Понимание коэффициента мощности и его влияния на ваши счета за электроэнергию

Помимо безопасности и надежности, при проектировании и внедрении электрических систем необходимо преследовать несколько других целей, включая эффективность. Одним из показателей эффективности электрической системы является эффективность, с которой система преобразует получаемую энергию в полезную работу. На эту эффективность указывает компонент электрических систем, известный как коэффициент мощности. Коэффициент мощности показывает, сколько мощности фактически используется нагрузкой для выполнения полезной работы и сколько энергии она «тратит впустую». Как ни банально звучит его название, это один из основных факторов высоких счетов за электроэнергию и сбоев в подаче электроэнергии.

Чтобы правильно описать коэффициент мощности и его практическое значение, важно освежить память о различных типах электрических нагрузок и существующих компонентах Power.

Из основных классов электричества электрические нагрузки обычно бывают двух типов;

1. Резистивные нагрузки
2. Реактивные нагрузки

1. Резистивные нагрузки

Резистивные нагрузки, как следует из названия, эти нагрузки состоят исключительно из резистивных элементов. Для таких нагрузок (с учетом идеальных условий) вся подаваемая на них мощность рассеивается для работы из-за того, что ток находится в фазе с напряжением. Хорошим примером резистивных нагрузок являются лампы накаливания и батарейки.

Составляющая мощности, связанная с резистивными нагрузками, называется фактической мощностью. Эту фактическую мощность также иногда называют рабочей мощностью, истинной мощностью или реальной мощностью. Если вы новичок в области питания переменного тока и вас смущают все эти формы сигналов, то рекомендуется прочитать об основах переменного тока, чтобы понять, как работает питание переменного тока.

2. Реактивные нагрузки

С другой стороны, реактивные нагрузки немного сложнее. Хотя они вызывают падение напряжения и потребляют ток от источника, они не рассеивают полезную мощность как таковую, потому что энергия, которую они получают от источника питания, не работает. Это связано с характером реактивных нагрузок.

Реактивные нагрузки могут быть емкостными или индуктивными. В индуктивных нагрузках потребляемая мощность используется для создания магнитного потока без выполнения какой-либо непосредственной работы, в то время как для емкостных нагрузок мощность используется для зарядки конденсатора, а не для непосредственной работы. Мощность, рассеиваемая таким образом в реактивных нагрузках, называется реактивной мощностью. Реактивные нагрузки характеризуются опережением по току (емкостные нагрузки) или отставанием (индуктивные нагрузки) от напряжения, поэтому между током и напряжением обычно существует разность фаз.

Два приведенных выше графика представляют индуктивную и емкостную нагрузку, где коэффициент мощности отстает и опережает соответственно. Эти вариации этих двух типов нагрузка приводит к существованию трех силовых компонентов в электрических системах, а именно;

1. Фактическая мощность
2. Реактивная сила
3. Полная мощность

1. Фактическая мощность

Это мощность, связанная с резистивными нагрузками. Это компонент мощности, рассеиваемый при выполнении реальной работы в электрических системах. От отопления до освещения и т. Д. Он выражается в ваттах (Вт) (вместе с его множителями, килограммами, мега и т. Д.) И символически обозначается буквой P.

2. Реактивная мощность

Это мощность, связанная с реактивной нагрузкой. В результате задержки между напряжением и током в реактивных нагрузках потребляемая реактивная энергия (емкостная или индуктивная) не производит никакой работы. Она называется реактивной мощностью, а ее единицей является реактивная вольт-амперная мощность (ВАР).

3. Полная мощность

Типичные электрические системы включают в себя как резистивные, так и индуктивные нагрузки, подумайте о ваших лампочках и нагревателях для резистивных нагрузок, а также об оборудовании с двигателями, компрессорами и т. Д. Как об индуктивных нагрузках. Таким образом, в электрической системе полная мощность представляет собой комбинацию компонентов фактической и реактивной мощности, эта общая мощность также называется полной мощностью.

Полная мощность определяется как сумма фактической мощности и реактивной мощности. Единица измерения - вольт-амперы (ВА), математически представленная уравнением;

Полная мощность = Фактическая мощность + Реактивная мощность

В идеальных ситуациях фактическая мощность, рассеиваемая в электрической системе, обычно превышает реактивную мощность. На изображении ниже показана векторная диаграмма, нарисованная с использованием трех компонентов мощности.

Эту векторную диаграмму можно преобразовать в треугольник мощности, как показано ниже.

Коэффициент мощности можно рассчитать, получив угол тета (), показанный выше. Здесь тета - это угол между реальной и кажущейся мощью. Затем, следуя правилу косинуса (смежность по гипотенузе), коэффициент мощности можно оценить как отношение фактической мощности к полной мощности. В формулы для расчета коэффициента мощности приводится ниже

PF = Фактическая мощность / Полная мощность или PF = Cosϴ

Если сопоставить это с уравнением для определения полной мощности, легко увидеть, что увеличение реактивной мощности (наличие большого количества реактивных нагрузок) приводит к увеличению полной мощности и большему значению угла ϴ, который в конечном итоге приводит к низкому коэффициенту мощности, когда получается его косинус (cos). С другой стороны, снижение реактивных нагрузок (реактивной мощности) приводит к увеличению коэффициента мощности, что указывает на высокий КПД в системах с меньшим количеством реактивных нагрузок и наоборот. Значение коэффициента мощности всегда будет между значениями от 0 до 1, чем ближе оно к единице, тем выше будет эффективность системы. В Индии идеальным значением коэффициента мощности считается 0,8. Величина коэффициента мощности не имеет единицы измерения.

Важность коэффициента мощности

Если значение коэффициента мощности низкое, это означает, что энергия из сети тратится впустую, поскольку большая ее часть не используется для значимой работы. Это связано с тем, что здесь нагрузка потребляет больше реактивной мощности по сравнению с реальной мощностью. Это создает нагрузку на систему электропитания, вызывая перегрузку в системе распределения, поскольку как реальная мощность, необходимая для нагрузки, так и реактивная мощность, используемая для удовлетворения реактивных нагрузок, будет поступать из системы.

Это напряжение и «потери» обычно приводят к огромным счетам за электроэнергию для потребителей (особенно промышленных потребителей), поскольку коммунальные предприятия рассчитывают потребление в терминах полной мощности, как таковые, они в конечном итоге платят за электроэнергию, которая не использовалась для выполнения какой-либо «значимой» работы.. Некоторые компании также штрафуют своих потребителей, если они потребляют больше реактивной мощности, поскольку это вызывает перегрузку системы. Этот штраф налагается, чтобы уменьшить низкий коэффициент мощности, вызывающий использование нагрузок в промышленности.

Даже в тех случаях, когда мощность обеспечивается генераторами компании, деньги тратятся на генераторы большего размера, кабели большего размера и т. Д., Необходимые для обеспечения питания, тогда как значительная их часть просто тратится впустую. Чтобы лучше понять это, рассмотрим приведенный ниже пример.

Завод, работающий с нагрузкой 70 кВт, может успешно питаться от генератора / трансформатора и кабелей, рассчитанных на 70 кВА, если завод работает с коэффициентом мощности 1. Но если коэффициент мощности упадет до 0,6, то даже при той же нагрузке 70 кВт, потребуется более мощный генератор или трансформатор мощностью 116,67 кВА (70 / 0,6), поскольку генератор / трансформатор должен будет обеспечивать дополнительную мощность для реактивной нагрузки. Помимо этого резкого повышения требований к мощности, необходимо также увеличить размер используемых кабелей, что приведет к значительному увеличению стоимости оборудования и увеличению потерь мощности в результате сопротивления вдоль проводников. Наказание за это выходит за рамки высоких счетов за электроэнергию в некоторых странах, поскольку компании с низким коэффициентом мощности обычно получают огромные штрафы, чтобы стимулировать исправление ошибок.

Повышение коэффициента мощности

Учитывая все сказанное, вы согласитесь со мной в том, что с экономической точки зрения более целесообразно исправить низкий коэффициент мощности, чем продолжать оплачивать огромные счета за электроэнергию, особенно для крупных предприятий. Также подсчитано, что более 40% счетов за электроэнергию можно сэкономить в огромных отраслях промышленности и производственных предприятиях, если коэффициент мощности корректировать и поддерживать на низком уровне.

Помимо снижения затрат для потребителей, эксплуатация эффективной системы способствует общей надежности и эффективности энергосистемы, поскольку коммунальные предприятия могут снизить потери в линиях и стоимость обслуживания, а также уменьшить количество трансформаторов и аналогичная инфраструктура поддержки, необходимая для их работы.

Расчет коэффициента мощности для вашей нагрузки

Первым шагом к корректировке коэффициента мощности является определение коэффициента мощности вашей нагрузки. Это можно сделать с помощью:

1. Расчет реактивной мощности с использованием данных реактивного сопротивления нагрузки.

2. Определение реальной мощности, рассеиваемой нагрузкой, и комбинирование ее с полной мощностью для получения коэффициента мощности.

3. Использование измерителя коэффициента мощности.

Измеритель коэффициента мощности в основном используется, поскольку он помогает легко получить коэффициент мощности в крупных системах, где определение деталей реактивного сопротивления нагрузки и реальной рассеиваемой мощности может быть трудным путем.

Зная коэффициент мощности, вы можете приступить к его корректировке, отрегулировав его как можно ближе к 1. n Рекомендуемый энергоснабжающими компаниями коэффициент мощности обычно составляет от 0,8 до 1, и это может быть достигнуто только в том случае, если вы используете почти чистый резистивная нагрузка или индуктивное реактивное сопротивление (нагрузка) в системе равно емкостному реактивному сопротивлению, поскольку они оба компенсируют друг друга.

В связи с тем, что использование индуктивных нагрузок является более частой причиной низкого коэффициента мощности, особенно в промышленных условиях (из-за использования тяжелых двигателей и т. Д.), Одним из простейших методов коррекции коэффициента мощности является исключение коэффициента мощности. индуктивное реактивное сопротивление за счет использования корректирующих конденсаторов, которые вносят в систему емкостное реактивное сопротивление.

Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности действуют как генератор реактивного тока, уравновешивая / компенсируя потери мощности индуктивными нагрузками. Однако при установке этих конденсаторов в установки необходимо тщательно продумать конструкцию, чтобы обеспечить бесперебойную работу с таким оборудованием, как приводы с регулируемой скоростью, и эффективный баланс с ценой. В зависимости от объекта и распределения нагрузки, конструкция может состоять из конденсаторов фиксированной емкости, установленных в точках индуктивной нагрузки, или конденсаторных батарей автоматической коррекции, установленных на шинах распределительных щитов для централизованной коррекции, которая обычно более рентабельна в больших системах.

Использование конденсаторов коррекции коэффициента мощности в установках имеет свои недостатки, особенно когда не используются правильные конденсаторы или система не спроектирована должным образом. Использование конденсаторов может вызвать кратковременный период «перенапряжения» при включении, что может повлиять на правильное функционирование оборудования, такого как приводы с регулируемой скоростью, в результате чего они периодически отключаются или перегорают предохранители на некоторых конденсаторах. Однако ее можно решить, попытавшись внести изменения в последовательность управления переключением в случае скоростных приводов или исключив гармонические токи в случае плавких предохранителей.

Коэффициент мощности Unity и почему это непрактично

Когда значение вашего коэффициента мощности равно 1, тогда коэффициент мощности считается единичным коэффициентом мощности. Может показаться соблазнительным получить оптимальный коэффициент мощности, равный 1, но достичь его практически невозможно из-за того, что ни одна система не является по-настоящему идеальной. В том смысле, что никакая нагрузка не является чисто резистивной, емкостной или индуктивной. Каждая нагрузка состоит из некоторых элементов другой, независимо от того, насколько она мала, так как такой типичный диапазон реализуемого коэффициента мощности обычно составляет до 0,9 / 0,95. Мы уже узнали об этих паразитных свойствах элементов RLC в наших статьях ESR и ESL с конденсаторами.

Коэффициент мощности является определяющим фактором того, насколько хорошо вы используете энергию и сколько вы платите в счетах за электричество (особенно для промышленности). В более широком смысле, это основной вклад в эксплуатационные расходы и может быть тем фактором снижения прибыли, на которое вы не обращали внимания. Повышение коэффициента мощности вашей электрической системы может помочь снизить счета за электроэнергию и обеспечить максимальную производительность.