффициентом мощности он работает.

Так, например, асинхронный двигатель в 400 кВт при 1000 оборотах в минуту имеет «косинус фи», равный при полной нагрузке 0,83. При ¾ нагрузки тот же двигатель имеет cos φ = 0,8. При ½ нагрузке cos φ = 0,7 и при ¼ нагрузки cos φ = 0,5.

Двигатели, работающие вхолостую, имеют «косинус фи», равный от 0,1 до 0,3 в зависимости от типа, мощности и скорости вращения.

Неправильный выбор типа электродвигателя

Двигатели быстроходные и большой мощности имеют более высокий «косинус фи», чем тихоходные и маломощные двигатели. Двигатели закрытого типа имеют cos φ ниже, чем двигатели открытого типа. Двигатели, неправильно выбранные по типу, мощности и скорости, понижают cos φ.

Повышение напряжения в сети

В часы малых нагрузок, обеденных перерывов и тому подобного напряжение сети на предприятии увеличивается на несколько вольт. Это ведет к увеличению намагничивающего тока индивидуальных потребителей (реактивной составляющей их полного тока), что в свою очередь вызывает уменьшение cos φ предприятия.

Неправильный ремонт двигателя

При перемотке электродвигателей обмотчики вследствие неправильного подбора проводов иногда не заполняют пазы машины тем количеством проводников, которое было в фабричной обмотке. При работе такого двигателя, вышедшего из ремонта, увеличивается магнитный поток рассеяния, что приводит к уменьшению cos φ двигателя.

При сильном износе подшипников ротор двигателя может задевать при вращении за статор. Вместо того чтобы сменить подшипники, обслуживающий персонал иногда идет по неправильному и вредному пути и подвергает ротор обточке.

Увеличение воздушного зазора между ротором и статором вызывает увеличение намагничивающего тока и уменьшение cos φ двигателя.

Эффективность работы как важный параметр выбора

Еще одним важнейшим параметром работы светодиодного светильника является его энергоэффективность. Определяется он, как соотношение величины его светового потока к потребляемой мощности и задается в Лм/Вт.

На практике эффективность работы лед-прибора характеризует величину яркости при заданной мощности. Например, стандартное его значения для светодиодного источника – порядка 80 Лм/Вт, а для лампы накаливания – всего 11 Лм/Вт. Следовательно, при одинаковом энергопотреблении первый будет светить в 8 раз ярче второго.

Следует знать, что понятие эффективности работы нужно рассматривать раздельно для светодиода и самого светильника. Плафон, материал рассеивателя, система оптики и драйвер вносят свой вклад в потерю этого параметра. Это нужно обязательно учитывать при выборе лед-источника для того или иного типа прибора освещения.

Усредненные значения коэффициента мощности

ГОСТы указывают на необходимость корректного указания данной цифры. Для разных типов электроприборов характерные значения находятся в определенных границах:

• Нагревательные компоненты и лампы накаливания, несмотря на присутствие в составе катушек, рассматриваются как строго активная нагрузка, несущественную индуктивную составляющую в этом случае принято игнорировать. Косинус фи для них берут за единицу.
• У ударных и обычных дрелей, перфораторов и подобных ручных инструментов, работающих от электричества, индуктивная нагрузка выражена слабо, индикатор примерно равен 0,95-0,97. Обычно эту цифру не указывают в инструкциях из-за очевидного пренебрежимо малого значения индукции.
• Сварочные трансформаторы, высокомощные двигатели, люминесцентные лампочки несут существенную индуктивную нагрузку. Цифра может иметь значения в диапазоне 0,5-0,85. Ее надо правильно определить и учитывать при эксплуатации, к примеру, при выборе сечения кабелей питания (они не должны перегреваться).

Сварочный трансформатор – прибор, требующий повышенного внимания к показателю cos fi

Усредненные значения коэффициента мощности

Лампы накаливания и электрические нагревательные элементы, хотя и имеют в своих конструкциях спирали, намотанные с помощью специального провода, считаются чисто активной нагрузкой для сетей переменного тока. Так как индуктивность этих элементов настолько мала, что ею, как правило, просто пренебрегают. Для таких приборов cos ϕ (или коэффициент мощности) принимают равным 1.

В разнообразных электрических ручных инструментах (дрелях, перфораторах, лобзиках и так далее) индуктивная составляющая мощности достаточно мала. Для них принято считать cos ϕ≈0,96÷0,97. Этот показатель достаточно близок к единице, поэтому его, практически, никогда не указывают в технических характеристиках.

Для мощных электродвигателей, люминесцентных ламп и сварочных трансформаторов cos ϕ≈0,5÷0,82. Этот коэффициент мощности необходимо учитывать, например, при выборе диаметра питающих проводов, чтобы они не нагрелись, и не сгорела их изоляция.

Мощность и прогресс светодиодных ламп

По мере развития технологии производства лед-светильников совершенствовалась их энергоэффективность. Наряду с ростом мощности улучшался и ее удельный коэффициент, иначе называемый косинусом фи. Для расчета его величины применяется формула:

cosφ=P/S

Где P – реальная величина потребляемой нагрузки (затраченной на полезную работу), а S – полная мощность (по паспортным данным). Чем она выше, тем больше коэффициент КПД источника света, а, следовательно, и его энергоэффективность. Его значение в зависимости от экземпляра светильника может варьироваться в широких пределах от 0 до 1. У лучших светодиодных ламп он может достигать 0,95 и выше.

Не затраченная на полезную работу электроэнергия носит название реактивной мощности (в противоположность коэффициенту фи). Как правило, это обычные теплопотери. Например, у стандартной лампы накаливания этот параметр может достигать 95%. Это значит, что всего лишь 5% потребляемой мощности преобразуется в световое излучение, а основная – тратится на нагрев окружающего пространства!

Совершенно иная картина у светодиодных светильников. Их коэффициент мощности начинается как минимум с 0,85. Благодаря этому для достижения заданной яркости, сравнимой со стандартной лампой накала, потребляемую мощность можно снизить на порядок (наглядно это будет показано в ниже приводимых таблицах). Помимо этого показателя, среди их наиболее явных преимуществ выделяются:

1. Срок службы до 100 тыс. часов.
2. Максимальная энергоэффективность.
3. Пожаробезопасность.
4. Высокое качество цветопередачи.
5. Широкий спектр температуры цвета.
6. Экологичность.

Однако, чтобы параметры светодиодных светильников, в том числе коэффициент мощности, соответствовали принятым стандартам, производители должны строго соблюдать технологии изготовления. Поэтому распространенные многочисленные подделки и дешевые изделия фирм-однодневок не могут характеризоваться высоким качеством.

Падает ли мощность светодиодной лампы со временем

Фирменные лед-светильники существенно улучшают освещенность объектов, территорий и помещений благодаря стабильности работы, отсутствию пульсации и хорошей цветопередачи предметов. Однако со временем и их основные характеристики требуют проверки на предмет ухудшения. Среди наиболее важных параметров, указываемых производителем в паспортных данных, выделяются:

1. Световой поток светодиодных светильников (обозначается в люменах и определяет яркость свечения). Как правило, его значение несколько снижается после получасовой работы. Это нужно учитывать при изначальном его замере прибором – перед покупкой.
2. Температура цвета. Сегмент спектра может быть теплым, холодным и нейтральным.
3. Радиопомехи. При использовании качественных компонентов светодиодный светильник не испытывает возмущений. Для проверки его можно помесить вблизи радиоприемника.
4. Пульсация. Это важнейший параметр, влияющий на комфорт пребывания под действием прибора освещения. Для различного назначения существуют свои пределы глубины этой характеристики. Для измерения используется пульсометр.
5. Яркость. Изменяется со временем вследствие деградации лед-кристалла. Для определения применяется яркометр. Если величина ухудшилась более, чем на 30% от первоначального значения, лампочка требует замены.

Независимо от коэффициента мощности оттенок светового потока также изменяется. Цвет задается состоянием люминофора, который по мере эксплуатации может истончаться. В результате световой поток становится более холодным.

Коэффициент мощности cos φ: определение, назначение, формула

Коэффициент мощности – это скалярная физическая величина, показывающая насколько рационально потребителями расходуется электрическая энергия. Другими словами, коэффициент мощности описывает электроприемники с точки зрения присутствия в потребляемом токе реактивной составляющей.

Физическая сущность и основные методы определения

Математически cos φ

Математически cos φ определяется как отношение активной мощности к полной или равен отношению косинуса этих величин (отсюда и название параметра).

Величина коэффициента мощности может изменяться в интервале 0 — 1 (либо в диапазоне 0 — 100%). Чем ближе его величина к 1, тем лучше, поскольку при величине cos φ = 1 – потребителем реактивная мощность не потребляется (равняется 0), следовательно, меньше потребляемая полная мощность в общем.

Низкий cos φ указывает на то, что на внутреннем сопротивлении потребителя выделяется повышенная реактивная мощность.

 Когда токи / напряжения являются идеальными сигналами синусоидальной формы, то коэффициент мощности составляет 1.

В энергетике для коэффициента мощности используются следующие обозначения cos φ либо λ. В случае если для определения коэффициента мощности используется λ, его значение выражают в %.

Геометрически коэффициент мощности можно изобразить, как косинус угла на векторной диаграмме между током, напряжением между током, напряжением. В связи с чем при синусоидальной форме токов и напряжений величина cos φ совпадает с косинусом угла, от которого отстают эти фазы.

Повышение коэффициента мощности

Значение коэффициента мощности рассчитывают при проектировании сетей. Поскольку низкое его значение является следствием увеличения величины общих потерь электроэнергии. Для его увеличения в сетях используют различные способы коррекции, повышая его значение до 1.

Повышение cos φ преследует 3 основные задачи:

1) снижение потерь электроэнергии;

2) рациональное использование цветных металлов на создание электропроводящей аппаратуры;

3) оптимальное использование установленной мощности трансформаторов, генератор и прочих машин переменного тока.

Технически коррекция реализуется в виде введения различных дополнительных схем на вход устройств. Эта техника требуется для равномерного использования мощности фазы, устранения перегрузок нулевого провода 3-х-фазной сети, и является обязательной для импульсных источников питания, установленной мощностью 100 Вт и более.

Помимо этого, компенсация позволяет обеспечить отсутствие всплесков потребляемого тока на пике синусоиды, равномерную нагрузку на питающую линию.

Основные способы коррекции

1. Коррекция реактивной составляющей мощности производится путём включения реактивного элемента, имеющего противоположное действие. К примеру, для компенсации работы асинхронной машины, обладающей высокой индуктивной реактивной составляющей мощности, в параллель включается конденсатор.

2. Корректировка нелинейности электропотребления. При потреблении тока нагрузкой непропорционально основной гармонике напряжения, для повышения коэффициента мощности в схему вводят пассивный (активный) корректор коэффициента мощности. Наиболее простым примером пассивного корректора cos φ является дроссель с высокой индуктивностью, подключаемый последовательно с нагрузкой. Дроссель производит сглаживание импульсного потребления нагрузки и создание низшей, основной гармоники тока.

3. Корректировка естественным способом, не предусматривающая установку дополнительных устройств, предполагает упорядочение технологического процесса, рациональное распределение нагрузок, ведущее к улучшению режима потребления электроэнергии оборудованием, повышению коэффициента мощности.

Практическое значение

В электроэнергетике при проектировании сетей cos коэффициент фи стремятся повысить как можно больше. Соотношение cos угла fi подразумевает, что в случае его малого показателя для обеспечения нужной мощности цепи потребуется использовать электрический ток очень большой силы. Существует корреляция между применением высокого тока и потерями энергии в подводящих кабелях: если показания электросчетчика заметно выше ожидаемых, всегда проверяют правильность расчетов угла фи.

Показатель может быть выяснен с помощью специального прибора – фазометра. При недостаточности коэффициента в дело идут усилители и другие установки, призванные скомпенсировать энергетические потери. Если угол фи рассчитан неправильно, будут иметь место снижение эффективности работы электрооборудования и рост энергопотребления.

Низкий коэффициент мощности: причины и последствия

Низкий показатель приводит к максимуму устранения энергетической составляющей. Используются специальные приборы для компенсации, которые позволяют снизить потребление электричества и увеличить кпд устройства.

Нагрузочные потери в элементах сети

Нагрузочные приводят к перераспределению и снижению энергетической составляющей. Уровень напряжения падает, что обуславливает значительный перегрев устройства. Следствие — потеря эффективности и работоспособности, быстрый выход оборудования из строя.

Потери в силовом трансформаторе

Коэффициент, обладающий разрозненными характеристиками, вызывает уход электроэнергии. Энергия неправильно распределяется. Увеличив рассматриваемый показатель удается достигнуть необходимых характеристик. В условиях значительной стоимости энергия в современных реалиях для предприятия снижение потерь становится первостепенной задачей. Дополнительно можно подключить нагрузку.

Особенности компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ

Целесообразность компенсации реактивной мощности для потребителя можно рассматривать, как в техническом, так и экономическом аспектах. В случае подключения потребителя к распределительной сети 6,3 (10,5) кВ конденсаторные установки могут интегрироваться на подстанции в балансовой принадлежности электросетевой компании и тогда потребитель будет иметь чисто техническую выгоду от качества получаемой электроэнергии. При установке КРМ 6,3 (10,5) кВ (или УКРМ 6,3 (10,5) кВ) на шинах РУ 6,3 (10,5) кВ предприятия, или на шинах РУ цеховых ТП 6-10/0,4 кВ, шинах первичных цеховых РП 0,4 кВ, а также непосредственно у электроприемников, потребитель будет иметь, как техническую, так и экономическую выгоду за счет возможности использования активной мощности в более полном объеме и соответственно снижения затрат на «балластную» реактивную мощность.

Способы увеличения «косинуса фи»

Вышеперечисленные последствия низкого cos φ с достаточной убедительностью говорят о том, что необходимо вести борьбу за высокий cos φ. К мерам увеличения cos φ относятся:

1. Правильный выбор типа, мощности и скорости вновь устанавливаемых двигателей;
2. Увеличение загрузки двигателей;
3. Недопущение работы двигателей вхолостую продолжительное время;
4. Правильный и высококачественный ремонт двигателей;
5. Применение статических (то есть неподвижных, невращающихся) конденсаторов.

Малый вес конденсаторов, отсутствие вращающихся частей, незначительные потери энергии в них, легкость обслуживания, безопасность и надежность в работе дают возможность широкого применения статических конденсаторов для повышения cos φ двигателей.

Подбирая величину емкости при параллельном соединении и емкости, можно добиться уменьшения угла сдвига фаз между напряжением и общим током при неизменной активной и реактивной мощности, потребляемой ветвью с индуктивностью. Этот угол можно сделать равным нулю. Тогда ток, текущий на общем участке цепи, будет иметь наименьшую величину и совпадать по фазе с напряжением сети.

Это явление называется компенсацией сдвига фаз и широко используется на практике. По экономическим соображениям невыгодно доводить угол φ до нуля, практически целесообразно иметь cos φ = 0,9 – 0,95.

Рассмотрим расчет емкости конденсаторов, которые нужно включить параллельно индуктивной нагрузке, чтобы повысить cos φ до заданной величины.

На рисунке 1, а изображена схема включения индуктивной нагрузки в сеть переменного тока. Для увеличения коэффициента мощности параллельно потребителю включена батарея конденсаторов. Векторная диаграмма начинается с построения вектора напряжения U. Ток I₁ вследствие индуктивного характера нагрузки отстает по фазе от напряжения сети на угол φ₁. Необходимо уменьшить угол сдвига фаз между напряжением U и общим током до величины φ. Иначе говоря, увеличить коэффициент мощности от значения cos φ₁ до значения cos φ.

Рисунок 1. Увеличение cos φ при помощи статических конденсаторов:а – схема включения; б – векторная диаграмма

Отрезок ос, представляющий активную слагающую тока I₁, равен:

ос = I₁ × cos φ₁ = оа × cos φ₁ .

Пользуясь выражением мощности переменного тока

P = U × I × cos φ ,

отрезок ос выразим так:

Ток на общем участке цепи I равен геометрической сумме тока нагрузки I₁ и тока конденсатора I_C.

Из треугольника оас и овс имеем:

ас = ос × tg φ₁ ;bс = ос × tg φ .

Из диаграммы получаем:

ab = od – ac – bc = ос × tg φ₁ – ос × tg φ = oc × (tg φ₁ – tg φ) .

Так как

abI_C

Вместе с этим, как было указано выше,

I_C = U × ω × C .

Следовательно,

Пример 1. Электрические двигатели шахты потребляют мощность 2000 кВт при напряжении 6 кВ и cos φ₁ = 0,6. Требуется найти емкость конденсаторов, которую нужно подключить на шины установки, чтобы увеличить cos φ до 0,9 при f = 50 Гц.

Решение.

cos φ₁ = 0,6;     φ₁ = 53°10’;     tg φ₁ = 1,335;

cos φ = 0,9;     φ = 25°50’;     tg φ = 0,484;

Треугольник мощностей

Рассматриваемый коэффициент может быть измерен так же, как частное полезного активного значения мощности к общей (S=I*U). Для иллюстрации влияния фазового сдвига на косинус фи применяется прямоугольный треугольник мощностей. Катеты, образующие прямо угол, представляют реактивное и активное значение, гипотенуза – общее. Косинус выделенного угла равен частному активной и общей мощностей, то есть он является коэффициентом, демонстрирующим, какой процент от полной мощности требуется для нагрузки, имеющей место в данный момент. Чем меньший вес имеет реактивный компонент, тем больше полезная мощность.

Важно! Строго говоря, данный параметр полностью соответствует коэффициенту мощности только при идеально синусоидальном движении тока в электросети. Для получения максимально точной цифры требуется анализ искажений нелинейного характера, присущих переменным току и напряжению

В практических подсчетах эти искажения чаще всего игнорируют и полагают показатель cos fi примерно равным требуемому коэффициенту.

Треугольник мощностей

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности при помощи конденсаторов

К ухудшению коэффициента мощности (непропорциональному потребляемому току относительно напряжения) приводят реактивная и нелинейная нагрузки. Реактивные нагрузки корректируется внешними реактивностями, именно для них определена величина cos φ.

Коррекция коэффициента мощности ((англ. power factor correction) PFC) — процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам.

Технически реализуется в виде той или иной дополнительной схемы на входе устройства.

Данная процедура, необходимая для равномерного использования мощности фазы и исключения перегрузки нейтрального провода трёхфазной сети, обязательна для импульсных источников питания мощностью в 100 и более ватт[источник не указан 2721 день]. Компенсация обеспечивает отсутствие всплесков тока потребления на вершине синусоиды питающего напряжения и равномерную нагрузку на силовую линию.

Разновидности коррекции коэффициента мощности

• Коррекция реактивной составляющей полной мощности потребления устройства. Выполняется путём включения в цепь реактивного элемента, производящего обратное действие. Например, для компенсации действия электродвигателя переменного тока, обладающего высокой индуктивной реактивной составляющей полной мощности, параллельно цепи питания включается конденсатор.
• Коррекция нелинейности потребления тока в течение периода колебаний питающего напряжения. Если нагрузка потребляет ток непропорционально основной гармонике питающего напряжения, для повышения коэффициента мощности требуется схема пассивного (PPFC) или активного корректора коэффициента мощности (APFC). Простейшим пассивным корректором коэффициента мощности является дроссель с большой индуктивностью, включенный последовательно с питаемой нагрузкой. Дроссель выполняет сглаживание импульсного потребления нагрузки и выделение низшей, то есть основной, гармоники потребления тока, что и требуется.

Мгновенная мощность

Этот показатель имеет непосредственное отношение к выделению энергии и к механической работе: то есть к тем явлениям, которые имеют инерционный характер. Применяется он исключительно для расчетов. В оценке расчетов различных показателей электрических сетей применяются также действующие значения силы тока и напряжения.

Измерительные приборы, знакомые со школьной скамьи — вольт- и амперметр — предназначены для измерения этих значений. Такой показатель, как полная мощность, по сути представляет собой произведение действующих силы тока и напряжения: достаточно их лишь перемножить.

Гармонические искажения

В настоящее время большая часть бытовой техники является для электросети нелинейной нагрузкой.
Телевизоры, компьютеры, мониторы, муз. центры, адаптеры, зарядные устройства, энергосберегающие лампочки и многие другие бытовые приборы
имеют выпрямитель или импульсный блок питания, искажающий форму тока.
В результате, дополнительно к основной частоте 50 гц, в сети появляются высшие кратные гармоники — 100 гц, 150 гц, 200 гц, 250 гц и.т.д…
Высшие гармоники тока на активной нагрузке выделяют активную мощность, но энергетически не связаны с источником (генератором)
и являются потерями для энергосистемы.
Мощность высших гармоник, как и реактивная, будет рассеиваться на активном сопротивлении проводов, кабелей,
трансформаторов и линий электропередач в виде тепла и других негативных явлений в силовых установках сети (паразитный резонанс, вихревые токи и.т.д…).
Коэффициент мощности для нелинейных нагрузок определится из коэффициента гармоник соотношением:

DPF (Distortion Power Factor) — это тот же PF, но только для гармонических искажений, без учёта сдвига фаз.
THD (Total Harmonic Distortion) — коэффициент гармоник,
равный отношению суммы квадратов тока или напряжения высших гармоник к квадрату тока (напряжения) основной гармоники.

В этом случае коэффициент мощности можно выразить, как отношение действующего значения тока основной гармоники
к действующему значению тока в нагрузке.

Многие бытовые потребители снабжены симисторным регулятором мощности,
который не только вносит гармонические искажения тока, но и сдвигает фазу основной гармоники тока, что приводит к дополнительным (фазовым) потерям.
То есть, в таких случаях, коэффициент мощности определится не только коэффициентом искажений, но и сдвигом фазы основной гармоники.

Здесь cosφ₁ — косинус угла сдвига фазы тока основной (первой) гармоники относительно напряжения сети.

Современные пылесосы и стиральные машины с симисторными регуляторами оборотов вносят весь комплекс искажений тока по причине наличия электродвигателя,
как реактивной составляющей в нагрузке.
Тогда угол сдвига фаз для основной гармоники в расчётах увеличится с учётом общего сдвига тока индуктивностями обмоток двигателя.

Более существенные гармонические искажения в электросети возникают при использовании мощных сварочных преобразователей — инверторов,
которые могут искажать не только форму тока, но и напряжения в сети.
А это внесёт дополнительные потери мощности для всех других потребителей этой сети.

В общем случае для любых нагрузок, независимо от степени искажений и угла сдвига фаз, коэффициент мощности PF можно определить, как соотношение P/S,
вычислив активную P и полную S мощности интегрированием тока и напряжения во времени,
которое способны произвести современные цифровые измерительные приборы на основе микроконтроллеров.

Потребляемая (активная) мощность P — это среднее значение мощности в нагрузке за период,
т.е среднеарифметическое всех мгновенных значений UI.
Полная мощность — это произведение среднеквадратичных значений напряжения сети и тока нагрузки.
Тогда коэффициент мощности вычисляется следующим образом:

В целях компенсации гармонических искажений, в электрические потребители, содержащие нелинейные элементы в силовых цепях,
устанавливают специальные Корректоры Коэффициента Мощности (ККМ) — Power Factor Correction (PFC),
которые могут быть как пассивными (фильтры L или LC), так и активными.
Активные PFC — это преобразователи, способные приблизить форму тока в нагрузке к синусоидальной,
тем самым устранив (по возможности) высшие гармоники из общего спектра колебаний тока.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

 

 

Помогла ли вам статья?

Задать вопрос

Пишите ваши рекомендации и задавайте вопросы в комментариях

Объяснение коэффициента мощности — Инженерное мышление

Объяснение коэффициента мощности

Объяснение коэффициента мощности. В этом уроке мы рассмотрим коэффициент мощности. Мы узнаем, что такое коэффициент мощности, что такое хороший и плохой коэффициент мощности, как сравнивать коэффициент мощности, причины коэффициента мощности, почему и как исправить коэффициент мощности, а также некоторые примеры расчетов, которые помогут вам изучить электротехнику.
Прокрутите вниз, чтобы посмотреть БЕСПЛАТНОЕ руководство на YouTube

Итак, что такое коэффициент мощности?

Что такое коэффициент мощности

Коэффициент мощности — безразмерное число, используемое в цепях переменного тока. Его можно использовать для обозначения отдельной единицы оборудования, например, асинхронного двигателя, или для обозначения потребления электроэнергии во всем здании. В любом случае он представляет собой соотношение между истинной мощностью и кажущейся мощностью. Формула PF = кВт / кВА. Итак, что это значит?

Моя любимая аналогия для объяснения этого — аналогия с пивом.

Мы платим за пиво по стаканам, а внутри стакана и пиво, и пена. Чем больше у нас пива, тем меньше пены, поэтому мы получаем хорошее соотношение цены и качества. Если много пены, то пива мало, и мы не получаем хорошего соотношения цены и качества.

Коэффициент мощности аналогия с пивом

Пиво представляет нашу истинную мощность или наши кВт, киловатты. Это полезные вещи, которые мы хотим и в которых нуждаемся, это то, что делает работу.

Пена представляет собой нашу реактивную мощность или наши реактивные кВАр, киловольт-ампер. Это бесполезные вещи, они всегда будут, и мы должны платить за них, но мы не можем их использовать, поэтому мы не хотим их слишком много. (на самом деле у него есть применение и назначение, но позже мы поймем почему)

Комбинация этих кВт и кВАр является нашей полной мощностью или нашей кВА. киловольт-ампер

.

Формула коэффициента мощности

Коэффициент мощности, таким образом, представляет собой отношение полезной мощности или фактической мощности в кВт, деленное на то, за что мы платим, в кВА. Таким образом, это говорит нам о том, какое соотношение цены и качества мы получаем за потребляемую мощность.

Треугольник мощности – коррекция коэффициента мощности

Если мы очень кратко коснемся терминов электротехники, то можем увидеть, что это выражается в виде треугольника мощности. В этом случае я нарисую его как ведущий фактор мощности, так как его легче визуализировать. Пиво или истинная мощность — это соседняя линия, затем у нас есть пена, которая представляет собой реактивную мощность на противоположной стороне, затем для стороны гипотенузы, которая является самой длинной стороной, у нас есть кажущаяся мощность, это под углом от истинного мощность, угол известен как тета.

Формулы коэффициента мощности

По мере увеличения реактивной мощности или пенообразования увеличивается и полная мощность или кВА. Затем мы могли бы использовать тригонометрию для вычисления этого треугольника, я не буду в этой статье, поскольку я просто рассказываю об основах, поэтому мы просто увидим нужные вам формулы, но мы сделаем некоторые расчеты и рабочие примеры позже в этой статье.

Если мы посмотрим на типичный счет за электроэнергию для жилого дома, мы обычно увидим плату за количество использованных кВтч, потому что коэффициент мощности и потребление электроэнергии будут очень низкими, поэтому электроэнергетические компании, как правило, не беспокоятся об этом.

Однако в коммерческих и промышленных счетах за электроэнергию, особенно в зданиях с интеллектуальными или интервальными счетчиками электроэнергии, мы, скорее всего, увидим платежи и информацию об использованном количестве кВт, кВтч, кВА и кВАрч. В частности, в больших зданиях часто также будет наблюдаться плата за реактивную мощность, но это зависит от поставщика электроэнергии.

Плата за реактивную мощность

Причина, по которой они взимают штраф за это, заключается в том, что когда крупные потребители имеют плохие коэффициенты мощности, они увеличивают ток, протекающий через электрическую сеть, и вызывают перепады напряжения, что снижает мощность распределения поставщиков и имеет эффект детонации для другие клиенты. Кабели рассчитаны на то, чтобы выдерживать определенное количество тока, протекающего через них. Таким образом, если многие крупные потребители подключаются с плохими коэффициентами мощности, то кабели могут быть перегружены, им будет сложно удовлетворить спрос и соглашения о пропускной способности, и ни один новый потребитель не сможет подключиться, пока они либо не заменят кабели, либо не установят дополнительные кабели.

Плата за реактивную мощность возникает, когда коэффициент мощности здания падает ниже определенного уровня, этот уровень определяется поставщиком электроэнергии, но обычно он начинается от 0,95 и ниже.

Идеальный коэффициент мощности должен быть равен 1,0, однако на самом деле этого почти невозможно достичь. Мы вернемся к этому позже в видео.

В крупных коммерческих зданиях общий коэффициент мощности, скорее всего, относится к следующим категориям

Хороший коэффициент мощности обычно составляет от 1,0 до 0,95

Плохой коэффициент мощности — от 0,95 до 0,85

Плохой коэффициент мощности — любой ниже 0,85.

Коммерческие офисные здания обычно имеют значение между 0,98 и 0,92, промышленные здания могут иметь значение всего 0,7. Вскоре мы рассмотрим причины этого.

Сравнение коэффициента мощности асинхронного двигателя

Если мы сравним два асинхронных двигателя, оба имеют выходную мощность 10 кВт и подключены к трехфазной сети 415 В 50 Гц. У одного коэффициент мощности 0,87, у другого коэффициент мощности 0,9.2

Оба двигателя обеспечивают мощность 10 кВт, но первый двигатель имеет более низкий коэффициент мощности по сравнению со вторым, а это означает, что мы не получаем такого соотношения цены и качества.

Первый двигатель должен потреблять 11,5 кВА из электросети, чтобы обеспечить мощность 10 кВт.

Второй двигатель должен потреблять всего 10,9 кВА из электросети, чтобы обеспечить мощность 10 кВт.

Это означает, что первый двигатель имеет мощность 5,7 кВАр, а второй двигатель имеет мощность всего 4,3 кВАр. 92

Мы могли бы также найти коэффициент мощности из кВт и кВА, используя 10 кВт, деленные на 11,5 кВА

PF = кВт / кВА

Мы могли бы найти кВт из коэффициента мощности и кВА, используя получить 10

кВт = PF x кВА

Так что же вызывает плохой коэффициент мощности?

В большинстве случаев на коэффициент мощности влияют индуктивные нагрузки.

Чисто резистивная нагрузка

Если бы у нас была чисто резистивная нагрузка, такая как электрический резистивный нагреватель, то формы волн напряжения и тока были бы синхронизированы или очень близки. Они оба прошли бы свои точки максимума и минимума и прошли бы нулевую ось одновременно. Коэффициент мощности в этом случае равен 1, что идеально.

Если бы мы нарисовали векторную диаграмму, то напряжение и ток были бы параллельны, поэтому вся энергия, получаемая от источника электричества, идет на выполнение работы, в данном случае на создание тепла.

Чисто индуктивная нагрузка

Если мы возьмем индуктивную нагрузку, такую ​​как асинхронный двигатель, магнитное поле катушек сдерживает ток и приводит к фазовому сдвигу, при котором формы волны напряжения и тока не синхронизируются с током, и поэтому он проходит через нулевая точка после напряжения, это называется отстающим коэффициентом мощности.

Ранее в статье я сказал, что пена или кВАр бесполезны, это не совсем так, нам действительно нужна реактивная мощность для создания и поддержания магнитного поля, которое вращает двигатель. Реактивная мощность тратится впустую в том смысле, что мы не получаем от нее работы, но все же должны за нее платить, хотя она нам нужна, прежде всего, для выполнения работы. Ранее мы рассмотрели, как работают асинхронные двигатели, щелкните здесь, чтобы просмотреть этот учебник.

Если мы нарисуем векторную диаграмму для чисто индуктивной нагрузки, то ток будет под углом ниже линии напряжения, а это означает, что не все потребляемое электричество совершает работу.

Чисто емкостная нагрузка

Если мы взяли чисто емкостную нагрузку, то с индуктивной нагрузкой происходит обратное. Напряжение и ток не совпадают по фазе, за исключением того, что на этот раз напряжение сдерживается. Это приводит к опережающему коэффициенту мощности. Опять же, это будет означать, что не вся электроэнергия используется для выполнения работы, но мы должны платить за нее в любом случае.

Если бы мы нарисовали векторную диаграмму для чисто емкостной нагрузки, то линия тока располагалась бы под углом над линией напряжения, поскольку она опережает.

Коррекция плохого коэффициента мощности

Волновая диаграмма коррекции коэффициента мощности

Что мы можем сделать, чтобы исправить низкий коэффициент мощности и плату за реактивную мощность? В большинстве случаев мы сталкиваемся с отстающим коэффициентом мощности, вызванным индуктивными нагрузками, но мы можем встретить и опережающий коэффициент мощности.

Чтобы скорректировать низкий коэффициент мощности, мы можем добавить в цепь конденсаторы или катушки индуктивности, которые вернут ток обратно в фазу и приблизит коэффициент мощности к 1. Если у нас есть запаздывающий коэффициент мощности, вызванный высокими индуктивными нагрузками в цепи, тогда мы добавляем конденсаторы, это наиболее распространено. Если у нас есть опережающий коэффициент мощности, вызванный высокими емкостными нагрузками, мы добавляем в цепь индуктивную нагрузку. Их необходимо рассчитать, и мы увидим несколько примеров расчетов в конце статьи.

Зачем исправлять низкий коэффициент мощности?

Зачем исправлять плохой коэффициент мощности

Низкий коэффициент мощности означает, что для выполнения той же работы вам нужно получать больше энергии от электрических сетей, а кабели должны быть больше, поэтому это будет стоить дороже. Если коэффициент мощности станет слишком низким, поставщик электроэнергии может взимать с вас штраф или плату за реактивную мощность. Низкий коэффициент мощности может вызвать потери в оборудовании, таком как трансформаторы, и привести к сильному выделению тепла. Это может привести к перепадам напряжения и даже сократить ожидаемый срок службы оборудования в экстремальных сценариях.

Расчет конденсатора для коррекции коэффициента мощности

Рассмотрим упрощенный пример расчета размера конденсатора для улучшения коэффициента мощности нагрузки. В здании есть 3-фазное электроснабжение, общая рабочая нагрузка 50 кВт и коэффициент мощности 0,78, но мы хотим, чтобы он был 0,96, чтобы избежать штрафных санкций.

В настоящее время общая кажущаяся мощность (кВА) здания составляет 64,1 кВА, и мы находим это, просто разделив кВт (50 кВт) на коэффициент мощности 0,78. 92 в квадрате, что дает нам 14,6 кВАр.

Таким образом, конденсатор должен компенсировать разницу между этими двумя значениями, то есть 40,1 кВАр минус 14,6 кВАр, что равняется конденсатору 25,5 кВАр. Это упрощенный пример, уточняйте у поставщика.

Понимание коэффициента мощности — кооператив Laurens Electric

Коэффициент мощности — это мера того, насколько эффективно вы используете электроэнергию. Различные виды энергии работают, чтобы обеспечить нас электрической энергией. Вот что делает каждый.

Рабочая мощность – «истинная» или «реальная» мощность, используемая во всех электроприборах для выполнения работы по нагреву, освещению, движению и т. д. Мы выражаем это в кВт или киловаттах. Распространенными типами резистивных нагрузок являются электрическое отопление и освещение.

Индуктивной нагрузке, такой как двигатель, компрессор или балласт, также требуется реактивная мощность для создания и поддержания магнитного поля для работы. Мы называем эту нерабочую мощность кВАр или киловольт-ампер-реактивная.

В каждом доме и офисе есть резистивные и индуктивные нагрузки. Соотношение между этими двумя типами нагрузок становится важным по мере добавления индуктивного оборудования. Рабочая мощность и реактивная мощность составляют полную мощность, которая называется кВА, киловольт-ампер. Мы определяем полную мощность по формуле кВА2 = кВ*А.

Идя дальше, коэффициент мощности (PF) представляет собой отношение рабочей мощности к полной мощности, или формула PF = кВт / кВА. Высокий PF приносит пользу как потребителю, так и коммунальному предприятию, в то время как низкий PF указывает на плохое использование электроэнергии.

Вот пример.

Операция штамповки стали выполняется при 100 кВт (рабочая мощность), а измеритель полной мощности регистрирует 125 кВА. Чтобы найти коэффициент мощности, разделите 100 кВт на 125 кВА, чтобы получить коэффициент мощности 80 %. Это означает, что только 80 % поступающего тока совершает полезную работу, а 20 % тратится на нагрев проводников. Поскольку Laurens Electric должна обеспечивать потребности всех клиентов как в кВт, так и в кВА, чем выше PF, тем эффективнее становится наша распределительная система.

Улучшение коэффициента мощности может максимизировать пропускную способность по току, улучшить напряжение на оборудовании, снизить потери мощности и снизить счета за электроэнергию.

Самый простой способ улучшить коэффициент мощности — добавить в электрическую систему корректирующие конденсаторы коэффициента мощности. Конденсаторы коррекции коэффициента мощности действуют как генераторы реактивного тока. Они помогают компенсировать нерабочую мощность, используемую индуктивными нагрузками, тем самым улучшая коэффициент мощности. Взаимодействие между конденсаторами PF и специализированным оборудованием, таким как приводы с регулируемой скоростью, требует хорошо спроектированной системы.

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности могут включаться каждый день при запуске индуктивного оборудования. Включение конденсатора может вызвать кратковременное состояние «перенапряжения». Если у заказчика возникают проблемы с самопроизвольным отключением преобразователей частоты из-за «перенапряжения» каждый день примерно в одно и то же время, проверьте последовательность управления переключением. Если клиент жалуется на перегорание предохранителей на некоторых, но не на всех конденсаторах, проверьте гармонические токи.

Коррекция коэффициента мощности конденсаторами

Описание:

Коэффициент мощности – это соотношение (фаза) тока и напряжения в электрических распределительных сетях переменного тока. В идеальных условиях ток и напряжение находятся «в фазе», а коэффициент мощности равен «100 %». Если присутствуют индуктивные нагрузки (двигатели), коэффициент мощности менее 100 % (обычно от 80 до 90 %).

Низкий коэффициент мощности, с точки зрения электротехники, приводит к тому, что в линиях распределения электроэнергии протекает более сильный ток, чтобы доставить определенное количество киловатт сверх электрической нагрузки.

Эффекты?

Система распределения электроэнергии в здании или между зданиями может быть перегружена избыточным (бесполезным) током.

Мощность систем генерации и распределения электроэнергии, принадлежащих Laurens Electric, измеряется в кВА (килоамперах).

КВА = ВОЛЬТ X АМПЕР X 1,73 (трехфазная система) / 1000

При единичном коэффициенте мощности (100%), для обеспечения 2000 кВт потребуется 2000 кВА генерирующей и распределительной сети. Однако, если бы коэффициент мощности упал до 85%, потребовалась бы мощность 2353 кВА. Таким образом, мы видим, что более низкий коэффициент мощности оказывает обратное влияние на генерирующие и распределительные мощности.

Низкий коэффициент мощности перегружает генерирующие, распределительные и сети с избыточным кВА.

Если вы владеете большим зданием, вам следует рассмотреть возможность корректировки низкого коэффициента мощности по одной или обеим из следующих причин:

• Чтобы уменьшить вероятность дополнительных сборов за коэффициент мощности в случае, если Laurens Electric начнет выставлять счета за корректировку коэффициента мощности и
• Для восстановления мощности (кВА) перегруженных фидеров в здании или комплексе зданий.

Существует несколько методов коррекции низкого коэффициента мощности. Обычно используются: емкость.

Блоки конденсаторов

Наиболее практичным и экономичным устройством коррекции коэффициента мощности является конденсатор. Это улучшает коэффициент мощности, потому что влияние емкости прямо противоположно влиянию индуктивности.

Номинальная мощность конденсатора в кВАр показывает, сколько реактивной мощности будет отдавать конденсатор. Поскольку этот вид реактивной мощности компенсирует реактивную мощность, вызванную индуктивностью, каждый киловар емкости уменьшает чистую потребность в реактивной мощности на ту же величину. Например, конденсатор на 15 кВАр компенсирует 15 кВА индуктивной реактивной мощности.

Конденсаторы могут быть установлены в любой точке электрической системы и улучшат коэффициент мощности между точкой приложения и источником питания. Однако коэффициент мощности между нагрузкой и конденсатором останется неизменным. Конденсаторы обычно добавляются к каждой единице неисправного оборудования, перед группами двигателей (перед центрами управления двигателями или распределительными панелями) или в основных службах.

Переключаемые конденсаторы

Установки, оборудованные очень большими прерывистыми индуктивными нагрузками, такие как большие двигатели, компрессоры и т. д., могут потребовать переключаемых конденсаторов; то есть конденсаторы подключены к отдельным двигателям или группам двигателей. Поэтому они действуют только при включении нагрузки двигателя. Либо мощность может включаться и выключаться на подстанции в зависимости от измеренного коэффициента мощности. Функция переключения требуется только в том случае, если требуемые конденсаторы настолько велики, что вызывают нежелательный опережающий коэффициент мощности в то время, когда большие двигатели выключены.

Для получения дополнительной информации см. информационный бюллетень «Снижение стоимости коэффициента мощности» (pdf), опубликованный Министерством энергетики США. Примечание. Для просмотра и печати PDF-файлов требуется Adobe Acrobat Reader.

Что подразумевается под коэффициентом мощности?

Низкий коэффициент мощности снижает пропускную способность электрической системы за счет увеличения протекающего тока. Поэтому иметь низкий коэффициент мощности неэффективно и дорого. Но что такое коэффициент мощности и что на него влияет?

Типичная распределительная система ограничена по величине тока, которую она может нести; коэффициент мощности, выраженный в процентах, является показателем величины полного тока, который может быть использован для создания работы (активной мощности). Чем ближе коэффициент мощности к 1,00 (100%), тем меньше ток, необходимый для выполнения указанной работы.

Например, нагрузка с коэффициентом мощности 0,80 означает, что только 80% мощности эффективно используется для выполнения работы. В идеальном мире вся мощность, получаемая из энергосистемы, должна быть преобразована в полезную работу, но в реальном мире это не так. Для полного описания коэффициента мощности необходимы сложные уравнения. Однако для более простого понимания Министерство энергетики США использует простую аналогию с мощностью, необходимой лошади, чтобы тянуть тележку по рельсам.

В идеале лошадь должна быть размещена перед вагоном, чтобы обеспечить наиболее эффективное тяговое усилие; однако это не всегда возможно. Угол буксировки отражает изменение коэффициента мощности: чем меньше угол, тем лучше коэффициент мощности, чем больше угол, тем ниже коэффициент мощности (рис. 1).

1. Углы влияют на полезную работу. Показанная здесь аналогия обеспечивает визуализацию, помогающую понять коэффициент мощности. Коэффициент мощности определяется как отношение реальной (рабочей) мощности к полной (полной) мощности. Если лошадь вести ближе к центру следа, угол бокового увода уменьшается, и реальная мощность приближается к значению кажущейся мощности. Источник: Министерство энергетики США

Полная энергия, необходимая для тяги вагона, представляет собой кажущуюся мощность. Фактическая энергия, движущая вагон, является реальной силой. Энергия, не используемая из-за угла тяги лошади, является реактивной мощностью. Другими словами, реальная мощность, также называемая рабочей мощностью (кВт), выполняет фактическую работу движения, тепла и света. Реактивная мощность или нерабочая мощность (кВар) поддерживает магнитное поле реактивной нагрузки (обычно индуктивной). Ток, используемый для создания реактивной мощности, не используется для создания работы; однако этот ток ложится бременем на систему распределения, поставщика электроэнергии и счета за электроэнергию объекта.

Векторная сумма рабочей мощности и нерабочей мощности представляет собой полную мощность (полную мощность):

Полная мощность = √ (активная мощность ² + реактивная мощность ² )

, которая используется для расчета коэффициента мощности:

Коэффициент мощности = Активная мощность / Полная мощность = косинус угла (ϕ)

Основы напряжения и тока

Чтобы понять коэффициент мощности, мы должны сначала понять некоторые основы теории переменного тока (AC) и связанные с ней формы сигналов. Напряжение в системе переменного тока чередуется между положительным и отрицательным (в синусоидальной форме) и заставляет ток вести себя аналогичным образом. Это происходит 60 раз в секунду (в системе с частотой 60 Гц) в диапазоне от 0 до 360 градусов. В отличие от систем переменного тока, напряжение в системе постоянного постоянного тока (DC) не изменяется.

Поскольку мгновенное значение напряжения переменного тока постоянно изменяется, наука определила другую меру для величин переменного тока, а именно среднеквадратичное значение. Среднеквадратичное значение сигнала переменного тока дает тот же эффект нагрева, что и сигнал постоянного тока того же значения.

Среднеквадратичное значение представляет собой квадратный корень из среднего арифметического квадратов набора мгновенных значений за период (цикл). Когда напряжение и ток являются чисто синусоидальными, среднеквадратичное значение напряжения и тока можно найти по пиковому (pk) напряжению и току:

V _ОБС = V _PK / √2

119,5 В _ОБС = 169 В _PK / 1,414

Аналогично,

I / 1,414

,

I / 1,414

,

I / 1,414

. A _RMS = 106 A _pk / 1,414

Вы можете спросить себя, какое отношение это имеет к коэффициенту мощности? Для расчета мощности переменного тока требуется знание среднеквадратичного значения напряжения, среднеквадратичного значения тока и синусоидального фазового соотношения. Итак, резюмируя, среднеквадратичное значение — это мера нагревательного эффекта, рассчитанная по форме волны, которая позволяет сравнивать переменный ток с постоянным. Любой фазовый сдвиг от чистой синусоидальной формы сигнала указывает на коэффициент мощности.

Ниже приведено сравнение того, как коэффициент мощности влияет на выходную мощность кВА при двух разных однофазных нагрузках.

Для электронагревателя мощностью 9 кВт (120 В перем. тока, 75 А) с входным коэффициентом мощности (PF) 1,0:

P = √1ϕ x 120 В перем. тока x 75 A x 1,0 PF = 9 кВт

кВА = √1ϕ x 120 В переменного тока x 75 A = 9 кВА

Для зарядного устройства мощностью 9 кВт (120 В переменного тока, 75 A) с входным коэффициентом мощности 0,866:

P = √1ϕ x 120 В переменного тока x 86,6 A x 0,866 PF = 9 кВт

кВА = √1ϕ x 120 В переменного тока x 86,6 A = 10,392 кВА

Хотя каждая нагрузка потребляет 9 кВт мощности, входной коэффициент мощности зарядного устройства составляет 0,866. Более низкий коэффициент мощности требует для работы дополнительных 11,6 А, которые в конечном итоге предоставляются энергетической компанией. Необходимо не только приобрести дополнительный реактивный ток, но и увеличить размер распределительной системы, чтобы справиться с дополнительным током.

Что влияет на коэффициент мощности?

Коэффициент мощности относится к соотношению между активной (полезной мощностью) и полной (полной) мощностью. Это отношение является мерой того, насколько эффективно используется электроэнергия.

Линейные резистивные нагрузки. В системе переменного тока нагрузки классифицируются по способу потребления тока. Линейная резистивная нагрузка — это чисто резистивная нагрузка, не содержащая ни индуктивных, ни емкостных компонентов, таких как электрические обогреватели и лампы накаливания. Кривые напряжения и тока пересекают нулевую координату в одной и той же точке.

Кривая мощности (P) на рис. 2 рассчитана по напряжению (V) и току (I), показанным в положительной области графика. В этом примере напряжение и ток составляют 120 ВСКЗ и 75 АСКЗ соответственно. Произведение двух равно 9кВА или 9 кВт. Напряжение и ток находятся «в фазе», и 100% мощности (рабочей мощности) эффективно используются для выполнения полезной работы. Коэффициент мощности для этого типа нагрузки равен 1,0.

2. Линейные активные нагрузки. Напряжение и ток совпадают по фазе с коэффициентом мощности, равным 1,0 для чисто резистивных нагрузок. Предоставлено Ametek Solidstate Controls

Линейные нерезистивные/реактивные нагрузки. Необычно найти чисто активные нагрузки; большинство нагрузок имеют дополнительную реактивную составляющую. Эти нерезистивные/реактивные нагрузки составляют большой процент всех нагрузок. Форма волны тока смещена от формы волны напряжения так, что она находится «в противофазе». Если нагрузка индуктивная, ток отстает от напряжения; если нагрузка емкостная, ток опережает.

Промышленные объекты, как правило, имеют отстающие нагрузки коэффициента мощности (индуктивные нагрузки). Этими типами нагрузок могут быть асинхронные двигатели, дроссели и трансформаторы. Нагрузки с опережающим коэффициентом мощности (емкостные нагрузки) менее распространены и обычно представляют собой подземные кабели или некоторые импульсные источники питания.

На рис. 3 та же нагрузка, что и на рис. 2, теперь имеет кривые напряжения и тока, сдвинутые по фазе на 30 градусов. Поскольку это индуктивная форма волны, ток теперь отстает.

3. Индуктивные нагрузки. Напряжение и ток не совпадают по фазе для линейных нерезистивных/реактивных нагрузок. В этом примере с индуктивной нагрузкой ток отстает от напряжения на 30 градусов при коэффициенте мощности 0,866. Предоставлено Ametek Solidstate Controls

Нелинейные нагрузки — гармоники. Современные промышленные установки имеют не только активные, индуктивные и емкостные нагрузки, но многие из них также включают полупроводниковое оборудование, такое как импульсные источники питания, приводы постоянного тока, частотно-регулируемые приводы (VFD), электронный балласт, дуговые сварочные аппараты и датчики температуры. -управляемые печи. Это все нелинейные нагрузки или нагрузки, для которых ток несинусоидален, даже когда напряжение синусоидально. Несинусоидальный характер этих сигналов выражается с помощью гармоник.

Гармоники — это сигналы различной амплитуды на частотах, кратных основной частоте напряжения (50 Гц или 60 Гц). Они накладываются на синусоидальную форму волны тока для создания общей формы волны тока. Рисунок 4 является примером такой формы волны тока.

4. Нелинейные нагрузки. На этом графике показаны формы сигналов напряжения и тока нелинейного источника питания с гармониками. Для наглядности он показан без 30-градусного фазового сдвига тока. Предоставлено Ametek Solidstate Controls

Среднеквадратичное значение всего тока находится путем суммирования среднеквадратичного значения каждой гармоники тока. При частоте сигнала 60 Гц это означает, что частота 2-й гармоники будет равна 120 Гц (60 Гц x 2 = 120 Гц), а частоты 3-й, 4-й и 5-й гармоник будут равны 180 Гц, 240 Гц и 300 Гц соответственно. Гармоники, кратные основной частоте, могут быть выражены как 2f, 3f, 4f и т. д.

Текущее полное гармоническое искажение (THD) представляет собой сумму всех гармонических составляющих формы волны тока по сравнению с основной составляющей волны тока. . Как показано ниже, это отношение среднеквадратичного значения гармоник тока к среднеквадратичному значению основного тока.

I _THD = RMS of current harmonics / RMS of fundamental current = √(I ₂ ² + I ₃ ² + I ₄ ² + …) / I ₁ x 100%

Для чисто синусоидальных сигналов фазовый сдвиг между напряжением и током достаточен для количественного определения коэффициента мощности (PF). Для сигналов, которые не являются синусоидальными, термин «коэффициент мощности смещения» (DpPF) используется для количественной оценки фазового сдвига между основными частотами двух сигналов (составляющими 50 Гц или 60 Гц). Для тех же несинусоидальных сигналов определен термин для количественной оценки влияния гармоник на коэффициент мощности. Этот термин называется коэффициентом мощности искажения (DF).

DF = 1 / √(1 + THD ² )

Чтобы найти общий коэффициент мощности (PF _T ), используется следующее уравнение:

Корреляция коэффициента мощности

Для линейных нагрузок треугольник мощности представляет собой прямоугольный треугольник, показывающий соотношение между рабочей, реактивной и полной мощностью. Соотношение между рабочей и полной мощностью – это PF. Значение может варьироваться от 0,0 до 1,0.

Рабочая мощность, также называемая истинной мощностью, реальной мощностью или активной мощностью, выполняет фактическую работу движения/обогрева/освещения и т. д. и измеряется в ваттах (Вт). Реактивная мощность поддерживает магнитное или электрическое поле в устройствах, таких как соленоидные катушки, обмотки двигателей, обмотки трансформаторов, конденсаторы и балласты, не выполняя реальной работы. Эта дополнительная энергия измеряется в реактивных вольт-амперах (ВАР) и иногда называется «безваттной» мощностью.