Фактор силы

В области электротехники , то коэффициент мощности из сети переменного тока системы электропитания определяются как отношение от реальной власти поглощается нагрузкой к полной мощности , протекающей в цепи, и является безразмерным числом в замкнутом интервале от -1 до 1. Коэффициент мощности меньше единицы указывает на то, что напряжение и ток не совпадают по фазе, уменьшая среднее произведение двух. Реальная мощность - это мгновенное произведение напряжения и тока и представляет собой способность электричества выполнять работу. Кажущаяся мощность является продуктом RMSток и напряжение. Из-за энергии, накопленной в нагрузке и возвращаемой к источнику, или из-за нелинейной нагрузки, которая искажает форму волны тока, потребляемого от источника, кажущаяся мощность может быть больше реальной мощности. Отрицательный коэффициент мощности возникает, когда устройство (которое обычно является нагрузкой) генерирует мощность, которая затем течет обратно к источнику.

В системе электроснабжения нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности, при том же количестве передаваемой полезной мощности. Более высокие токи увеличивают потери энергии в системе распределения и требуют более крупных проводов и другого оборудования. Из-за затрат на более крупное оборудование и непроизводительных затрат энергии, электроэнергетические компании обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей, где коэффициент мощности низкий.

Коррекция коэффициента мощности увеличивает коэффициент мощности нагрузки, повышая эффективность системы распределения, к которой она подключена. Линейные нагрузки с низким коэффициентом мощности (например, асинхронные двигатели ) можно корректировать с помощью пассивной сети конденсаторов или индукторов . Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители , искажают ток, потребляемый системой. В таких случаях может использоваться активная или пассивная коррекция коэффициента мощности для противодействия искажению и повышения коэффициента мощности. Устройства для коррекции коэффициента мощности могут быть на центральной подстанции , распределены по распределительной системе или встроены в энергопотребляющее оборудование.

Линейные схемы [ править ]

Поток мощности, рассчитанный из переменного напряжения и тока, поступающих в нагрузку с нулевым коэффициентом мощности ( ϕ  = 90 °, cos ( ϕ ) = 0). Синяя линия показывает мгновенную мощность, поступающую в нагрузку: вся энергия, полученная в течение первой (или третьей) четверти цикла, возвращается в сеть во время второй (или четвертой) четверти цикла, в результате чего получается средний поток мощности (голубая линия ) нуля.

Мгновенная и средняя мощность, рассчитанная на основе переменного напряжения и тока для нагрузки с запаздывающим коэффициентом мощности ( ϕ  = 45 °, cos ( ϕ ) ≈ 0,71). Синяя линия (мгновенная мощность) показывает, что часть энергии, полученной нагрузкой, возвращается в сеть в течение части цикла, обозначенной ϕ .

Линейные цепи имеют синусоидальный отклик на синусоидальное линейное напряжение. Линейная нагрузка не изменяет форму входного сигнала, но может изменять относительную синхронизацию (фазу) между напряжением и током из-за своей индуктивности или емкости.

В чисто резистивной цепи переменного тока формы волны напряжения и тока синхронизированы (или синфазны ), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле. Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется (или рассеивается).

При наличии реактивных нагрузок, например конденсаторов или катушек индуктивности , накопление энергии в нагрузках приводит к разности фаз между формами сигналов тока и напряжения. Во время каждого цикла переменного напряжения дополнительная энергия в дополнение к любой энергии, потребляемой в нагрузке, временно сохраняется в нагрузке в электрических или магнитных полях, а затем возвращается в электрическую сеть через долю периода позже.

Электрические цепи, содержащие преимущественно резистивные нагрузки (лампы накаливания, нагревательные элементы), имеют коэффициент мощности почти 1, но цепи, содержащие индуктивные или емкостные нагрузки (электродвигатели, электромагнитные клапаны, трансформаторы, балласты люминесцентных ламп и другие), могут иметь коэффициент мощности хорошо. ниже 1.

В электрической сети реактивные нагрузки вызывают постоянные приливы и отливы непроизводительной энергии. Схема с низким коэффициентом мощности будет использовать большее количество тока для передачи заданного количества активной мощности, чем схема с высоким коэффициентом мощности, что приведет к увеличению потерь из-за резистивного нагрева в линиях электропередач и потребует использования более высоких номиналов. проводники и трансформаторы.

Определение и расчет [ править ]

Поток мощности переменного тока состоит из двух компонентов:

• Реальная мощность или активная мощность ( ) (иногда называемая средней мощностью ^[1] ), выраженная в ваттах (Вт).${\ displaystyle P}$
• Реактивная мощность ( ), обычно выражаемая в реактивных вольт-амперах (вар) ^[2]${\ displaystyle Q}$

Вместе они образуют комплексную мощность ( ), выраженную в вольт-амперах (ВА). Величина комплексной мощности - это полная мощность ( ), также выраженная в вольтамперах (ВА).${\ displaystyle S}$${\ displaystyle | S |}$

VA и var не являются единицами системы СИ, математически идентичны ватту, но используются в инженерной практике вместо ватта, чтобы указать, какое количество выражается. SI явно запрещает использование устройств для этой цели , или в качестве единственного источника информации о физической величине , как используется. ^[3]

Коэффициент мощности определяется как отношение реальной мощности к полной мощности. Поскольку мощность передается по линии передачи, она не состоит исключительно из реальной мощности, которая может выполнять работу после передачи на нагрузку, а состоит из комбинации активной и реактивной мощности, называемой полной мощностью. Коэффициент мощности описывает количество реальной мощности, передаваемой по линии передачи, относительно полной полной мощности, протекающей по линии. ^{[4] [5]}

Треугольник власти [ править ]

Можно связать различные компоненты мощности переменного тока, используя треугольник мощности в векторном пространстве. Реальная мощность распространяется горизонтально в направлении î, поскольку представляет собой чисто реальный компонент мощности переменного тока. Реактивная мощность простирается в направлении, поскольку она представляет собой чисто мнимую составляющую мощности переменного тока. Комплексная мощность (и ее величина, полная мощность) представляет собой комбинацию как активной, так и реактивной мощности, и поэтому может быть рассчитана с использованием векторной суммы этих двух компонентов. Мы можем сделать вывод, что математическая связь между этими компонентами такова:

${\displaystyle {\begin{aligned}S&=P+jQ\\|S|^{2}&=P^{2}+Q^{2}\\[3pt]|S|&={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}}\\\cos \theta {\text{, power factor}}&={\frac {P{\text{, real power}}}{|S|{\text{, apparent power}}}}\\{\text{or}}\\{\text{power factor}}&=\cos(\arctan(Q/P))\\{\text{it follows that. . .}}\\Q&=P*\tan(\arccos({\text{power factor}}))\end{aligned}}}$

Увеличение коэффициента мощности [ править ]

По мере увеличения коэффициента мощности (т.е. cos θ ) отношение реальной мощности к полной мощности (которая = cos θ ) увеличивается и приближается к единице (1), в то время как угол θ уменьшается, а реактивная мощность уменьшается. [Поскольку cos θ → 1, его максимально возможное значение, θ → 0 и, следовательно, Q → 0, поскольку нагрузка становится менее реактивной и более чисто резистивной].

Уменьшение коэффициента мощности [ править ]

По мере уменьшения коэффициента мощности отношение реальной мощности к полной мощности также уменьшается, поскольку угол θ увеличивается, а реактивная мощность увеличивается.

Отстающие и опережающие факторы мощности [ править ]

Коэффициент мощности описывается как опережающий, если форма волны тока опережает фазу относительно напряжения, или как запаздывающий, если форма волны тока отстает от формы волны напряжения. Запаздывающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является индуктивной, поскольку нагрузка будет «потреблять» реактивную мощность. Реактивная составляющая положительна, поскольку реактивная мощность проходит по цепи и «потребляется» индуктивной нагрузкой. Опережающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является емкостной, поскольку нагрузка «поставляет» реактивную мощность, и, следовательно, реактивная составляющая отрицательна, поскольку реактивная мощность подается в цепь.${\displaystyle Q}$${\displaystyle Q}$

Если θ - фазовый угол между током и напряжением, то коэффициент мощности равен косинусу угла :${\displaystyle \cos \theta }$

${\displaystyle |P|=|S|\cos \theta }$

Поскольку единицы согласованы, коэффициент мощности по определению является безразмерным числом от -1 до 1. Когда коэффициент мощности равен 0, поток энергии полностью реактивный, и накопленная энергия в нагрузке возвращается к источнику в каждом цикле. Когда коэффициент мощности равен 1, вся энергия, подаваемая источником, потребляется нагрузкой. Коэффициенты мощности обычно указываются как «опережающие» или «запаздывающие», чтобы показать знак фазового угла. Емкостные нагрузки являются опережающими (напряжение на токоведущих выводах), а индуктивные нагрузки отстают (ток отстает от напряжения).

Если к источнику питания подключена чисто резистивная нагрузка, ток и напряжение будут постепенно менять полярность, коэффициент мощности будет равен 1, а электрическая энергия течет в одном направлении по сети в каждом цикле. Индуктивные нагрузки, такие как асинхронные двигатели (с катушкой любого типа), потребляют реактивную мощность, а форма кривой тока отстает от напряжения. Емкостные нагрузки, такие как батареи конденсаторов или проложенный под землей кабель, генерируют реактивную мощность, причем фаза тока опережает напряжение. Оба типа нагрузок будут поглощать энергию в течение части цикла переменного тока, которая хранится в магнитном или электрическом поле устройства, только для того, чтобы возвращать эту энергию обратно источнику в течение остальной части цикла.

Например, чтобы получить 1 кВт реальной мощности, если коэффициент мощности равен единице, необходимо передать 1 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 1 = 1 кВА). При низких значениях коэффициента мощности необходимо передать больше кажущейся мощности, чтобы получить такую ​​же активную мощность. Чтобы получить 1 кВт реальной мощности при коэффициенте мощности 0,2, необходимо передать 5 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 0,2 = 5 кВА). Эта кажущаяся мощность должна производиться и передаваться на нагрузку, и она подвержена потерям в процессах производства и передачи.

Электрические нагрузки, потребляющие мощность переменного тока, потребляют как активную, так и реактивную мощность. Векторная сумма реальной и реактивной мощности - это полная мощность. Присутствие реактивной мощности приводит к тому, что активная мощность меньше полной мощности, и поэтому электрическая нагрузка имеет коэффициент мощности менее 1.

Отрицательный коэффициент мощности (от 0 до -1) может быть результатом возврата энергии к источнику, например, в случае здания, оснащенного солнечными панелями, когда избыточная мощность возвращается в источник. ^{[6] [7] [8]}

Коррекция коэффициента мощности линейных нагрузок [ править ]

В системе энергоснабжения обычно желателен высокий коэффициент мощности для снижения потерь и улучшения регулирования напряжения на нагрузке. Компенсирующие элементы рядом с электрической нагрузкой уменьшат кажущуюся потребляемую мощность в системе питания. Компенсация коэффициента мощности может применяться коммунальным предприятием по передаче электроэнергии для повышения стабильности и эффективности сети. Индивидуальные потребители электроэнергии, которым коммунальные предприятия взимают плату за низкий коэффициент мощности, могут установить корректирующее оборудование, чтобы увеличить коэффициент мощности и снизить затраты.

Коррекция коэффициента мощности приближает коэффициент мощности силовой цепи переменного тока к 1 за счет подачи или поглощения реактивной мощности, добавления конденсаторов или катушек индуктивности, которые нейтрализуют индуктивные или емкостные эффекты нагрузки, соответственно. В случае компенсации индуктивного эффекта нагрузки двигателя конденсаторы могут быть подключены локально. Эти конденсаторы помогают генерировать реактивную мощность для удовлетворения требований индуктивных нагрузок. Это предотвратит протекание реактивной мощности от генератора электросети к нагрузке. В электроэнергетике считается, что индукторы потребляют реактивную мощность, а конденсаторы ее питают, хотя реактивная мощность - это просто энергия, перемещающаяся вперед и назад в каждом цикле переменного тока.

Реактивные элементы в устройствах коррекции коэффициента мощности могут создавать колебания напряжения и гармонический шум при включении или выключении. Они будут обеспечивать или потреблять реактивную мощность независимо от того, работает ли поблизости соответствующая нагрузка, увеличивая потери холостого хода в системе. В худшем случае реактивные элементы могут взаимодействовать с системой и друг с другом, создавая резонансные условия, что приводит к нестабильности системы и серьезным колебаниям перенапряжения . Таким образом, реактивные элементы нельзя просто применить без инженерного анализа.

Блок автоматической коррекции коэффициента мощности состоит из ряда конденсаторов , переключаемых с помощью контакторов . Эти контакторы управляются регулятором, который измеряет коэффициент мощности в электрической сети. В зависимости от нагрузки и коэффициента мощности сети контроллер коэффициента мощности будет поэтапно переключать необходимые блоки конденсаторов, чтобы коэффициент мощности оставался выше выбранного значения.

Вместо набора переключаемых конденсаторов ненагруженный синхронный двигатель может обеспечивать реактивную мощность. Реактивная мощность нарисована синхронный двигателем является функцией его возбуждения поля. Он упоминается как синхронный конденсатор . Он запускается и подключается к электрической сети . Он работает с ведущим коэффициентом мощности и подает переменные в сеть по мере необходимости для поддержки напряжения системы или для поддержания коэффициента мощности системы на заданном уровне.

Установка и работа синхронного конденсатора идентичны работе больших электродвигателей . Его главное преимущество - легкость, с которой можно регулировать величину коррекции; он ведет себя как переменный конденсатор. В отличие от конденсаторов, количество подаваемой реактивной мощности пропорционально напряжению, а не квадрату напряжения; это улучшает стабильность напряжения в больших сетях. Синхронные конденсаторы часто используются в проектах передачи высокого напряжения постоянного тока или на крупных промышленных предприятиях, таких как сталелитейные заводы .

Для коррекции коэффициента мощности высоковольтных энергосистем или больших колеблющихся промышленных нагрузок все чаще используются силовые электронные устройства, такие как статический компенсатор VAR или STATCOM . Эти системы способны компенсировать внезапные изменения коэффициента мощности намного быстрее, чем конденсаторные батареи с контактором, и, будучи твердотельными, требуют меньшего обслуживания, чем синхронные конденсаторы.

Нелинейные нагрузки [ править ]

Примеры нелинейных нагрузок на систему питания являются выпрямители (например, используемый в источник питания), и дуговой разряд устройств , таких как люминесцентные лампы , электрические сварочные машины, или дуговых печей . Поскольку ток в этих системах прерывается действием переключения, ток содержит частотные составляющие, кратные частоте энергосистемы. Коэффициент мощности искажения - это показатель того, насколько гармонические искажения тока нагрузки уменьшают среднюю мощность, передаваемую нагрузке.

Несинусоидальные компоненты [ править ]

В линейных цепях, имеющих только синусоидальные токи и напряжения одной частоты, коэффициент мощности возникает только из разности фаз между током и напряжением. Это «коэффициент вытеснительной мощности». ^[9]

Нелинейные нагрузки изменяют форму волны тока с синусоиды на другую форму. Нелинейные нагрузки создают гармонические токи в дополнение к исходному (основная частота) переменного тока. Это важно в практических энергосистемах, которые содержат нелинейные нагрузки, такие как выпрямители , некоторые формы электрического освещения, дуговые печи , сварочное оборудование, импульсные источники питания , приводы с регулируемой скоростью и другие устройства. Фильтры, состоящие из линейных конденсаторов и катушек индуктивности, могут предотвратить попадание гармонических токов в систему питания.

Для измерения реальной мощности или реактивной мощности необходимо использовать ваттметр, предназначенный для правильной работы с несинусоидальными токами.

Коэффициент мощности искажения [ править ]

Коэффициент мощности искажения - это составляющая искажения, связанная с гармоническими напряжениями и токами, присутствующими в системе.

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mbox{distortion power factor}}&={\frac {I_{1}}{I_{rms}}}\\&={\frac {I_{1}}{\sqrt {I_{1}^{2}+I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }{I_{1}^{2}}}}}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}\\\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\mbox{THD}}_{i}}$- полное гармоническое искажение тока нагрузки.

${\displaystyle THD_{i}={\frac {\sqrt {\displaystyle \sum _{h=2}^{\infty }I_{h}^{2}}}{I_{1}}}={\frac {\sqrt {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}{I_{1}}}}$

${\displaystyle I_{1}}$является основным компонентом тока и является полным током - оба являются среднеквадратичными значениями (коэффициент мощности искажения также может использоваться для описания гармоник отдельных порядков, используя соответствующий ток вместо общего тока). Это определение в отношении полного гармонического искажения предполагает, что напряжение остается неискаженным (синусоидальным, без гармоник). Это упрощение часто является хорошим приближением для жестких источников напряжения (на которые не влияют изменения нагрузки ниже по потоку в распределительной сети). Общие гармонические искажения типичных генераторов из-за искажений тока в сети составляют порядка 1-2%, что может иметь более масштабные последствия, но в обычной практике им можно пренебречь. ^[10]${\displaystyle I_{\mbox{rms}}}$

Результат, умноженный на коэффициент мощности смещения (DPF), дает общий истинный коэффициент мощности или просто коэффициент мощности (PF):

${\displaystyle {\mbox{PF}}={\frac {\cos {\varphi }}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}}$

Искажения в трехфазных сетях [ править ]

На практике локальные эффекты искажения тока на устройствах в трехфазной распределительной сети зависят от величины гармоник определенного порядка, а не от общего гармонического искажения.

Например, тройные или нулевые гармоники (3-я, 9-я, 15-я и т. Д.) Имеют свойство быть синфазными при сравнении между строками. В трансформаторе треугольник-звезда эти гармоники могут привести к циркуляции токов в обмотках, соединенных треугольником, и привести к большему резистивному нагреву . При конфигурации трансформатора тройной гармоники эти токи не будут создаваться, но они приведут к ненулевому току в нейтральном проводе . В некоторых случаях это может привести к перегрузке нейтрального провода и вызвать ошибку в системах учета киловатт-часов и выручке от выставления счетов. ^{[11] [12]} Наличие гармоник тока в трансформаторе также приводит к увеличению вихревых токов.в магнитопроводе трансформатора. Потери на вихревые токи обычно увеличиваются пропорционально квадрату частоты, что снижает КПД трансформатора, рассеивает дополнительное тепло и сокращает срок его службы. ^[13]

Гармоники обратной последовательности (5-я, 11-я, 17-я и т. Д.) Объединяют сдвиг по фазе на 120 градусов, аналогично основной гармонике, но в обратной последовательности. В генераторах и двигателях эти токи создают магнитные поля, которые препятствуют вращению вала и иногда приводят к разрушительным механическим колебаниям. ^[14]

Импульсные источники питания [ править ]

Особенно важным классом нелинейных нагрузок являются миллионы персональных компьютеров, которые обычно включают в себя импульсные источники питания (SMPS) с номинальной выходной мощностью от нескольких ватт до более 1 кВт. Исторически эти очень недорогие источники питания включали в себя простой двухполупериодный выпрямитель, который работал, только когда мгновенное напряжение сети превышало напряжение на входных конденсаторах. Это приводит к очень высоким отношениям пикового входного тока к среднему , что также приводит к низкому коэффициенту мощности искажений и потенциально серьезным проблемам с фазовой и нейтральной нагрузкой.

Типичный импульсный источник питания сначала преобразует сеть переменного тока в шину постоянного тока с помощью мостового выпрямителя . Выходное напряжение затем выводится из этой шины постоянного тока. Проблема в том, что выпрямитель является нелинейным устройством, поэтому входной ток очень нелинейный. Это означает, что входной ток имеет энергию в гармониках с частотой напряжения. Это представляет особую проблему для энергетических компаний, поскольку они не могут компенсировать гармонический ток путем добавления простых конденсаторов или катушек индуктивности, как они могли бы для реактивной мощности, потребляемой линейной нагрузкой. Многие юрисдикции начинают законодательно требовать коррекцию коэффициента мощности для всех источников питания с уровнем мощности выше определенного.

Регулирующие органы, такие как ЕС , установили пределы гармоник в качестве метода повышения коэффициента мощности. Снижение стоимости компонентов ускорило внедрение двух различных методов. Чтобы соответствовать действующему стандарту ЕС EN61000-3-2, все импульсные источники питания с выходной мощностью более 75 Вт должны включать как минимум пассивную коррекцию коэффициента мощности. Для сертификации источника питания 80 Plus требуется коэффициент мощности 0,9 или более. ^[15]

Коррекция коэффициента мощности (PFC) при нелинейных нагрузках [ править ]

Пассивный PFC [ править ]

Самый простой способ контролировать гармонический ток - использовать фильтр , пропускающий ток только с частотой сети (50 или 60 Гц). Фильтр состоит из конденсаторов или катушек индуктивности и делает нелинейное устройство более похожим на линейную нагрузку. Примером пассивной коррекции коэффициента мощности является схема заполнения впадин .

Недостатком пассивной коррекции коэффициента мощности является то, что для нее требуются более мощные катушки индуктивности или конденсаторы, чем для эквивалентной схемы активной коррекции коэффициента мощности. ^{[16] [17] [18]} Кроме того, на практике пассивная коррекция коэффициента мощности часто менее эффективна для улучшения коэффициента мощности. ^{[19] [20] [21] [22] [23]}

Активный PFC [ править ]

Активная коррекция коэффициента мощности - это использование силовой электроники для изменения формы сигнала тока, потребляемого нагрузкой, с целью улучшения коэффициента мощности. ^[24] Некоторые типы активного PFC - это понижающий , повышающий , понижательно-повышающий и синхронный конденсаторный . Коррекция активного коэффициента мощности может быть одноступенчатой ​​или многоступенчатой.

В случае импульсного источника питания повышающий преобразователь вставляется между мостовым выпрямителем и основными входными конденсаторами. Повышающий преобразователь пытается поддерживать постоянное напряжение на своем выходе при одновременном потреблении тока, который всегда находится в фазе с линейным напряжением и имеет ту же частоту. Другой импульсный преобразователь внутри источника питания выдает желаемое выходное напряжение на шине постоянного тока. Этот подход требует дополнительных полупроводниковых переключателей и управляющей электроники, но позволяет использовать более дешевые пассивные компоненты меньшего размера. Часто используется на практике.

Для трехфазного ИИП можно использовать венскую конфигурацию выпрямителя, чтобы существенно улучшить коэффициент мощности.

SMPS с пассивным PFC могут достигать коэффициента мощности около 0,7–0,75, SMPS с активным PFC - до 0,99 коэффициента мощности, в то время как SMPS без какой-либо коррекции коэффициента мощности имеют коэффициент мощности только около 0,55–0,65. ^[25]

Из-за очень широкого диапазона входных напряжений многие блоки питания с активной коррекцией коэффициента мощности могут автоматически настраиваться для работы от сети переменного тока от примерно 100 В (Япония) до 240 В (Европа). Эта функция особенно приветствуется в блоках питания для ноутбуков.

Dynamic PFC [ править ]

Динамическая коррекция коэффициента мощности (DPFC), иногда называемая «коррекцией коэффициента мощности в реальном времени», используется для электрической стабилизации в случаях быстрых изменений нагрузки (например, на крупных производственных объектах). DPFC полезен, когда стандартная коррекция коэффициента мощности может вызвать чрезмерную или недостаточную коррекцию. ^[26] DPFC использует полупроводниковые переключатели, обычно тиристоры , для быстрого подключения и отключения конденсаторов или катушек индуктивности с целью повышения коэффициента мощности.

Важность в системах распространения [ править ]

Коэффициенты мощности ниже 1,0 требуют, чтобы энергосистема вырабатывала вольт-амперы, превышающие минимальный уровень, необходимый для обеспечения реальной мощности (ватт). Это увеличивает затраты на генерацию и передачу. Например, если бы коэффициент мощности нагрузки был всего 0,7, полная мощность была бы в 1,4 раза больше реальной мощности, используемой нагрузкой. Линейный ток в цепи также будет в 1,4 раза больше тока, необходимого при коэффициенте мощности 1,0, поэтому потери в цепи будут удвоены (поскольку они пропорциональны квадрату тока). В качестве альтернативы все компоненты системы, такие как генераторы, проводники, трансформаторы и распределительное устройство, должны быть увеличены в размере (и стоимости), чтобы пропускать дополнительный ток. Когда коэффициент мощности близок к единице, для того же номинала трансформатора в кВА может подаваться больший ток нагрузки. ^[27]

Коммунальные предприятия обычно взимают дополнительные расходы с коммерческих клиентов, у которых коэффициент мощности ниже определенного предела, который обычно составляет от 0,9 до 0,95. Инженеров часто интересует коэффициент мощности нагрузки как один из факторов, влияющих на эффективность передачи энергии.

В связи с ростом стоимости энергии и озабоченностью по поводу ее эффективной подачи активная коррекция коэффициента мощности стала более распространенной в бытовой электронике. ^[28] Текущие рекомендации Energy Star для компьютеров ^[29] призывают к коэффициенту мощности ≥ 0,9 при 100% номинальной выходной мощности источника питания ПК . Согласно официальному документу, подготовленному Intel и Агентством по охране окружающей среды США , ПК с внутренними источниками питания потребуют использования активной коррекции коэффициента мощности, чтобы соответствовать требованиям программы ENERGY STAR 5.0 для компьютеров. ^[30]

В Европе EN 61000-3-2 требует включения коррекции коэффициента мощности в потребительские товары.

Мелкие потребители, такие как домашние хозяйства, обычно не платят за реактивную мощность, поэтому оборудование для измерения коэффициента мощности для таких потребителей не устанавливается.

Методы измерения [ править ]

Коэффициент мощности в однофазной цепи (или сбалансированной трехфазной цепи) можно измерить методом ваттметр-амперметр-вольтметр, где мощность в ваттах делится на произведение измеренного напряжения и тока. Коэффициент мощности симметричной многофазной цепи такой же, как и у любой фазы. Коэффициент мощности несимметричной многофазной цепи не определяется однозначно.

Измеритель коэффициента мощности с прямым считыванием может быть изготовлен с помощью измерителя с подвижной катушкой.электродинамического типа с двумя перпендикулярными катушками на подвижной части прибора. Поле прибора возбуждается током в цепи. Две подвижные катушки, A и B, подключены параллельно нагрузке схемы. Одна катушка A будет подключена через резистор, а вторая катушка B - через катушку индуктивности, так что ток в катушке B будет задерживаться относительно тока в A. При единичном коэффициенте мощности ток в A синфазен. с током цепи, а катушка A обеспечивает максимальный крутящий момент, перемещая указатель инструмента к отметке 1.0 на шкале. При нулевом коэффициенте мощности ток в катушке B находится в фазе с током цепи, и катушка B обеспечивает крутящий момент для перемещения указателя к нулю. При промежуточных значениях коэффициента мощностикрутящие моменты, обеспечиваемые двумя катушками, складываются, и указатель занимает промежуточное положение.^[31]

Другой электромеханический инструмент - это лопаточный поляризованный прибор. ^[32]В этом приборе катушка постоянного поля создает вращающееся магнитное поле, как многофазный двигатель. Катушки возбуждения подключаются либо непосредственно к источникам многофазного напряжения, либо к фазосдвигающему реактору, если используется однофазное применение. Вторая катушка стационарного поля, перпендикулярная катушкам напряжения, проводит ток, пропорциональный току в одной фазе цепи. Подвижная система прибора состоит из двух лопаток, намагничиваемых токовой катушкой. В процессе работы движущиеся лопатки принимают физический угол, эквивалентный электрическому углу между источником напряжения и источником тока. Этот тип прибора может быть выполнен для регистрации токов в обоих направлениях, что дает четырехквадрантное отображение коэффициента мощности или фазового угла.

Существуют цифровые инструменты, которые непосредственно измеряют временную задержку между сигналами напряжения и тока. Недорогие приборы этого типа измеряют пик формы волны. Более сложные версии измеряют пик только основной гармоники, что дает более точное определение фазового угла для искаженных сигналов. Расчет коэффициента мощности по фазам напряжения и тока является точным только в том случае, если обе формы сигнала являются синусоидальными. ^[33]

Анализаторы качества электроэнергии, часто называемые анализаторами мощности, делают цифровую запись формы волны напряжения и тока (обычно однофазной или трехфазной) и точно рассчитывают истинную мощность (ватты), полную мощность (ВА), коэффициент мощности, напряжение переменного тока, Переменный ток, постоянное напряжение, постоянный ток, частота, измерение гармоник IEC61000-3-2 / 3-12, измерение мерцания IEC61000-3-3 / 3-11, отдельные фазные напряжения в приложениях по схеме треугольник, где нет нейтральной линии, общая гармоника искажение, фаза и амплитуда отдельных гармоник напряжения или тока и т. д. ^{[34] [35]}

Мнемоника [ править ]

Студентам-энергетикам, изучающим английский язык, рекомендуется помнить: «ELI the ICE man» или «ELI on ICE» - напряжение E, ведет ток I в индуктивность L. Ток I ведет к напряжению E в конденсаторе C.

Другая распространенная мнемоника - «ГРАЖДАНСКИЙ» - в конденсаторе (C) ток (I) ведет к напряжению (V), напряжение (V) приводит к току (I) в катушке индуктивности (L).

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Гармоники и их отношение к коэффициенту мощности (PDF) , штат Техас.
• Команда NIST демистифицирует полезность устройств коррекции коэффициента мощности , NIST, 15 декабря 2009 г..
• Расчет и коррекция коэффициента мощности , США.