Фактор силы - Power factor

Систему ранжирования патронов для огнестрельного оружия см. Коэффициент мощности (стрелковый спорт).

В электротехника, то фактор силы из AC электроэнергетическая система определяется как соотношение из Реальная власть поглощен грузить к полная мощность протекает в цепи, и является безразмерное число в закрытый интервал от -1 до 1. Коэффициент мощности меньше единицы указывает на то, что напряжение и ток не совпадают по фазе, что снижает средний товар из двух. Реальная мощность - это мгновенное произведение напряжения и тока и представляет собой способность электричества выполнять работу. Кажущаяся мощность - это продукт RMS ток и напряжение. Из-за энергии, накопленной в нагрузке и возвращаемой 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) вырабатывает 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 исправить с помощью пассивной сети конденсаторы или индукторы. Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, искажают ток, поступающий из системы. 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 центральном подстанция, распределены по распределительной системе или встроены в энергопотребляющее оборудование.

Линейные схемы

Поток мощности, рассчитанный из переменного напряжения и тока, поступающих в нагрузку с нулевым коэффициентом мощностиϕ = 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 средний поток мощности (голубая линия) равен нулю.

Мгновенная и средняя мощность, рассчитанная из 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 схемы 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 сигналов напряжения и тока совпадают (или в фазе ), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле. Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется (или рассеивается).

куда реактивный присутствуют нагрузки, например, с конденсаторы или индукторы накопление энергии в нагрузках приводит к разности фаз между сигналами тока и напряжения. Во время каждого цикла напряжения переменного тока дополнительная энергия в дополнение к энергии, потребляемой в нагрузке, временно сохраняется в нагрузке в электрический или магнитные поля затем вернулась в энергосистему на долю периода позже.

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

в электросеть, реактивные нагрузки вызывают постоянные приливы и отливы непроизводительной мощности. 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 резистивный нагрев в линиях электропередач и требует использования проводов и трансформаторов с более высокими номиналами.

Определение и расчет

Мощность переменного тока поток состоит из двух компонентов:

• Реальная мощность или активная мощность (${\displaystyle P}$) (иногда называется средней мощностью^[1]), выражено в Вт (Вт)
• Реактивная сила (${\displaystyle Q}$), обычно выражается в реактивные вольт-амперы (var)^[2]

Вместе они образуют сложную власть (${\displaystyle S}$) выражается как вольт-амперы (Вирджиния). Величина комплексной мощности - это полная мощность (${\displaystyle |S|}$), также выраженный в вольтамперах (ВА).

VA и var не являются единицами системы СИ, математически идентичны ватту, но используются в инженерной практике вместо ватта, чтобы указать, что количество выражается. В SI явно запрещает использование единиц для этой цели или в качестве единственного источника информации об используемых физических величинах.^[3]

Коэффициент мощности определяется как отношение реальной мощности к полной мощности. Поскольку мощность передается по линии передачи, она состоит не только из реальной мощности, которая может выполнять работу после передачи на нагрузку, а скорее 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 мощности

Можно связать различные компоненты мощности переменного тока, используя треугольник мощности в векторном пространстве. Реальная мощность распространяется горизонтально в направлении î, поскольку она 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

Поскольку коэффициент мощности (т.е. cos θ) увеличивается, отношение активной мощности к полной (что = cos θ), увеличивается и приближается к единице (1), а угол θ уменьшается, а реактивная мощность уменьшается. [Как 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

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

Коэффициент мощности описывается как «опережающий», если форма волны тока опережает фазу по отношению к напряжению, или как «запаздывающий», когда форма волны тока отстает от формы волны напряжения. Запаздывающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является индуктивной, поскольку нагрузка будет «потреблять» реактивную мощность. Реактивный компонент ${\displaystyle Q}$ положительный, поскольку реактивная мощность проходит по цепи и «потребляется» индуктивной нагрузкой. Опережающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является емкостной, поскольку нагрузка «выдает» реактивную мощность и, следовательно, реактивную составляющую. ${\displaystyle Q}$ отрицательный, так как в цепь подается реактивная мощность.

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

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

Поскольку блоки согласованы, коэффициент мощности по определению равен безразмерное число между -1 и 1. Когда коэффициент мощности равен 0, поток энергии полностью реактивный, и накопленная в нагрузке энергия 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.

Потребление электрических нагрузок 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 реальная мощность меньше полной мощности, и, таким образом, 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

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. Коррекция коэффициента мощности может применяться передача электроэнергии утилита для повышения стабильности и эффективности сети. Отдельные 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 катушки индуктивности потребляют реактивную мощность, а конденсаторы питают ее, 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 последствиям. перенапряжение колебания. Таким образом, реактивные элементы нельзя просто применить без инженерного анализа.

1. Реле контроля реактивной мощности; 2. Точки подключения к сети; 3. Медленные предохранители; 4. Ограничение пускового тока. Контакторы; 5. Конденсаторы (однофазные или трехфазные блоки, соединение треугольником); 6. Трансформатор (для регуляторов и вентиляторов)

An блок автоматической коррекции коэффициента мощности состоит из ряда конденсаторы которые переключаются с помощью контакторы. 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 конденсаторы, разгруженный синхронный двигатель может подавать реактивную мощность. В Реактивная сила притягивается синхронным двигателем, является функцией возбуждения его поля. Это упоминается как синхронный конденсатор. Он запускается и подключается к электрическая сеть. Он работает с ведущим коэффициентом мощности и варс в сеть по мере необходимости для поддержки системы Напряжение или для поддержания коэффициента мощности системы на заданном уровне.

Установка и работа синхронного конденсатора идентичны таковым больших электродвигатели. 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 сочетании с высоковольтный постоянный ток проекты передачи или на крупных промышленных предприятиях, таких как сталелитейные заводы.

Для коррекции коэффициента мощности высоковольтных энергосистем или больших колеблющихся промышленных нагрузок силовые электронные устройства, такие как Статический компенсатор VAR или СТАТКОМ все чаще используются. 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

Примерами нелинейных нагрузок в энергосистеме являются выпрямители (например, используемые в источниках питания) и устройства дугового разряда, такие как флюоресцентные лампы, электрический сварка машины, или дуговые печи. Поскольку ток в этих системах прерывается действием переключения, ток содержит частотные составляющие, кратные частоте энергосистемы. Коэффициент мощности искажения является мерой того, насколько гармонические искажения тока нагрузки уменьшают среднюю мощность, передаваемую нагрузке.

Синусоидальное напряжение и несинусоидальный ток дают коэффициент мощности искажения 0,75 для этой нагрузки блока питания компьютера.

Несинусоидальные компоненты

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 сигнала тока от синусоидальная волна в какую-то другую форму. Нелинейные нагрузки создают гармонический токи в дополнение к исходному (основная частота) переменного тока. Это важно в практических энергосистемах, содержащих нелинейный такие нагрузки, как выпрямители, некоторые виды электрического освещения, электродуговые печи, Сварочное оборудование, импульсные источники питания, частотно-регулируемые приводы и другие устройства. Фильтры, состоящие из линейных конденсаторов и катушек индуктивности, могут предотвратить попадание гармонических токов в систему питания.

Для измерения активной или реактивной мощности ваттметр предназначены для правильной работы с несинусоидальными токами.

Коэффициент мощности искажения

В коэффициент мощности искажения - составляющая искажения, связанная с гармоническими напряжениями и токами, присутствующими в системе.

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

${\displaystyle {\mbox{THD}}_{i}}$ это 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 фундаментальной составляющей тока и ${\displaystyle I_{\mbox{rms}}}$ это полный ток - оба среднеквадратическое значение -значения (коэффициент мощности искажения также можно использовать для описания гармоник отдельного порядка, 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 искажения тока в сети составляют порядка 1-2%, что может иметь более масштабные последствия, но в обычной практике им можно пренебречь.^[10]

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

На практике локальные эффекты искажения тока на устройствах в трехфазная распределительная сеть полагаться на величину гармоник определенного порядка, а не на полное гармоническое искажение.

Например, тройные или нулевые гармоники (3-я, 9-я, 15-я и т. Д.) Имеют свойство быть синфазными при сравнении между строками. В трансформатор треугольник-звезда эти гармоники могут привести к возникновению циркулирующих токов в обмотках, соединенных треугольником, и привести к увеличению резистивный нагрев. В конфигурации трансформатора тройной гармоники эти токи не будут создаваться, но они приведут к ненулевому току в трансформаторе. нейтральный провод. 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 вихревые токи в магнитопроводе трансформатора. Потери на вихревые токи обычно увеличиваются пропорционально квадрату частоты, снижая КПД трансформатора, рассеивая дополнительное тепло и сокращая 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

Основная статья: импульсный источник питания § Коэффициент мощности

Особенно важным классом нелинейных нагрузок являются миллионы персональных компьютеров, которые обычно включают импульсные источники питания (SMPS) с номинальной выходной мощностью от нескольких ватт до более 1 кВт. Исторически эти очень недорогие источники питания включали простой двухполупериодный выпрямитель, который работал только тогда, когда сеть мгновенное напряжение превышало напряжение на входных конденсаторах. Это приводит к очень высокому отношения пиковой к средней входного тока, что также приводит к низкому коэффициенту мощности искажений и потенциально серьезным проблемам с нагрузкой фазы и нейтрали.

Типичный импульсный источник питания сначала преобразует сеть переменного тока в шину постоянного тока с помощью мостовой выпрямитель. 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 на гармоники частоты напряжения. Это представляет особую проблему для энергетических компаний, поскольку они не могут компенсировать гармонический ток путем добавления простых конденсаторов или катушек индуктивности, в отличие от реактивной мощности, потребляемой линейной нагрузкой. Многие юрисдикции начинают законодательно требовать коррекцию коэффициента мощности для всех источников питания выше определенного уровня мощности.

Регулирующие органы, такие как ЕС установили пределы гармоник как метод 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. 80 Плюс Сертификация источника питания требует коэффициента мощности 0,9 или более.^[15]

Коррекция коэффициента мощности (PFC) при нелинейных нагрузках

Пассивный PFC

Самый простой способ контролировать гармонический в настоящее время использовать фильтр который пропускает ток только в частота сети (50 или 60 Гц). Фильтр состоит из конденсаторов или катушек индуктивности и делает нелинейное устройство более похожим на линейный нагрузка. Примером пассивного PFC является контур заполнения долины.

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

Характеристики взяты с упаковки 610 Вт. Блок питания ПК показывает активный рейтинг PFC

Активный PFC - это использование силовая электроника для изменения формы сигнала тока, потребляемого нагрузкой, для улучшения коэффициента мощности.^[24] Некоторые типы активных PFC доллар, увеличение, повышение и синхронный конденсатор. 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 Венский выпрямитель конфигурация может использоваться для существенного улучшения коэффициента мощности.

SMPS с пассивным PFC может 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.

Динамический PFC

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 площадках). 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 для повышения коэффициента мощности.

Важность в системах распределения

Конденсаторная батарея 75 МВАр на подстанции 150 кВ

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, могут 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] ток Energy Star руководство для компьютеров^[29] требуется коэффициент мощности ≥ 0,9 при 100% номинальной мощности в Блок питания ПК. Согласно официальному документу Intel и Агентство по охране окружающей среды США, ПК с внутренними блоками 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

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 измеритель 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, чтобы привести указатель к нулю. При промежуточных значениях коэффициента мощности крутящие моменты, обеспечиваемые двумя катушками, складываются, и стрелка принимает промежуточное значение. позиции.^[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 напрямую 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 треугольных приложениях, где нет нейтральной линии, общая гармоника искажение, фаза и амплитуда отдельных гармоник напряжения или тока и т. д.^[34][35]

Мнемоника

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).

использованная литература

1. Бойлестад, Роберт (2002-03-04). Вводный анализ схемы (10-е изд.). п. 857. ISBN  978-0-13-097417-4.
2. «Единицы СИ - Электричество и магнетизм». CH: Международная электротехническая комиссия. Архивировано из оригинал на 2007-12-11. Получено 14 июн 2013.
3. Международная система единиц (СИ) [брошюра СИ] (PDF). § 5.3.2 (с. 132, 40 в PDF файл): BIPM. 2006.
4. Авторитетный словарь терминов стандартов (7-е изд.), IEEE, 2000, ISBN  978-0-7381-2601-2, Стд. 100
5. Стандартные определения для пробного измерения величин электрической мощности в синусоидальных, несинусоидальных, сбалансированных или несимметричных условиях, IEEE, 2000, ISBN  978-0-7381-1963-2, Стд. 1459–2000. Примечание 1, раздел 3.1.1.1, при определении величин для коэффициента мощности, утверждает, что реальная мощность подается только на нагрузку и никогда не может быть отрицательной. По состоянию на 2013 год один из авторов признал, что это примечание было неправильным и пересматривается для следующего издания. Увидеть http://powerstandards.com/Shymanski/draft.pdf
6. Дадделл В. (1901), «О сопротивлении и электродвижущих силах электрической дуги», Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки, 203 (359–371): 512–15, Дои:10.1098 / рста.1904.0022, Тот факт, что сплошная дуга на низких частотах имеет отрицательный коэффициент мощности, указывает на то, что дуга обеспечивает питание генератора переменного тока ...
7. Чжан, С. (июль 2006 г.), «Анализ некоторых проблем измерения при испытаниях коэффициента мощности вводов в полевых условиях», IEEE Transactions по доставке энергии, 21 (3): 1350–56, Дои:10.1109 / tpwrd.2006.874616, … (Измерение) дает как отрицательный коэффициент мощности, так и отрицательный резистивный ток (потери мощности)
8. Almarshoud, A. F .; и другие. (2004), «Характеристики подключенного к сети индукционного генератора при естественно коммутируемом контроллере переменного напряжения», Компоненты и системы электроэнергетики, 32 (7): 691–700, Дои:10.1080/15325000490461064, Соответственно, генератор будет потреблять активную мощность из сети, что приводит к отрицательному коэффициенту мощности.
9. Эвальд Фукс; Мохаммад А. С. Масум (14 июля 2015 г.). Качество электроэнергии в энергосистемах и электрических машинах. Elsevier Science. С. 432–. ISBN  978-0-12-800988-8. DPF - это косинус угла между этими двумя величинами.
10. Шанкаран, К. (1999), Влияние гармоник на энергосистемы, Электро-тест, ... и зависимость напряжения от времени отклоняется от чистой синусоидальной функции. Искажение в точке генерации очень мало (от 1% до 2%), но, тем не менее, оно существует.
11. «Гармоники однофазной нагрузки и гармоники трехфазной нагрузки» (PDF ), Гармоники энергосистемы, Pacific Gas and Electric
12. «Гармонические эффекты» (PDF ), Гармоники и IEEE 519, CA: Решения EnergyLogix
13. Шанкаран, С. (1999), «Трансформеры», Влияние гармоник на энергосистемы, Электро-тест
14. Шанкаран, С. (1999), «Моторы», Влияние гармоник на энергосистемы, Электро-тест, Взаимодействие между магнитными полями и токами прямой и обратной последовательности вызывает крутильные колебания вала двигателя. Эти колебания вызывают колебания вала.
15. «Что такое блок питания, сертифицированный 80 PLUS?», Сертифицированные источники питания и производители, 80 Плюс
16. Шрамм, Бен (осень 2006 г.), «Принципы проектирования источников питания: методы и решения, часть 3», Новостная рассылка, Nuvation, заархивировано из оригинал на 2007-03-09
17. Wolfle, W.H .; Hurley, W.G. (2003), "Квазиактивная коррекция коэффициента мощности с переменным индуктивным фильтром: теория, конструкция и практика", Xplore, IEEE, 18 (1), стр. 248–255, Bibcode:2003ITPE ... 18..248 Вт, Дои:10.1109 / TPEL.2002.807135
18. Wölfle, W. H .; Херли, У. Г., "Квазиактивная коррекция коэффициента мощности: роль переменной индуктивности", Силовая электроника (проект), IE: Nuigalway
19. Обзор блоков питания ATX, xBit labs, заархивировано из оригинал на 2008-11-20, Коэффициент мощности - это мера реактивной мощности. Это отношение активной мощности к общей активной и реактивной мощности. Это около 0,65 с обычным БП, но БП с активной коррекцией коэффициента мощности имеют коэффициент мощности 0,97–0,99. […] Обозреватели оборудования иногда не делают разницы между коэффициентом мощности и КПД. Хотя оба этих термина описывают эффективность источника питания, путать их будет большой ошибкой. […] Эффект от пассивного PFC очень мал - коэффициент мощности увеличивается только с 0,65 до 0,7–0,75.
20. Ожидается, что до 2011 года активный рынок ПФУ будет расти ежегодно на 12,3%., Найти статьи, 16 марта 2006 г., архивировано из оригинал 1 сентября 2009 г., В более мощных продуктах также может использоваться активная коррекция коэффициента мощности, поскольку это был бы наиболее экономичный способ привести продукты в соответствие со стандартом EN.
21. Коррекция коэффициента мощности, TECHarp, Пассивный PFC […] коэффициент мощности низкий - 60–80%. […] Активный PFC ... коэффициент мощности до 95%
22. Зачем нужен PFC в БП, Silverstone Technology, архивировано из оригинал 22 декабря 2008 г., Обычно значение коэффициента мощности электронного устройства без коррекции коэффициента мощности составляет примерно 0,5. […] Пассивный PFC […] 70 ~ 80% […] Активный PFC […] 90 ~ 99,9%
23. Брукс, Том (март 2004 г.), «Варианты PFC для блоков питания», Тайё, Электронные продукты, архивируются с оригинал на 2008-12-02, Недостатки пассивных методов коррекции коэффициента мощности состоят в том, что они обычно дают коэффициент мощности всего от 0,60 до 0,70 […] Двухступенчатая технология активной коррекции коэффициента мощности [дает] коэффициент мощности, обычно превышающий 0,98.
24. Основы коррекции коэффициента мощности (PFC) (PDF) (примечание по применению), Fairchild Semiconductor, 2004 г., заархивировано оригинал (PDF) на 2014-06-11, получено 2009-11-29
25. Sugawara, I .; Suzuki, Y .; Takeuchi, A .; Тешима, Т. (19–23 октября 1997 г.), "Экспериментальные исследования активных и пассивных схем коррекции коэффициента мощности", INTELEC 97, 19-я Международная телекоммуникационная энергетическая конференция, стр. 571–78, Дои:10.1109 / INTLEC.1997.646051, ISBN  978-0-7803-3996-5
26. Чавес, К .; Houdek, J. A. "Динамическое подавление гармоник и коррекция коэффициента мощности". EPQU'07. 9-я Международная конференция «Качество и использование электроэнергии»: 9-11 октября 2007 г., Барселона, Испания. IEEE. С. 1–5. Дои:10.1109 / EPQU.2007.4424144. ISBN  978-84-690-9441-9.
27. «Коэффициент мощности - важность, методы расчета и коррекции». 23 ноября 2018.
28. Справочник по коррекции коэффициента мощности (PDF), ON Semiconductor, 2007 г.
29. Программные требования для компьютеров (PDF) (Версия 5.0 изд.), США: Energy Star
30. Bolioli, T .; Дуггирала, М .; Haines, E .; Kolappan, R .; Вонг, Х. (2009), Реализация системы версии 5.0 (PDF) (технический документ), Energy Star
31. Финк, Дональд Г.; Бити, Х. Уэйн (1978), Стандартное руководство для инженеров-электриков (11-е изд.), Нью-Йорк: McGraw-Hill, стр. 3-29 пункт 80, ISBN  978-0-07-020974-9
32. Руководство по конструкции и принципам работы электрических инструментов, Schenectady, New York: General Electric, Meter and Instrument Department, 1949, pp. 66–68, GET-1087A.
33. "Основы анализа и измерения сигналов на основе БПФ в LabVIEW и LabWindows / CVI". National Instruments Corporation. Получено 6 ноября 2017.
34. «Прецизионные анализаторы мощности серии WT3000E» (PDF). Yokogawa Corporation. Архивировано из оригинал (PDF) 7 ноября 2017 г.. Получено 6 ноября 2017.
35. «Трехфазный регистратор качества электроэнергии Fluke 1760» (PDF). Корпорация Fluke. Получено 6 ноября 2017.

внешние ссылки

• Гармоники и их отношение к коэффициенту мощности (PDF), U Техас.
• Команда NIST развеивает тайну использования устройств коррекции коэффициента мощности, NIST, 15 декабря 2009 г..
• Расчет и коррекция коэффициента мощности, США.