Розуміння коефіцієнта потужності та того, як він впливає на ваші рахунки за енергію

Окрім безпеки та надійності, при проектуванні та впровадженні електричних систем слід переслідувати ще кілька цілей, включаючи ефективність. Одним із заходів ефективності в електричній системі є ефективність, з якою система перетворює отриману енергію на корисну роботу. Ця ефективність вказується компонентом електричних систем, відомим як коефіцієнт потужності. Коефіцієнт потужності вказує, скільки енергії насправді використовується для виконання корисної роботи вантажем і скільки енергії вона «витрачає». Як би банально не звучала його назва, вона є одним з основних факторів, що обумовлюють високі рахунки за електроенергію та відключення електроенергії.

Щоб мати можливість правильно описати коефіцієнт потужності та його практичне значення, важливо освіжити пам’ять про різні типи електричних навантажень та складові енергії, що існують.

З основних класів електрики електричні навантаження зазвичай бувають двох типів;

1. Резистивні навантаження
2. Реактивні навантаження

1. Резистивні навантаження

Резистивні навантаження, як випливає з назви, ці навантаження складаються з суто резистивних елементів. Для такого роду навантажень (враховуючи ідеальні умови) вся потужність, що подається на нього, розсіюється для роботи через те, що струм знаходиться в фазі з напругою. Хорошим прикладом резистивних навантажень є лампочки розжарювання та батареї.

Компонент живлення, пов'язаний з резистивними навантаженнями, називається фактичною потужністю. Цю фактичну потужність також іноді називають робочою, справжньою або справжньою. Якщо ви новачок у живленні змінного струму і відчуваєте плутанину з усіма цими формами сигналів, рекомендується прочитати основи змінного струму, щоб зрозуміти, як працює живлення змінного струму.

2. Реактивні навантаження

Реакційні навантаження, з іншого боку, трохи складніші. Хоча вони спричиняють падіння напруги та тягнуть струм від джерела, вони не розсіюють жодної корисної потужності як такої, оскільки потужність, яку вони отримують від джерела живлення, не працює. Це обумовлено природою реактивних навантажень.

Реактивні навантаження можуть бути як ємнісними, так і індуктивними. При індуктивних навантаженнях витрачена потужність використовується для налаштування магнітного потоку без будь-якої безпосередньої роботи, а для ємнісних навантажень потужність використовується для зарядки конденсатора, а не безпосередньої роботи. Потужність, що розсіюється при реактивних навантаженнях, називається реактивною потужністю. Реактивні навантаження характеризуються струмом, що веде (ємнісні навантаження) або відставанням (індуктивні навантаження) за напругою, оскільки, як правило, різниця фаз між струмом і напругою існує.

Наведені вище два графіки представляють індуктивне та ємнісне навантаження, де коефіцієнт потужності відстає та є провідним відповідно. Ці варіації цих двох типів навантаження призводить до існування трьох силових компонентів в електричних системах, а саме;

1. Фактична потужність
2. Реактивна потужність
3. Явна сила

1. Фактична влада

Це потужність, пов'язана з резистивними навантаженнями. Це силова складова, що розсіюється на виконання фактичних робіт в електричних системах. Від нагрівання до освітлення тощо, він виражається у ватах (Вт) (разом із його множниками, кіло, мега та ін.) Та символічно зображується літерою P.

2. Реактивна потужність

Це потужність, пов'язана з реактивними навантаженнями. В результаті затримки між напругою та струмом в реактивних навантаженнях енергія, що забирається в реактивній (ємнісній чи індуктивній), не дає ніякої роботи. Його називають реактивною потужністю, а його одиницею є Вольт-Ампер-реактивна (VAR).

3. Явна сила

Типові електричні системи включають як резистивні, так і індуктивні навантаження. Подумайте про свої лампочки та обігрівачі для резистивних навантажень, а також про обладнання з двигунами, компресорами тощо як індуктивне навантаження. Таким чином, в електричній системі загальна потужність є поєднанням фактичної та реактивної складових потужності, ця загальна потужність також називається видимою потужністю.

Очевидна потужність задається сумою фактичної потужності та реактивної потужності. Його одиницею є вольт-ампер (ВА) і представлений математично рівнянням;

Помітна потужність = фактична потужність + реактивна потужність

В ідеальних ситуаціях фактична потужність, що розсіюється в електричній системі, зазвичай перевищує реактивну потужність. На зображенні нижче зображена векторна діаграма, намальована з використанням трьох компонентів живлення

Цю векторну діаграму можна перетворити у трикутник потужності, як показано нижче.

Коефіцієнт потужності можна розрахувати, отримавши кут тета (ϴ), показаний вище. Тут тета - це кут між Справжньою Силою та Явною Силою. Потім, дотримуючись правила косинусів (сусідній над гіпотенузою), коефіцієнт потужності можна оцінити як відношення фактичної потужності до видимої потужності. У формули для розрахунку коефіцієнта потужності наводиться нижче

PF = фактична потужність / видима потужність або PF = Cosϴ

Поставивши це пліч-о-пліч із рівнянням для визначення видимої потужності, легко зрозуміти, що збільшення реактивної потужності (наявність великої кількості реактивних навантажень) призводить до збільшення видимої потужності та великого значення для кута ϴ, що в кінцевому рахунку призводить до низького коефіцієнта потужності, коли отримується його косинус (cos ϴ). З іншого боку, зменшення реактивних навантажень (реактивної потужності) призводить до збільшення коефіцієнта потужності, що свідчить про високу ефективність в системах з меншими реактивними навантаженнями і навпаки. Значення коефіцієнта потужності завжди знаходитиметься між значеннями 0 і 1, чим ближче воно наближається до одного, тим вище буде ефективність системи. В Індії ідеальним значенням коефіцієнта потужності вважають 0,8. Значення коефіцієнта потужності не має одиниці виміру.

Значення фактора потужності

Якщо значення коефіцієнта потужності низьке, це означає, що енергія від мережі витрачається даремно, оскільки величезна частина її не використовується для значущих робіт. Це пояснюється тим, що навантаження тут споживає більше реактивної потужності порівняно з реальною потужністю. Це створює навантаження на систему живлення, що спричиняє перевантаження системи розподілу, оскільки як реальна потужність, необхідна навантаженню, так і реактивна потужність, яка використовується для задоволення реактивних навантажень, буде забиратися із системи.

Це напруження і "марнотратство", як правило, призводить до величезних рахунків за електроенергію для споживачів (особливо промислових споживачів), оскільки комунальні підприємства обчислюють споживання з точки зору видимої потужності, і в результаті вони платять за електроенергію, яка не була використана для здійснення "значущої" роботи. Деякі компанії також штрафують своїх споживачів, якщо вони забирають більше реактивної потужності, оскільки це спричиняє перевантаження системи. Цей штраф накладається з метою зменшення низького коефіцієнта потужності, що спричиняє навантаження, що використовуються у промисловості.

Навіть у ситуаціях, коли електроенергія забезпечується генераторами компанії, гроші витрачаються на більші генератори, кабелі більшого розміру тощо, необхідні для забезпечення електроенергії, коли велика їх кількість буде просто витрачена. Щоб краще це зрозуміти, розглянемо наведений нижче приклад

Завод, що працює на навантаженні 70 кВт, може успішно живитись від генератора / трансформатора та кабелів, розрахованих на 70 кВА, якщо завод працює з коефіцієнтом потужності 1. Але, якщо коефіцієнт потужності падає до 0,6, то навіть при такому ж 70 кВт, знадобиться більший генератор або трансформатор потужністю 116,67 кВА (70 / 0,6), оскільки генератор / трансформатор повинен буде подавати додаткову потужність для реактивного навантаження. Окрім цього значного зростання вимог до енергії, розмір використовуваних кабелів також потрібно буде збільшити, що призведе до значного збільшення вартості обладнання та збільшення втрат потужності в результаті опору вздовж провідників. Покарання за це виходить за рамки високих рахунків за електроенергію в деяких країнах, оскільки компанії з поганим коефіцієнтом потужності зазвичай отримують штрафи у величезні суми, щоб заохотити їх виправлення.

Поліпшення коефіцієнта потужності

З усім сказаним, ви погодитесь зі мною, що виправляти поганий коефіцієнт потужності має більше економічного сенсу, ніж продовжувати платити величезні рахунки за електроенергію, особливо для великих галузей промисловості. Також підраховано, що понад 40% на рахунках за електроенергію можна заощадити у величезних галузях промисловості та на виробничих підприємствах, якщо коефіцієнт потужності буде скоригований і буде низьким.

Окрім зниження витрат для споживачів, використання ефективної системи сприяє загальній надійності та ефективності електромереж, оскільки комунальні компанії здатні зменшити втрати в лініях та витрати на технічне обслуговування, а також зменшити кількість трансформаторів та аналогічна інфраструктура підтримки, необхідна для їх роботи.

Розрахунок коефіцієнта потужності для вашого навантаження

Першим кроком до корекції коефіцієнта потужності є визначення коефіцієнта потужності для вашого навантаження. Це може зробити;

1. Розрахунок реактивної потужності з використанням деталей реактивного опору навантаження

2. Визначення реальної потужності, що розсіюється навантаженням, та поєднання її з видимою потужністю для отримання коефіцієнта потужності.

3. Використання лічильника коефіцієнта потужності.

Вимірювач коефіцієнта потужності в основному використовується, оскільки він допомагає легко отримати коефіцієнт потужності у великих системах, де визначення деталей реактивного опору навантаження та реальної витрати потужності може бути складним шляхом.

З відомим коефіцієнтом потужності ви можете приступити до його виправлення, відрегулювавши його якомога ближче до 1.n Рекомендований коефіцієнт потужності компаніями, що постачають електроенергію, зазвичай становить від 0,8 до 1, і цього можна досягти, лише якщо ви працюєте з майже резистивне навантаження або індуктивний опір (навантаження) в системі дорівнює реактивному опіру ємності, оскільки вони обидва виключають один одного.

Через те, що використання індуктивних навантажень є більш поширеною причиною низького коефіцієнта потужності, особливо в промислових умовах (через використання важких двигунів тощо), одним з найпростіших методів корекції коефіцієнта потужності є скасування індуктивний опір за допомогою використання корекційних конденсаторів, які вносять ємнісний опір в систему.

Конденсатори з корекцією коефіцієнта потужності діють як генератор реактивного струму, протидіючи / компенсуючи потужність, яка «витрачається» індуктивними навантаженнями. Однак, слід уважно розглянути дизайн, вставляючи ці конденсатори в установки, щоб забезпечити безперебійну роботу з таким обладнанням, як приводи зі змінною швидкістю та ефективний баланс із вартістю. Залежно від об'єкта та розподілу навантаження, конструкція може включати конденсатори з фіксованою величиною, встановлені в точках індуктивного навантаження, або автоматичні корекційні батареї конденсаторів, встановлені на шинах розподільних панелей для централізованої корекції, що зазвичай є більш економічно вигідним у великих системах.

Застосування конденсаторів з корекцією коефіцієнта потужності в установках має свої мінуси, особливо коли не використовуються правильні конденсатори або система неправильно розроблена. Використання конденсаторів може призвести до короткого періоду "перенапруги", коли він увімкнений, що може вплинути на належне функціонування обладнання, наприклад, приводів зі змінною швидкістю, що призведе до їх періодичного вимкнення або вибуху запобіжників на деяких конденсаторах. Однак це можна вирішити, спробувавши внести корективи в послідовність управління перемиканням, у випадку частотних приводів, або усунувши гармонічні струми у випадку запобіжників.

Unity Power Factor і чому це не практично

Коли значення вашого коефіцієнта потужності дорівнює 1, тоді коефіцієнт потужності називається коефіцієнтом потужності одиниці. Може виникнути спокуса отримати оптимальний коефіцієнт потужності 1, але досягти його майже неможливо через те, що жодна система не є справді ідеальною. У цьому сенсі жодне навантаження не є суто резистивним, ємнісним чи індуктивним. Кожне навантаження містить деякі елементи іншого, як би вони не були малими, оскільки такий типовий діапазон коефіцієнта реалізації потужності зазвичай становить до 0,9 / 0,95. Ми вже дізналися про ці паразитарні властивості елементів RLC в наших статтях ESR та ESL з конденсаторами.

Коефіцієнт потужності визначає, наскільки добре ви використовуєте енергію та скільки платите за рахунки за електроенергію (особливо для галузей промисловості). До того ж, це головний фактор, що сприяє операційним витратам, і може бути тим фактором, що зумовлює зменшення норми прибутку, на який ви не звертали уваги. Покращення коефіцієнта потужності вашої електричної системи може допомогти зменшити рахунки за електроенергію та забезпечити максимальну продуктивність.