Power factor

http: // en. wikipedia. org Wikipedia. вільна енциклопедія

Коефіцієнт потужності для електричної системи змінного струму визначається як відношення активної потужності до повної потужності, і може приймати значення від 0 до 1. Активна потужність це корисна робота здійснюється в ланцюзі за певний час. Повна потужність є твір діючих (середньоквадратичних) струму і напруги в ланцюзі. Повна потужність може перевищувати активну потужність з наступних причин: можливий процес накопичення енергії в навантаженні з подальшою видачею енергії назад в мережу, так само нелінійна навантаження може сильно спотворювати форму хвилі споживаного струму. Навантаження, що володіють низьким коефіцієнтом потужності, збільшують втрати в системах рапределеніе електричної енергії, в результаті чого зростають ціни на електроенергію.

Коефіцієнт потужності в лінійних ланцюгах

У чисто резистивної (тобто активної) ланцюга змінного струму, фаза струму і фаза напруги збігаються (знаходяться в фазі тоесть синфазних), і змінюють полярність одночасно протягом кожного періоду. У ланцюгах, де присутні реактивні навантаження, такі, як ємності або індуктивності, відбувається накопичення енергії в навантаженнях, що призводить до виникнення тимчасової різниці (тобто зрушення фаз) між синусоїдою струму і синусоїдою напруги. Ця збережена в навантаженні енергія потім повертається назад в джерело і не робить тому ніякої корисної роботи в навантаженні. Ланцюг з низьким коефіцієнтом потужності, таким чином, буде мати більш високі струми, ніж ланцюг з високим коефіцієнтом потужності при передачі одній і тій же активній потужності.

Ланцюги, що містять тільки чисто резистивні нагрівальні елементи (лампи розжарювання, стрічкові нагрівачі, кухонні електроплити, і ін.), Мають коефіцієнт потужності 1.0. Ланцюги містять електромагнітні або ємнісні елементи (баласти розрядних ламп (люмінесцентних та ін.), Мотори та ін.), Часто мають коефіцієнт потужності нижче 1.0.

Для прикладу, в ланцюгах електричного освітлення, типове значення коефіцієнта

потужності звичайного баласту 0.4. 0.6 (normal power factor ballasts / NPF). Покращені баласти мають коефіцієнт потужності більш 0.9 (high power factor ballasts / HPF).

Поняття коефіцієнта потужності лежить в основі наступного факту: компанії-виробники електроенергії забезпечують споживачів вольт-амперами, а рахунок виставляють за вати. Коефіцієнти потужності нижче 1.0 вимагають, щоб мережа виробляла більше ніж мінімум вольт-амперів, необхідних для харчування активного навантаження (потужність якої дається ватами). Це збільшує вироблення електроенергії і ціни на передачу електроенергії. Наприклад, якщо коефіцієнт потужності навантаження дорівнює 0.7, то повна потужність буде в 1.4 рази більше, ніж активна потужність навантаження.

Лінійний струм в ланцюзі також буде в 1.4 рази більше, ніж струм, необхідний при коефіцієнті потужності рівному 1.0, тому втрати в ланцюзі будуть в 2 рази більше (так як вони пропорційні квадрату струму). В цьому випадку всі компоненти системи, тобто генератори, провідники, трансформатори, комутаційні й розподільні пристрої повинні бути збільшені в розмірах (і в ціні) з метою витримати екстратокі.

Вважається, що коефіцієнт потужності має гарне або високе значення якщо він перевищує 90. 95%. Постачальники електроенергії зазвичай встановлюють додаткові ціни для споживачів, які мають коефіцієнт потужності нижче певної межі, яка зазвичай знаходиться в межах 90. 95%. Інженери часто цікавляться коефіцієнтом потужності навантаження, як одним з факторів що впливають на ефективність передачі електроенергії.

Примітки до графіків: Миттєва і усереднена потужності, обчислення по відомим осцилограмами струму і напруги:

1 Переходи. потужності дорівнює 1 (Ф = 0, cos Ф = 1)

2 Переходи. потужності дорівнює 0 (Ф = 90, cos Ф = 0)

3 Переходи. потужності відстає (Ф = 45, cos Ф = 0.71)

Визначення та розрахунок коефіцієнту потужності

Потік енергії (тобто потужність) в колі змінного струму складається з трьох компонент:

Активна потужність іліReal power (P), вимірюється в ватах (Вт, англ. W)
Реактивна потужність іліReactive power (Q), вимірюється в вольт-амперах реактивних (Вар, англ. VAr)
Повна потужність іліApparent power (| S | або просто S), вимірюється в вольт-амперах (ВА, англ. VA)

Коефіцієнт потужності визначається як.

У випадку ідеальної синусоїди, P. Q і S можуть бути виражені як вектори, які утворюють векторний трикутник, тоді:

Якщо Ф це кут зсуву фаз між векторами струму і напруги, тоді коефіцієнт потужності дорівнює / cos Ф /, отже:

Так як розмірності одиниць P і S збігаються, то коефіцієнт потужності визначається безрозмірною величиною від 0 до 1. Коли коефіцієнт потужності дорівнює 0, потік енергії повністю реактивний, і збережена в навантаженні енергія повертається до джерела за кожен повний цикл (період). Коли коефіцієнт потужності дорівнює 1, вся енергія надійшла від джерела на навантаження, повністю споживається (поглащается) навантаженням. Зазвичай, коефіцієнт потужності характеризують як «випереджаюче» або «відстає», з метою показати знак кута зсуву фаз, причому випередження відповідає негативний знак.

Якщо до джерела живлення підключена чисто резистивная навантаження, то струм і напруга змінять полярність одночасно, і коефіцієнт потужності буде одиничним (1); в цьому випадку протягом кожного циклу (періоду) енергія тече через мережу в єдиному напрямку. Індуктивні навантаження, такі як трансформатори і мотори (з будь-яким типом обмоток), споживають реактивну потужність, причому синусоїда струму відстає від синусоїди напруги. Ємнісні навантаження, такі як конденсаторні батареї або заглиблений (прокладений в грунті) кабель, генерують реактивну потужність, причому струм випереджає напругу по фазі. Ємнісні і індуктивні навантаження будуть поглинати енергію протягом чверті періоду коливання змінного струму; за цю чверть періоду енергія буде запасатися в магнітному або електричному полі навантажувальних пристроїв. Протягом наступної чверті періоду ця збережена енергія буде повернута назад до джерела.

Для прикладу, для отримання 1кВт активної потужності, якщо коефіцієнт потужності дорівнює одиниці, необхідно передати 1кВА повної потужності (1кВт / 1 = 1кВА). При низькому значенні коефіцієнта потужності буде необхідно передати більше повної потужності для отримання тієї ж величини активної потужності. Для отримання 1кВт активної потужності при коефіцієнті потужності рівному 0.2, необхідно передати 5кВА повної потужності (1кВт / 0.2 = 5кВА).

Часто приймаються спеціальні заходи по збільшення коефіцієнта потужності системи з метою максимально наблизити коефіцієнт потужності до одиниці. Ця практика відома як корекція коефіцієнта потужності. Найпростіших способів корекції коефіцієнта потужності є підключення або відключення додаткових індуктивних або ємнісних батарей. Для прикладу, індуктивний ефект навантажень, що містять мотори, може бути усунутий локальним підключенням конденсаторів.

Несинусоїдальні компоненти

У ланцюгах, що мають тільки синусоїдальні струми і напруги, коефіцієнт потужності визначається тільки різницею (зрушенням) фаз між струмом і напругою. У таких випадках іноді використовується термін «зсувний коефіцієнт потужності». У загальному випадку коефіцієнт потужності визначається як відношення активної потужності до повної потужності. Ця концепція може бути застосована і до загального випадку обчислення повного (або істинного, що включає спотворення) коефіцієнта потужності, коли повна потужність містить всі гармонійні компоненти. Це дуже важливо при розгляді практичних енергосистем, які містять нелінійні навантаження, такі як випрямлячі, деякі типи систем освітлення, електродуги печі, зварювальне обладнання, імпульсні джерела живлення та інші пристрої.

Особливо важливим прикладом є мільйони персональних комп'ютерів, які зазвичай обладнуються імпульсними джерелами живлення з різною вихідною номінальною потужністю від 250Вт до 750Вт. Історично склалося, що ці дешеві джерела живлення мають вбудований двуполуперіодного випрямляч, який володіє провідністю тільки коли миттєве напруга в мережі перевищує напругу на конденсаторах, встановлених на виході випрямляча. Це призводить до дуже високих значень відносини пікового вхідного струму до середнього вхідного струму, що в свою чергу призводить до низького значення коефіцієнта потужності, обумовленого цими спотвореннями струму і до потенційно небезпечного рівня завантаженості фазной і нейтральної ліній.

Органи державного регулювання, наприклад Європейського Союзу, встановлюють обмеження на гармонійний склад з метою поліпшення коефіцієнта потужності. Зниження вартості електротехнічних компонентів прискорило розробку та впровадження двох різних методів поліпшення коефіцієнта потужності. Зазвичай це робиться або додаванням послідовно включеного індуктивного елемента (метод пасивної корекції коефіцієнта потужності, англ. Passive PFC), або додаванням імпульсного конвертера, який формує синусоїдальний вхід (метод активної корекції коефіцієнта потужності, англ. Active PFC). Для прикладу, коефіцієнт потужності імпульсних джерел живлення з вбудованим пасивним коректором може досягати значень 0.7-0.75. Коефіцієнт потужності імпульсних джерел живлення з вбудованим активним коректором може досягати значень до 0.99. Коефіцієнт потужності імпульсних джерел живлення без будь-якого коректора може досягати значень тільки 0.55-0.65.

Сучасний стандарт Європейського Союзу EN 61000-3-2 містить мінімальні вимоги: включення пасивного коректора коефіцієнта потужності в усі імпульсні джерела живлення з вихідною потужністю понад 75Вт.

Звичайний мультиметр (тестер) при спробі виміряти струм, споживаний несинусоїдної навантаженням, дасть неправильні результати, і, отже, не дозволить правильно обчислити коефіцієнт потужності. Для правильних фактичних вимірювань середньоквадратичного значення струмів і напруг (а отже і повної потужності) необхідно використовувати мультиметр для вимірювання істинного середньоквадратичного значення (ІСКЗ); відповідний англійський термін: true root - mean - square (TRMS). Для вимірювання активної та реактивної потужності необхідно використовувати ватметр, спеціально призначений для роботи з несинусоїдальними струмами.