Коэффициент мощности

http://en.wikipedia.org  Wikipedia, свободная энциклопедия

Коэффициент мощности для электрической системы переменного тока определяется как отношение активной мощности к полной мощности, и может принимать значения от 0 до 1. Активная мощность это полезная работа совершаемая в цепи за определённое время. Полная мощность есть произведение действующих (среднеквадратичных) тока и напряжения в цепи. Полная мощность может превышать активную мощность по следующим причинам: возможен процесс накопления энергии в нагрузке с последующей выдачей энергии обратно в сеть, так же нелинейная нагрузка может сильно искажать форму волны потребляемого тока. Нагрузки, обладающие низким коэффициентом мощности, увеличивают потери в системах рапределения электрической энергии, в результате чего возрастают цены на электроэнергию.

Коэффициент мощности в линейных цепях

В чисто резистивной (тоесть активной) цепи переменного тока, фаза тока и фаза напряжения совпадают (находятся в фазе то-есть синфазны), и меняют полярность одновременно в течение каждого периода. В цепях, где присутствуют реактивные нагрузки, такие, как ёмкости или индуктивности, происходит накопление энергии в нагрузках, что приводит к возникновению временной разницы (то-есть сдвига фаз) между синусоидой тока и синусоидой напряжения. Эта запасённая в нагрузке энергия затем возвращается обратно в источник и не совершает поэтому никакой полезной работы в нагрузке. Цепь с низким коэффициентом мощности, таким образом, будет иметь более высокие токи, чем цепь с высоким коэффициентом мощности при передаче одной и той же активной мощности.  

Цепи, содержащие только чисто резистивные нагревательные элементы (лампы накаливания, ленточные нагреватели, кухонные электроплиты, и др.), имеют коэффициент мощности 1.0. Цепи содержащие индуктивные или ёмкостные элементы (балласты разрядных ламп (люминисцентных и др.), моторы и др.), часто имеют коэффициент мощности ниже 1.0.

Для примера, в цепях электрического освещения, типичное значение коэффициентамощности обычного балласта 0.4...0.6 (normal power factor ballasts / NPF). Улучшенные балласты имеют коэффициент мощности более 0.9 (high power factor ballasts / HPF). 

Понятие коэффициента мощности лежит в основе следующего факта: компании-производители электроэнергии обеспечивают потребителей вольт-амперами, а счёт выставляют за ватты. Коэффициенты мощности ниже 1.0 требуют, чтобы сеть вырабатывала более чем минимум вольт-амперов, необходимых для питания активной нагрузки (мощность которой даётся ваттами). Это увеличивает выработку электроэнергии и цены на передачу электроэнергии. Например, если коэффициент мощности нагрузки равен 0.7, то полная мощность будет в 1.4 раза больше, чем активная мощность нагрузки.

Линейный ток в цепи также будет в 1.4 раза больше, чем ток, требуемый при коэффициенте мощности равном 1.0, поэтому потери в цепи будут в 2 раза больше (так как они пропорциональны квадрату тока). В этом случае все компоненты системы, тоесть генераторы, проводники, трансформаторы, коммутационные и распределительные устройства должны быть увеличены в размерах (и в цене) с целью выдержать экстраток.

Считается, что коэффициент мощности имеет хорошее или высокое значение если он превышает 90...95%. Поставщики электроэнергии обычно устанавливают добавочные цены для потребителей, которые имеют коэффициент мощности ниже определённой границы, которая обычно находится в пределах 90...95%. Инженеры часто интересуются коэффициентом мощности нагрузки, как одним из факторов оказывающих влияние на эффективность передачи электроэнергии.   

Примечания к графикам: Мгновенная и усреднённая мощности, вычисленые по известным осциллограммам тока и напряжения:

1 Коэфф. мощности равен 1 (Ф=0, cosФ=1)  

2 Коэфф. мощности равен 0 (Ф=90, cosФ=0)  

3 Коэфф. мощности отстающий (Ф=45, cosФ=0.71)                                                     

Определение и расчёт коэффициента мощности

Поток энергии (тоесть мощность) в цепи переменного тока состоит из трёх компонент:

Коэффициент мощности определяется как:

В случае идеальной синусоиды, P, Q и S могут быть выражены как векторы, которые образуют векторный треугольник, тогда:

Если Ф это угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения, тогда коэффициент мощности равен /cosФ/, следовательно:

Так как размерности единиц P и S совпадают, то коэффициент мощности определяется безразмерной величиной от 0 до 1. Когда коэффициент мощности равен 0, поток энергии полностью реактивный, и запасённая в нагрузке энергия возвращается к источнику за каждый полный цикл (период). Когда коэффициент мощности равен 1, вся энергия поступившая от источника на нагрузку, полностью потребляется (поглащается) нагрузкой. Обычно, коэффициент мощности характеризуют как «опережающий» или «отстающий», с целью показать знак угла сдвига фаз, причём опережению соответствует отрицательный знак.

Если к источнику питания подключена чисто резистивная нагрузка, то ток и напряжение изменят полярность одновременно, и коэффициент мощности будет единичным (1); в этом случае в течение каждого цикла (периода) энергия течёт через сеть в единственном направлении. Индуктивные нагрузки, такие как трансформаторы и моторы (с любым типом обмоток), потребляют реактивную мощность, причём синусоида тока отстаёт от синусоиды напряжения. Ёмкостные нагрузки, такие как конденсаторные батареи или заглублённый (проложенный в грунте) кабель, генерируют реактивную мощность, причём ток опережает напряжение по фазе. Ёмкостные и индуктивные нагрузки будут поглощать энергию в течении четверти периода колебания переменного тока; за эту четверть периода энергия будет запасаться в магнитном или электрическом поле нагрузочных устройств. В течение следующей четверти периода эта запасённая энергия будет возвращена обратно к источнику. 

Для примера, для получения 1кВт активной мощности, если коэффициент мощности равен единице, необходимо передать 1кВА полной мощности (1кВт   / 1 = 1кВА). При низком значении коэффициента мощности будет необходимо передать больше полной мощности для получения той же величины активной мощности. Для получения 1кВт активной мощности при коэффициенте мощности равном 0.2, необходимо передать 5кВА полной мощности (1кВт   / 0.2 = 5кВА).

Часто принимаются специальные меры по увеличения коэффициента мощности системы с целью максимально приблизить коэффициент мощности к единице. Эта практика известна как коррекция коэффициента мощности. Простейшим способам коррекции коэффициента мощности является подключение или отключение дополнительных индуктивных или ёмкостных батарей. Для примера, индуктивный эффект нагрузок, содержащих моторы, может быть устранён локальным подключением конденсаторов.

Несинусоидальные компоненты

В цепях, имеющих только синусоидальные токи и напряжения, коэффициент мощности определяется только разницей (сдвигом) фаз между током и напряжением. В таких случаях иногда используется термин «сдвиговый коэффициент мощности». В общем случае коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности. Эта концепция может быть применена и к общему случаю вычисления полного (или истинного, включающего искажения) коэффициента мощности, когда полная мощность содержит все гармонические компоненты. Это очень важно при рассмотрении практических энергосистем, которые содержат нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, некоторые типы систем освещения, электродуговые печи, сварочное оборудование, импульсные источники питания и другие устройства.

Особенно важным примером являются миллионы персональных компьютеров, которые обычно оборудуются импульсными источниками питания с различной выходной номинальной мощностью от 250Вт до 750Вт. Исторически сложилось, что эти дешёвые источники питания имеют встроенный двуполупериодный выпрямитель, который обладает проводимостью только когда мгновенное напряжение в сети превышает напряжение на конденсаторах, установленных на выходе выпрямителя. Это приводит к очень высоким значениям отношения пикового входного тока к среднему входному току, что в свою очередь приводит к низкому значению коэффициента мощности, обусловленного этими искажениями тока и к потенциально опасному уровню загруженности фазной и нейтральной линий. 

Органы государственного регулирования, например Европейского Союза, устанавливают ограничения на гармонический состав с целью улучшения коэффициента мощности. Снижение стоимости электротехнических компонентов ускорило разработку и внедрение двух различных методов улучшения коэффициента мощности. Обычно это делается либо добавлением последовательно включённого индуктивного элемента (метод пассивной коррекции коэффициента мощности, англ. passive PFC), либо добавлением импульсного конвертера, который формирует синусоидальный вход (метод активной коррекции коэффициента мощности, англ. active PFC ). Для примера, коэффициент мощности импульсных источников питания со встроенным пассивным корректором может достигать значений 0.7-0.75. Коэффициент мощности импульсных источников питания со встроенным активным корректором может достигать значений до 0.99. Коэффициент мощности импульсных источников питания без какого-либо корректора может достигать значений только 0.55-0.65.

Современный стандарт Европейского Союза EN61000-3-2 содержит минимальные требования: включение пассивного корректора коэффициента мощности во все импульсные источники питания с выходной мощностью более 75Вт.

Обычный мультиметр (тестер) при попытке измерить ток, потребляемый несинусоидальной нагрузкой, даст неправильные результаты, и, следовательно, не позволит правильно вычислить коэффициент мощности. Для правильных фактических измерений среднеквадратичного значения токов и напряжений (а следовательно и полной мощности) необходимо использовать мультиметр для измерения истинного среднеквадратичного значения (ИСКЗ); соответствующий английский термин: true root-mean-square (TRMS). Для измерения активной и реактивной мощности необходимо использовать ваттметр, специально предназначенный для работы с несинусоидальными токами.

 

 

Hosted by uCoz