Onko alhaisemman voimakertoimen ja tehon välillä yhteyttä?

Matalan tehoasteen ja tehokkuuden välinen suhde

Tehoaste (PF) ja tehokkuus ovat kaksi keskeistä suorituskykyindikaattoria sähköjärjestelmissä, ja niiden välillä on todellakin suhde, erityisesti sähköisen laitteen ja järjestelmän toiminnassa. Alla on yksityiskohtainen selitys siitä, miten matala tehoaste vaikuttaa tehokkuuteen:

1. Tehoasteen määritelmä

Tehoaste määritellään aktiivisen tehon (Active Power, P) ja näennäisen tehon (Apparent Power, S) suhteena, usein merkitty cosϕ:

Tehoaste (PF)= SP=cosϕ

Aktiivinen teho 

P: Todellinen teho, jota käytetään hyödylliseen työhön, mitattuna vateissa (W).

Reaktiivinen teho 

Q: Teoho, jota käytetään magneettisten tai sähköisten kenttien luomiseen, joka ei suoraan suorita hyödyllistä työtä, mitattuna var-kilovoltiampeereina (VAR).

Näennäinen teho 

S: Aktiivisen ja reaktiivisen tehon vektorisumma, mitattuna kilovoltiampeereina (VA).

Tehoaste vaihtelee välillä 0-1, ideaalinen arvo on lähellä 1, mikä tarkoittaa, että piirissä on korkea aktiivisen tehon osuus näennäiseen tehoon nähden ja minimaalinen reaktiivinen teho.

2. Matalan tehoasteen vaikutukset

2.1 Kasvava virtasuhde

Matala tehoaste tarkoittaa, että piirissä on huomattava reaktiivisen tehon komponentti. Samalla tasolla aktiivista tehoa tuotettaessa lähdettä pitää tarjota enemmän näennäistä tehoa, mikä johtaa korkeampaan virtasuhdelle. Tämä virtasuhteen kasvu aiheuttaa useita ongelmia:

• Kasvavat johtimen häviöt: Korkeampi virta lisää resistiivisiä häviöitä (I2 R-häviöt) johtimetöihin, mikä tuhlaa energiaa.

• Muuntimien ja jakeluvarusteen ylikuormittuminen: Korkeammat virtasuhteet aiheuttavat suurempaa stressiä muuntimille, särkylaitteille ja muulle jakeluvarusteelle, mikä voi aiheuttaa ylikuumenemisen, elinkaaren lyhyenemisen tai jopa vahingot.

2.2 Vähenevä järjestelmän tehokkuus

Matalammalla tehoasteella kasvava virta saa eri sähköjärjestelmän komponentit (kuten kaapelit, muuntimet ja generaattorit) kuljettaa enemmän virtaa, mikä johtaa korkeampiin energiahäviöihin. Nämä häviöt sisältävät pääasiassa:

• Kuparin häviöt (johtimen häviöt): Lämpöhäviöt virtan kulkiessa johtimissa.

• Ytimen häviöt: Magneettiset ytimeenhäviöt laitteissa, kuten muuntimissa, vaikkakaan nämä eivät ole suoraan liittyviä tehoasteeseen, korkeammat virtasuhteet lisäävät näitä häviöitä epäsuorasti.

• Jänniteputoaminen: Korkeammat virtasuhteet johtavat suurempiin jänniteputoamiini johtolankoja pitkin, mikä voi vaikuttaa laitteiden oikeaan toimintaan ja saattaa edellyttää korkeampaa syöttöjännitteä korvaamaan, mikä puolestaan lisää energiankulutusta.

Näin ollen matala tehoaste vähentää koko sähköjärjestelmän tehokkuutta, koska enemmän energiaa hukataan siirtymässä ja jakelussa kuin sitä käytetään tuottavasti.

3. Tehoasteen korjauksen edut

Tehokkuuden parantamiseksi tehoasteen korjaustoimia toteutetaan usein. Yleisiä menetelmiä ovat:

• Rinnakkaiskondensaattorit: Kondensaattorien asentaminen rinnakkaan reaktiivisen tehon kompensoimiseksi, mikä vähentää virtasuhteen ja pienentää johtimen häviöitä.

• Synkroniset kondensaattorit: Isoissa teollisuusjärjestelmissä synkroniset kondensaattorit voivat dynaamisesti säännellä reaktiivista tehoa, ylläpitäen tehoasteen lähellä 1:ää.

• Älykkäät ohjausjärjestelmät: Modernit sähköjärjestelmät käyttävät älykkäitä ohjausjärjestelmiä, jotka automaattisesti säätävät tehoastetta reaalisaikaisen kuorman perusteella, optimoien energiankäyttöä.

Tehoasteen korjaamalla virtasuhteen vaatimus voidaan merkittävästi vähentää, energiahäviöt minimoida ja koko järjestelmän tehokkuus parantaa, jatkamalla laitteiden käyttöikää ja vähentäen huoltokustannuksia.

4. Käytännön sovellukset

4.1 Moottorin ajosovellukset

Teollisuustuotannossa sähkömoottorit ovat suuria sähkön kuluttajia. Jos moottorilla on matala tehoaste, virtasuhteen vaatimus kasvaa, mikä johtaa korkeampiin häviöihin kaapeleissa ja muuntimissa, mikä puolestaan vähentää koko järjestelmän tehokkuutta. Soveltuvien kondensaattorien asentamalla tehoastetta korjaamalla virtasuhteen vaatimus voidaan vähentää, häviöt minimoida ja moottorin tehokkuus parantaa.

4.2 Valaistusjärjestelmät

Fluoresseinvaihtovalot ja muut kaasunpurkavalot tyypillisesti ovat matalan tehoasteen omaavia. Sähköisten ballastien tai rinnakkaiskondensaattoreiden käyttö parantaa näiden valojen tehoastetta, vähentää virtasuhteen vaatimusta ja alentaa jakeluvarusteen häviöitä, mikä puolestaan parantaa valaistusjärjestelmän kokonaisteohokkuutta.

4.3 Datakeskukset

Datakeskukset kuluttavat paljon sähköä servereille ja jäätytysjärjestelmille, usein yhdessä merkittävien reaktiivisten tehojen vaatimuksien kanssa. Tehoasteen korjaaminen voi vähentää jakeluvarusteen virtasuhteen vaatimusta, alentaa jäätytysjärjestelmien kuormitusta ja parantaa datakeskuksen kokonaisteohokkuutta.

Yhteenveto

Matala tehoaste johtaa kasvavaan virtasuhteen vaatimukseen, korkeampiin johtimen häviöihin ja suurempaan laiteraskuuseen, mikä kaikki vähentävät koko sähköjärjestelmän tehokkuutta. Tehoasteen korjaustoimien toteuttamalla virtasuhteen vaatimus voidaan vähentää, energiahäviöt minimoida ja järjestelmän tehokkuus parantaa, jatkamalla laitteiden käyttöikää ja vähentäen huoltokustannuksia. Siksi tehoasteen ja tehokkuuden välillä on tiivis suhde, ja tehoasteen optimointi on olennainen askel sähköjärjestelmien tehokkuuden parantamisessa.