Джерела та причини низького коефіцієнту ефективності

Причини та джерела низького коефіцієнта ефективності

У електроенергетичній системі коефіцієнт ефективності визначається як співвідношення реальної потужності (вимірюється у кіловаттах, кВт) до апаратної потужності (вимірюється у кіловольт-амперах, кВА). Низький коефіцієнт ефективності свідчить про те, що електричний навантажувач неефективно використовує доступну електричну енергію. Ця неефективність може призвести до різних наслідків, таких як збільшення витрат на електроенергію для споживачів та зниження загальної ефективності системи. У цій статті ми розглянемо основні джерела та причини низького коефіцієнта ефективності в електроенергетичній системі.

Найбільший внесок у низький коефіцієнт ефективності мають індуктивні навантаження. У чисто індуктивному контурі струм відстає від напруги на 90 градусів. Ця значна різниця фазового кута призводить до коефіцієнта ефективності, який дорівнює нулю, що означає, що навантаження не використовує реальну потужність; замість цього, енергія просто зберігається та виділяється в магнітному полі індуктора без виконання корисної роботи. У контурах, які містять як капацитивні, так і індуктивні елементи, коефіцієнт ефективності не дорівнює нулю. Однак, за винятком резонансних або настроєних контурів, де індуктивне реактивне опору XL дорівнює капацитивному реактивному опору XC, що робить контур поведінково чисто резистивним, різниця фазового кута θ між струмом та напругою триває. Ця різниця фаз, спричинена взаємодією між ємністю та індуктивністю, прямо впливає на величину коефіцієнта ефективності, часто призводячи до підприємних умов використання потужності.

Причини та джерела низького коефіцієнта ефективності
Причини низького коефіцієнта ефективності

На низький коефіцієнт ефективності в електроенергетичних системах впливає кілька факторів, як детально описано нижче:

Індуктивні навантаження

Серед головних порушників — індуктивні навантаження, включаючи електродвигуни та трансформатори. Ці навантаження споживають реактивну потужність з електроенергетичної системи, що призводить до запізненого коефіцієнта ефективності. У індуктивних контурах струм відстає від напруги, створюючи різницю фаз, що збільшує реактивну компоненту потужності. Коефіцієнт ефективності індуктивного навантаження значно змінюється залежно від його режиму роботи:

• Повне навантаження: Зазвичай, коефіцієнт ефективності (Pf) знаходиться в діапазоні від 0.8 до 0.9.

• Мале навантаження: Він знижується до діапазону від 0.2 до 0.3.

• Без навантаження: Коефіцієнт ефективності може наблизитися до нуля. У чисто індуктивному навантаженні коефіцієнт ефективності дорівнює точно нулю, що означає, що не виконується жодна реальна робота, а енергія просто зберігається та виділяється в магнітному полі.

Капацитивні навантаження

Капацитивні навантаження, такі як конденсатори, мають потенціал покращити коефіцієнт ефективності, генеруючи реактивну потужність. Однак, якщо ємність надто велика, це може призвести до перевищення, що призведе до переднього коефіцієнта ефективності. Подібно до чисто індуктивних навантажень, чисто капацитивне навантаження також має коефіцієнт ефективності, який дорівнює нулю, оскільки струм опережає напругу на 90 градусів, і немає нетто-переведення реальної потужності.

Гармоніки

Гармоніки — це нелінійні деформації електричного сигналу, які часто виникають в системах з електронними навантаженнями, такими як комп'ютери, сервери та інші цифрові пристрої. Ці деформації призводять до збільшення реактивної потужності, що, у свою чергу, зменшує загальний коефіцієнт ефективності. Наявність гармонік порушує синусоїдальний характер струму та напруги, що призводить до неефективності використання потужності.

Магнітизаційний струм

Навантаження на енергетичну систему не є постійним. Під час періодів низького навантаження, напруга живлення часто збільшується. Це збільшення напруги призводить до зростання магнітизаційного струму індуктивного обладнання, такого як трансформатори та двигуни. В результаті, коефіцієнт ефективності знижується, оскільки відносно реальної потужності споживається більше реактивної потужності.

Замала провідна система

Замала провідна система, особливо в обмотках двигунів, може призводити до значних падінь напруги. Ці падіння напруги збільшують реактивну потужність в системі, що призводить до зниження коефіцієнта ефективності. Недостатня товщина проводу обмежує потік електричного струму, що призводить до резистивних втрат та збільшення імпедансу, що впливає на продуктивність коефіцієнта ефективності.

Довгі лінії розподілу

Довгі електричні лінії розподілу — це ще один фактор, що призводить до низького коефіцієнта ефективності. Коли електроенергія подорожує на великі відстані, опір та реактивна опір в лініях призводять до падінь напруги. Ці падіння напруги призводять до збільшення реактивної потужності, що зменшує загальний коефіцієнт ефективності системи. Чим довша лінія, тим більш вираженими стають ці ефекти.

Несправедливі навантаження

Несправедливі навантаження, коли електричне навантаження нерівномірно розподілене по фазах трифазної системи, можуть призводити до збільшення реактивної компоненти потужності. Цей нерівномірний розподіл призводить до неефективності передачі потужності, що призводить до нижчого коефіцієнта ефективності. Несправедливі навантаження також можуть призводити до додаткового напруження електричного обладнання, що може призвести до ранньої відмови.

Джерела низького коефіцієнта ефективності

Нижче наведені основні джерела низького коефіцієнта ефективності в електроенергетичних системах:

Електричне обладнання

• Розподільні трансформатори: Коефіцієнт ефективності розподільного трансформатора залежить від його конструкції, а також рівня навантаження та розвантаження. Загалом, незавантажений трансформатор має дуже низький коефіцієнт ефективності через його потреби у магнітизаційному струмі.

• Освітлювальні системи

• Лампи накалу: Зазвичай, вони мають коефіцієнт ефективності близько 50%.

• Ртутні парові лампи: Їх коефіцієнт ефективності зазвичай знаходиться в діапазоні від 40% до 60%.

• Двигуни

• Індукційні двигуни: Коефіцієнт ефективності індукційних двигунів може сильно варіюватися, від 30% при легких навантаженнях до 90% при повному навантаженні.

• Синхронні двигуни: При роботі у недостатньо збудженому стані, синхронні двигуни демонструють дуже низький коефіцієнт ефективності.

• Спеціалізоване обладнання

• Трансформатори для зварювання: Зазвичай, вони мають коефіцієнт ефективності близько 60%.

• Промислові нагрівальні печі: Їх робота часто призводить до відносно низького коефіцієнта ефективності через характер електричних навантажень, які вони використовують.

• Соленоїди та дросели: Ці індуктивні компоненти вносять вклад у поганий коефіцієнт ефективності.

• Дугові лампи: Подібно до інших джерел освітлення, дугові лампи можуть мати низький коефіцієнт ефективності.

Системні проблеми

• Недостатньо збуджені синхронні двигуни: При роботі під навантаженням з недостатньою збудженістю, синхронні двигуни споживають надмірну реактивну потужність, що призводить до низького коефіцієнта ефективності.

• Недостатні практики проводки: Не використання номінального діаметра проводу в обмотках двигунів може призводити до проблем з коефіцієнтом ефективності, як було обговорено раніше.

• Механічні проблеми у двигунах: Пошкоджені підшипники в двигунах можуть призводити до механічних напружень, що, у свою чергу, впливають на електричні характеристики двигуна, потенційно призводячи до зниження коефіцієнта ефективності.

Вирішення проблеми низького коефіцієнта ефективності є важливим, оскільки вона має ряд недоліків, включаючи збільшення енергетичних втрат, збільшення платіжок за електроенергію та зменшення ємності системи. Для покращення коефіцієнта ефективності можна впровадити різні рішення. Це включає встановлення обладнання для корекції коефіцієнта ефективності, таких як конденсатори, модернізацію електричного обладнання для мінімізації втрат та оптимізацію проекту системи для зменшення використання реактивної потужності. Глибоке розуміння причин та джерел низького коефіцієнта ефективності є важливим для виявлення областей для покращення та забезпечення ефективної та економічно вигідної роботи електроенергетичних систем.