Корекция на фактора на мощност: Какво е това? (Формула, схема и кондензаторни бани)

Поле: Основни електротехника

China

Какво е корекция на фактора на мощността

Какво е корекция на фактора на мощността?

Корекцията на фактора на мощността (също известна като PFC или Подобряване на фактора на мощността) се дефинира като техника, използвана за подобряване на фактора на мощността на AC вериги чрез намаляване на реактивната мощност, присъстваща в веригата. Техниките за корекция на фактора на мощността имат за цел да увеличат ефективността на веригата и да намалят ток, който се отвлича от натоварването.

Обикновено, кондензатори и синхронни мотори се използват в вериги, за да намалят индуктивните елементи (и следователно реактивната мощност). Тези техники не се използват за увеличаване на количеството истинска мощност, а само за намаляване на явната мощност.

С други думи, тя намалява фазовия сдвиг между напрежението и тока. Така се стреми да поддържа фактора на мощността близо до единица. Най-икономичната стойност на фактора на мощността е между 0,9 до 0,95.

Сега възниква въпросът, защо най-икономичната стойност на фактора на мощността е 0,95, вместо фактор на мощността единица? Има ли някакви недостатъци на фактора на мощността единица?

НЕ. Няма нито един недостатък на фактора на мощността единица. Но е трудно и скъпо да се инсталира оборудване за корекция на фактора на мощността единица.

Поради това електроенергийните компании и доставчиците на енергия се стремят да направят фактора на мощността в диапазона 0,9 до 0,95, за да създадат икономична система. И този диапазон е достатъчен за енергийната система.

Ако AC веригата има високо индуктивно натоварване, факторът на мощността може да е под 0,8. И тогава тя отвлича повече ток от източника.

Оборудването за корекция на фактора на мощността намалява индуктивните елементи и тока, който се отвлича от източника. Това води до по-ефективна система и предпазва от губителството на електрическа енергия.

Защо е необходима корекцията на фактора на мощността?

В直流电路中，负载消耗的功率通过电压和电流的乘积简单计算。电流与施加的电压成正比。因此，电阻负载的功率损耗是线性的。

在交流电路中，电压和电流是正弦波。因此，其大小和方向不断变化。在特定时刻，消耗的功率是该时刻电压和电流的乘积。

如果交流电路中有电感负载，如绕组、扼流圈、螺线管、变压器；电流与电压不同相。在这种情况下，实际消耗的功率小于电压和电流的乘积。

由于交流电路中的非线性元件，它既包含电阻又包含电抗。因此，在这种情况下，计算功率时电流和电压之间的相位差很重要。

对于纯电阻负载，电压和电流同相。但对于电感负载，电流滞后于电压，并产生电感电抗。

在这种情况下，最需要进行功率因数校正，以减少电感元件的影响并提高功率因数，从而提高系统的效率。

Формула за корекция на фактора на мощност

При свързване на индуктивна нагрузка с системата и работа при фактор на мощност cosф1, за да подобрим фактора на мощност, трябва да свържем оборудване за корекция на фактора на мощност паралелно с нагрузката.

Схемата на това устройство е показана в следната фигура.

power factor correction example

Кондензаторът предоставя водещ реактивен компонент и намалява ефекта на закъсняващия реактивен компонент. Преди свързването на кондензатора, токът на натоварване е IL.

Кондензаторът приема ток IC, който води напрежението с 90˚. Резултантният ток на системата е Ir. Угълът между напрежението V и IR е намален в сравнение с ъгъла между V и IL. Следователно, факторът на мощността cosф2 е подобрен.

power factor correction phasor diagram

Диаграма на фазорите за корекция на фактора на мощността

От горната диаграма на фазорите, закъсняващият компонент на системата е намален. Следователно, за да се промени факторът на мощността от ф1 до ф2, токът на натоварване е намален с IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

Капацитетът на кондензатора за подобряване на коефициента на мощност е;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Циркуит за корекция на коефициента на мощност

Техники за корекция на коефициента на мощност използват предимно кондензатор или банка от кондензатори и синхронен кондензатор. Според оборудването, използвано за корекцията на коефициента на мощност, има три метода;

Банка от кондензатори
Синхронен кондензатор
Фазов усилител

Корекция на коефициента на мощност с използване на банка от кондензатори

Кондензаторът или банката от кондензатори могат да бъдат свързани като фиксирана или променлива стойност на капацитет. Той се свързва с индукционен мотор, панел за разпределение или главно захранване.

Фиксираната кондензаторна едностойност е непрекъснато свързана с системата. Променливата кондензаторна едностойност варира количеството KVAR в зависимост от нуждите на системата.

За корекция на фактора на мощността, кондензаторната банка се използва за свързване с нагрузката. Ако нагрузката е трифазна, кондензаторната банка може да бъде свързана като звезда или дельта.

Кондензаторна банка свързана по метода делта

Долната схема показва кондензаторна банка свързана по метода делта с трифазна нагрузка.

delta connected capacitor bank

Кондензаторна банка свързана по метода делта

Нека намерим уравнението за кондензатора на фаза, когато той е свързан по метода делта. При свързване по метода делта, фазното напрежение (VP) и линейното напрежение (VL) са равни.

$V_P = V_L$

Едностойността на кондензатора на фаза (C∆) е дадена като;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Кондензаторна банка със звездовидно свързване

Показваната по-долу схема представя кондензаторна банка със звездовидно свързване и тритефазно натоварване.

Кондензаторна банка със звездовидно свързване

В звездовидното свързване, връзката между фазово напрежение (VP) и линейно напрежение (VL) е;

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

Капацитетът на фаза (CY) се дава като;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

От горните уравнения;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Това означава, че капацитетът, необходим за звезда-връзка, е три пъти по-голям от този, необходим за делта-връзка. Освен това, оперативното фазово напрежение е 1/√3 пъти линейното напрежение.

Следователно, делта-връзката на кондензаторния блок е добра конструкция и поради тази причина, в тритефазна връзка, делта-връзката на кондензаторния блок се използва повече в мрежата.

Корекция на фактора на мощността чрез синхронен кондензатор

Когато синхронният двигател е прекомерно възбуден, той приема водещ ток и се държи като кондензатор. Прекомерно възбуден синхронен двигател, работещ при безнагласно състояние, се нарича синхронен кондензатор.

Когато този тип машина е свързана паралелно със захранването, тя приема предварителен ток и подобрява коефициента на мощността на системата. Схемата на връзката на синхронния кондензатор с захранването е показана на фигурата по-долу.

power factor correction using synchronous condenser

Корекция на коефициента на мощността чрез синхронен кондензатор

Когато натоварването има реактивен компонент, то извлича запазен ток от системата. За да се нейтрализира токът, това устройство се използва, за да приеме предварителен ток.

synchronous condenser phasor diagram

Фазов диаграм на синхронния кондензатор

Преди синхронният кондензатор да бъде свързан, токът, извличан от натоварването, е IL, а коефициентът на мощността е фL.

Когато синхронният кондензатор е свързан, той приема ток Im. В това състояние резултантният ток е I, а коефициентът на мощността е фm.

От фазовата диаграма можем да сравним двата ъгъла на коефициента на мощността (фL и фm). И фm е по-малък от фL. Следователно, cosфm е по-голям от cosфL.

Този метод за подобряване на коефициента на мощността се използва в големите захранващи станции поради следните предимства.

Магнитудата на тока, извличан от мотора, се променя чрез варьиране на полето за възбуда.
Лесно е да се премахнат дефектите, които възникват в системата.
Термалната стабилност на обмотката на мотора е висока. Поради това това е надеждна система за късоircuitни токове.

Фазово предварително устройство

Индукционният мотор извлича реактивен ток поради тока за възбуда. Ако се използва друг източник за осигуряване на тока за възбуда, обмотката на статора е свободна от тока за възбуда. И факторът на мощността на мотора може да бъде подобрен.

Тази конфигурация може да бъде направена чрез използване на фазово предварително устройство. Фазовото предварително устройство е прост AC възбудител, монтиран на същия вал като мотора и свързан с роторната верига на мотора.

Той предоставя ток за възбуда на роторната верига на честота на просъбване. Ако предоставите повече ток за възбуда, отколкото е необходимо, индукционният мотор може да работи с водещ фактор на мощност.

Единственият недостатък на фазовото предварително устройство е, че то не е икономично за малки мотори, особено под 200 HP.

Активна корекция на фактора на мощността

Активната корекция на фактора на мощността предоставя по-ефективен контрол на фактора на мощността. Обикновено се използва в дизайна на источници на напрежение за повече от 100W.

Този тип корекция на фактора на мощността съдържа високочестотни комутационни елементи като диод, SCR (комутационни елементи на силна електроника). Тези елементи са активни елементи. Поради това този метод се нарича метод на активна корекция на фактора на мощността.

В пасивната корекция на фактора на мощността, реактивните елементи като кондензатор и индуктор, използвани в веригата, са неконтролирани. Така пасивната корекция на фактора на мощността не използва никакви контролни единици и комутационни елементи.

Поради използването на високочестотни комутационни елементи и контролна единица в веригата, цената и сложността на веригата са увеличени в сравнение с пасивната корекция на фактора на мощността.

По-долният диаграма показва основните елементи на активна корекция на фактора на мощността.

активна корекция на фактора на мощност

Активна корекция на фактора на мощност

За контролиране на параметрите на веригата се използва контролен модул в цепта. Той измерва входното напрежение и тока. И регулира времето за комутация и дължината на импулса в фазното напрежение и тока.

Индукторът L се контролира от твърдотелен ключ Q. Контролният модул се използва за управление (ВКЛЮЧЕНО и ИЗКЛЮЧЕНО) на твърдотелния ключ Q.

Когато ключът е включено, токът през индуктора се увеличава с ∆I+. Напрежението през индуктора променя полярността си и освобождава натрупаната енергия чрез диод D1 към потребителя.

Когато ключът е изключено, токът през индуктора намалява с ∆I–. Общата промяна за един цикъл е ∆I = ∆I+ – ∆I–. Времето за включване и изключване на ключа се контролира от контролния модул чрез промяна на дължината на импулса.

Чрез правилно избиране на дължината на импулса можем да получим желаната форма на тока към потребителската верига.

Как да определим размера на корекцията на фактора на мощност?

За определяне на размера на корекцията на фактора на мощност трябва да изчислим необходимостта от реактивна мощност (KVAR). И свързваме този размер кондензаторна мощност с системата, за да удовлетворим нуждите от реактивна мощност.

Има два начина за определяне на необходимостта от KVAR.

Метод с таблица множители
Метод на изчисленията

Както подсказва името, при метода с таблица множители, можем директно да намерим константа множител от таблица. Можем директно да намерим необходимия KVAR, умножавайки константата с входната мощност.

table multiplier method

Метод на множителна таблица

В метода за изчисление трябва да изчислим множителя, както е показано в следния пример.

Пример:

Индукционен двигател с мощност 10 кВт има коезиент на мощност 0,71. Ако искаме да работим с този двигател при коезиент на мощност 0,92, какъв ще бъде размерът на кондензатора?

Входна мощност = 10 кВт
Фактически коезиент на мощност (cos фA) = 0,71
Изискван коезиент на мощност (cos фR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Множителна константа = 0.9918 - 0.4259 = 0.5658$

Търсена KVAR = Входна мощност x Множителна константа

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Следователно, са необходими 5,658 KVAR реактивна мощност, за да се подобри факторът на мощността от 0,71 до 0,92. И кондензаторът, свързан с системата, има емкост от 5,658 KVAR.

Приложения на корекцията на фактора на мощността

В мрежата на електроенергийната система факторът на мощността играе най-важна роля в качеството и управлението на системата. Той определя ефективността на доставянето на мощност.

Без корекция на фактора на мощността, товарът извлича висок ток от източника. Това увеличава загубите и разходите за електрическа енергия. Оборудването за корекция на фактора на мощността се стреми да направи вълните на тока и напрежението в фаза. Това ще увеличи ефективността на системата.
В мрежата за пренос, висок фактор на мощност е необходим. Благодарение на високия фактор на мощност, загубите в линията за пренос намаляват и се подобрява регулирането на напрежението.
Индукционният двигател е широко използвано оборудване в индустриите. За да се избегне прекомерното затопляне и да се подобри ефективността на двигателя, се използват кондензатори, за да се намали ефектът на реактивната мощност.
Оборудването за корекция на фактора на мощността намалява генерирането на топлина в кабели, комутационни устройства, атернатори, трансформатори и др.
Благодарение на високата ефективност на мрежата, ни е необходимо да генерираме по-малко енергия. Това намалява емисиите на въглерод в атмосферата.
Значително се намалява падането на напрежението чрез използването на оборудване за корекция на фактора на мощността в системата.

Декларация: Спазвайте оригинала, добри статии заслужават споделяне, при нарушение на авторските права, моля, свържете се за изтриване.

Дайте бакшиш и поощрете автора

Теми:

Електрически системи

Предаване

За експертите

Electrical4u

China

Област на експертиза

Basic Electrical

Профессионална статия

607