Zrozumienie współczynnika mocy i jego wpływu na rachunki za energię

Oprócz bezpieczeństwa i niezawodności, przy projektowaniu i wdrażaniu systemów elektrycznych należy dążyć do kilku innych celów, w tym wydajności. Jednym z mierników sprawności systemu elektrycznego jest sprawność, z jaką system przekształca otrzymaną energię w użyteczną pracę. Na wydajność tę wskazuje składnik systemów elektrycznych znany jako współczynnik mocy. Współczynnik mocy wskazuje, ile mocy jest faktycznie używane do wykonania użytecznej pracy przez obciążenie i ile mocy „marnuje”. Choć nazwa brzmi banalnie, jest jednym z głównych czynników powodujących wysokie rachunki za prąd i awarie zasilania.

Aby móc poprawnie opisać współczynnik mocy i jego praktyczne znaczenie, ważne jest, aby odświeżyć swoją pamięć o różnych typach obciążeń elektrycznych i istniejących składowych Mocy.

Z podstawowych klas elektrycznych, obciążenia elektryczne są zazwyczaj dwojakiego rodzaju;

1. Obciążenia rezystancyjne
2. Obciążenia reaktywne

1. Obciążenia rezystancyjne

Obciążenia rezystancyjne, jak sama nazwa wskazuje, obciążenia te składają się z elementów czysto rezystancyjnych. Dla tego rodzaju obciążeń (biorąc pod uwagę idealne warunki) cała dostarczana do niego moc jest rozpraszana do pracy dzięki temu, że prąd jest w fazie z napięciem. Dobrym przykładem obciążeń rezystancyjnych są żarówki i baterie.

Składowa mocy związana z obciążeniami rezystancyjnymi jest nazywana mocą rzeczywistą. Ta rzeczywista moc jest czasami nazywana mocą roboczą, mocą rzeczywistą lub mocą rzeczywistą. Jeśli nie masz doświadczenia z zasilaniem prądem przemiennym i czujesz się zdezorientowany ze wszystkimi tymi przebiegami, zaleca się przeczytanie o podstawach zasilania prądem przemiennym, aby zrozumieć, jak działa zasilanie prądem zmiennym.

2. Obciążenia bierne

Z drugiej strony obciążenia reaktywne są nieco bardziej złożone. Chociaż powodują spadek napięcia i pobierają prąd ze źródła, nie rozpraszają żadnej użytecznej mocy jako takiej, ponieważ moc pobierana z zasilania nie działa. Wynika to z natury obciążeń reaktywnych.

Obciążenia bierne mogą być pojemnościowe lub indukcyjne. W obciążeniach indukcyjnych pobierana moc jest wykorzystywana do ustawiania strumienia magnetycznego bez żadnej bezpośredniej pracy wykonywanej, podczas gdy w przypadku obciążeń pojemnościowych moc jest wykorzystywana do ładowania kondensatora, a nie do bezpośredniego wytwarzania pracy. Moc w ten sposób rozproszona w obciążeniach biernych jest nazywana mocą bierną. Obciążenia bierne charakteryzują się przewodzeniem prądu (obciążenia pojemnościowe) lub opóźnianiem (obciążenia indukcyjne) za napięciem, w związku z czym zwykle występuje różnica faz między prądem a napięciem.

Powyższe dwa wykresy przedstawiają obciążenie indukcyjne i pojemnościowe, gdzie współczynnik mocy jest odpowiednio opóźniony i wiodący. Te różnice w tych dwóch rodzajów przewodów prowadzących do istnienie trzech elementów mocy urządzeń elektrycznych, a mianowicie;

1. Rzeczywista moc
2. Reaktywna moc
3. Pozorna moc

1. Rzeczywista moc

Jest to moc związana z obciążeniami rezystancyjnymi. Jest to składnik mocy wydzielany do wykonywania rzeczywistej pracy w układach elektrycznych. Od ogrzewania po oświetlenie itp. Wyraża się go w watach (W) (wraz z jego mnożnikami, kilogramami, Mega itp.) I symbolicznie reprezentuje litera P.

2. Moc bierna

Jest to moc związana z obciążeniami biernymi. W wyniku opóźnienia między napięciem a prądem w obciążeniach biernych energia pobierana w biernej (zarówno pojemnościowej, jak i indukcyjnej) nie wytwarza pracy. Nazywa się to mocą bierną, a jej jednostką jest woltoamperowa reaktywna (VAR).

3. Moc pozorna

Typowe systemy elektryczne obejmują zarówno obciążenia rezystancyjne, jak i indukcyjne, pomyśl o żarówkach i grzejnikach do obciążeń rezystancyjnych oraz o sprzęcie z silnikami, sprężarkami itp. Jako o obciążeniach indukcyjnych. Zatem w systemie elektrycznym całkowita moc jest połączeniem rzeczywistych i biernych składników mocy, ta całkowita moc jest również nazywana mocą pozorną.

Moc pozorna jest sumą mocy rzeczywistej i mocy biernej. Jego jednostką są woltoampery (VA) i reprezentowane matematycznie przez równanie;

Moc pozorna = Moc rzeczywista + Moc bierna

W idealnych sytuacjach rzeczywista moc rozpraszana w systemie elektrycznym jest zwykle większa niż moc bierna. Poniższy rysunek przedstawia diagram wektorowy narysowany przy użyciu trzech komponentów mocy

Ten diagram wektorowy można przekształcić w trójkąt mocy, jak pokazano poniżej.

Współczynnik mocy można obliczyć, uzyskując kąt theta (ϴ) pokazany powyżej. Tutaj theta jest kątem pomiędzy mocą rzeczywistą a mocą pozorną. Następnie, postępując zgodnie z regułą cosinusa (w sąsiedztwie przeciwprostokątnej), współczynnik mocy można oszacować jako stosunek mocy rzeczywistej do mocy pozornej. Wzór na obliczanie współczynnika mocy podano poniżej

PF = Moc rzeczywista / Moc pozorna lub PF = Cosϴ

Zestawiając to obok równania wyznaczania mocy pozornej, łatwo zauważyć, że wzrost mocy biernej (obecność dużej liczby obciążeń biernych) prowadzi do wzrostu mocy pozornej i większej wartości kąta ϴ, co ostatecznie powoduje niski współczynnik mocy, gdy uzyskuje się jego cosinus (cos ϴ). Z drugiej strony zmniejszenie obciążeń biernych (mocy biernej) prowadzi do zwiększenia współczynnika mocy, wskazując na wysoką sprawność w systemach z mniejszymi obciążeniami biernymi i na odwrót. Wartość Współczynnika Mocy zawsze będzie mieścić się w przedziale od 0 do 1, im bliżej jednego, tym wyższa będzie sprawność systemu. W Indiach za idealną wartość współczynnika mocy przyjmuje się 0,8. Wartość współczynnika mocy nie ma jednostki.

Znaczenie współczynnika mocy

Jeśli wartość współczynnika mocy jest niska, oznacza to, że energia z sieci jest marnowana, ponieważ ogromna jej część nie jest wykorzystywana do znaczącej pracy. Dzieje się tak, ponieważ obciążenie tutaj zużywa więcej mocy biernej w porównaniu z mocą rzeczywistą. Obciąża to system zasilania, powodując przeciążenie systemu dystrybucji, ponieważ zarówno moc rzeczywista wymagana przez obciążenie, jak i moc bierna wykorzystywana do zaspokojenia obciążeń biernych będą pobierane z systemu.

To obciążenie i „marnotrawstwo” zazwyczaj prowadzi do ogromnych rachunków za energię elektryczną dla konsumentów (zwłaszcza odbiorców przemysłowych), ponieważ przedsiębiorstwa użyteczności publicznej obliczają zużycie w kategoriach mocy pozornej, w związku z czym ostatecznie płacą za energię, która nie została wykorzystana do wykonania żadnej „znaczącej” pracy. Niektóre firmy nakładają również kary na swoich konsumentów, jeśli pobierają więcej mocy biernej, ponieważ powoduje to przeciążenie systemu. Kara ta jest nakładana w celu zmniejszenia niskiego współczynnika mocy powodującego obciążenia używane w przemyśle.

Nawet w sytuacjach, gdy energia jest dostarczana przez generatory firmy, marnuje się pieniądze na większe generatory, kable o większych rozmiarach itp. Wymagane do zapewnienia mocy, gdy znaczna jej część zostanie zmarnowana. Aby lepiej to zrozumieć, rozważ poniższy przykład

Fabryka obsługująca obciążenie 70 kW może być z powodzeniem zasilana przez generator / transformator i kable o mocy znamionowej 70 kVA, jeśli fabryka pracuje ze współczynnikiem mocy 1. Ale jeśli współczynnik mocy spadnie do 0,6, to nawet przy takim samym obciążeniu 70 kW, wymagany będzie większy generator lub transformator o mocy znamionowej 116,67 kVA (70 / 0,6), ponieważ generator / transformator będzie musiał dostarczyć dodatkową moc dla obciążenia biernego. Poza tym znacznym wzrostem zapotrzebowania na moc należałoby również zwiększyć rozmiar stosowanych kabli, co doprowadziłoby do znacznego wzrostu kosztów sprzętu i zwiększonych strat mocy w wyniku rezystancji wzdłuż przewodów. Kara za to wykracza poza wysokie rachunki za prąd w niektórych krajach, ponieważ firmy o słabym współczynniku mocy zwykle otrzymują ogromne grzywny, aby zachęcić do naprawy.

Poprawa współczynnika mocy

Biorąc pod uwagę wszystko, co zostało powiedziane, zgodzisz się ze mną, że bardziej ekonomiczne jest korygowanie słabego współczynnika mocy niż dalsze płacenie ogromnych rachunków za energię elektryczną, zwłaszcza w przypadku dużych gałęzi przemysłu. Szacuje się również, że ponad 40% rachunków za energię elektryczną można zaoszczędzić w dużych gałęziach przemysłu i zakładach produkcyjnych, jeśli współczynnik mocy zostanie skorygowany i utrzymany na niskim poziomie.

Oprócz obniżenia kosztów dla konsumentów, prowadzenie wydajnego systemu przyczynia się do ogólnej niezawodności i wydajności sieci energetycznej, ponieważ przedsiębiorstwa użyteczności publicznej są w stanie zmniejszyć straty na liniach i koszty utrzymania, jednocześnie doświadczając zmniejszenia liczby transformatorów i podobna infrastruktura pomocnicza wymagana do ich działalności.

Obliczanie współczynnika mocy dla twojego obciążenia

Pierwszym krokiem do skorygowania współczynnika mocy jest określenie współczynnika mocy dla twojego obciążenia. Można to zrobić poprzez;

1. Obliczanie mocy biernej na podstawie szczegółów reaktancji obciążenia

2. Wyznaczenie rzeczywistej mocy rozpraszanej przez obciążenie i połączenie jej z mocą pozorną w celu uzyskania współczynnika mocy.

3. Zastosowanie miernika współczynnika mocy.

Miernik współczynnika mocy jest najczęściej używany, ponieważ pomaga łatwo uzyskać współczynnik mocy w dużych konfiguracjach systemowych, gdzie określenie szczegółów reaktancji obciążenia i rzeczywistej rozpraszanej mocy może być trudną drogą.

Znając współczynnik mocy, możesz przystąpić do jego korekty, dostosowując go jak najbliżej 1. n Zalecany współczynnik mocy przez dostawców energii elektrycznej zwykle wynosi od 0,8 do 1 i można to osiągnąć tylko wtedy, gdy używasz prawie wyłącznie obciążenie rezystancyjne lub reaktancja indukcyjna (obciążenie) w systemie jest równe reaktancji pojemności, ponieważ oba będą się wzajemnie znosić.

Ze względu na fakt, że stosowanie obciążeń indukcyjnych jest częstszą przyczyną niskiego współczynnika mocy, szczególnie w warunkach przemysłowych (z powodu stosowania ciężkich silników itp.), Jedną z najprostszych metod korygowania współczynnika mocy jest eliminacja reaktancja indukcyjna poprzez zastosowanie kondensatorów korekcyjnych wprowadzających do układu reaktancję pojemnościową.

Kondensatory poprawiające współczynnik mocy działają jak generator prądu biernego, przeciwdziałając / kompensując moc „marnowaną” przez obciążenia indukcyjne. Jednak podczas umieszczania tych kondensatorów w konfiguracjach należy starannie rozważyć projekt, aby zapewnić płynną pracę z urządzeniami, takimi jak przemienniki częstotliwości i efektywną równowagę z kosztami. W zależności od obiektu i rozkładu obciążenia projekt może obejmować kondensatory o stałej wartości instalowane w punktach obciążenia indukcyjnego lub baterie kondensatorów automatycznej korekcji zainstalowane na szynach zbiorczych paneli rozdzielczych w celu scentralizowanej korekty, która jest zwykle bardziej opłacalna w dużych systemach.

Stosowanie kondensatorów korygujących współczynnik mocy w konfiguracjach ma swoje wady, zwłaszcza gdy nie są używane odpowiednie kondensatory lub system nie jest odpowiednio zaprojektowany. Użycie kondensatorów może spowodować krótki okres „przepięcia” po włączeniu, co może wpłynąć na prawidłowe działanie sprzętu, takiego jak napędy o zmiennej prędkości, powodując ich sporadyczne wyłączanie lub przepalanie bezpieczników na niektórych kondensatorach. Można to jednak rozwiązać, próbując dostosować kolejność sterowania przełączaniem w przypadku napędów prędkości lub eliminując prądy harmoniczne w przypadku bezpieczników.

Unity Power Factor i dlaczego nie jest to praktyczne

Gdy wartość współczynnika mocy jest równa 1, wówczas mówi się, że współczynnik mocy jest współczynnikiem mocy jedności. Uzyskanie optymalnego współczynnika mocy równego 1 może być kuszące, ale osiągnięcie go jest prawie niemożliwe, ponieważ żaden system nie jest naprawdę idealny. W tym sensie żadne obciążenie nie jest czysto rezystancyjne, pojemnościowe ani indukcyjne. Każde obciążenie składa się z niektórych elementów drugiego, bez względu na to, jak małe, ponieważ typowy możliwy do zrealizowania zakres współczynnika mocy wynosi zwykle do 0,9 / 0,95. Dowiedzieliśmy się już o tych pasożytniczych właściwościach elementów RLC w naszych artykułach ESR i ESL with Capacitors.

Współczynnik mocy jest wyznacznikiem tego, jak dobrze wykorzystujesz energię i ile płacisz w rachunkach za energię elektryczną (szczególnie w przypadku przemysłu). W związku z tym jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do kosztów operacyjnych i może być tym czynnikiem powodującym obniżone marże zysku, na które nie zwracałeś uwagi. Poprawa współczynnika mocy systemu elektrycznego może pomóc obniżyć rachunki za prąd i zapewnić maksymalną wydajność.