Correcció del factor de potència: Què és? (Fórmula, Circuit i Bancs de Capacitadors)

Camp: Electricitat bàsica

China

Què és la correcció del factor de potència

Què és la correcció del factor de potència?

La correcció del factor de potència (també coneguda com a PFC o millora del factor de potència) es defineix com una tècnica utilitzada per millorar el factor de potència dels circuits AC reduint la potència reactiva present en el circuit. Les tècniques de correcció del factor de potència tenen com objectiu augmentar l'eficiència del circuit i reduir la corrent consumida per la càrrega.

Generalment, s'utilitzen condensadors i motores síncrones en els circuits per reduir els elements inductius (i, per tant, la potència reactiva). Aquestes tècniques no s'utilitzen per augmentar la quantitat de potència real, sinó només per disminuir la potència aparent.

En altres paraules, redueix el desplaçament de fase entre voltatge i corrent. Així, intenta mantenir el factor de potència prop del valor unitari. El valor més econòmic del factor de potència està entre 0,9 i 0,95.

Ara surt la pregunta, per què el valor econòmic del factor de potència és 0,95 en lloc d'un factor de potència unitari? Hi ha algun inconvenient d'un factor de potència unitari?

NO. No hi ha cap inconvenient d'un factor de potència unitari. Però és difícil i costós instal·lar equips de PFC unitari.

Per això, les companyies d'electricitat i d'abastiment intenten mantenir un factor de potència en un rang de 0,9 a 0,95 per crear un sistema econòmic. I aquest rang és prou bo per al sistema d'electricitat.

Si el circuit AC té una càrrega inductiva alta, el factor de potència pot estar per sota de 0,8. I això comporta que consumeixi més corrent de la font.

L'equip de correcció del factor de potència reduïx els elements inductius i la corrent consumida de la font. Això resulta en un sistema més eficient i evita la pèrdua d'energia elèctrica.

Per què es necessita la correcció del factor de potència?

En els circuits CC, la potència dissipada per una càrrega es calcula simplement multiplicant el voltatge i la corrent. I la corrent és proporcional al voltatge aplicat. Per tant, la dissipació de potència per la càrrega resistiva és lineal.

En els circuits CA, el voltatge i la corrent són ones sinusoidals. Per tant, la magnitud i la direcció canvien continuament. En un moment particular, la potència dissipada és el producte del voltatge i la corrent en aquest instant.

Si un circuit CA té càrregues inductives com ara: bobines, bobines de xoc, solenoïdes, transformadors; la corrent està desfasada amb el voltatge. En aquesta condició, la potència real dissipada és menor que el producte del voltatge i la corrent.

Degut als elements no lineals en els circuits CA, contenen tant resistència com reactància. Per tant, en aquesta condició, la diferència de fase entre la corrent i el voltatge és important en el càlcul de la potència.

Per a una càrrega purament resistiva, el voltatge i la corrent estan en fase. Però per a una càrrega inductiva, la corrent arriba darrere del voltatge. Això crea reactància inductiva.

En aquesta condició, la correcció del factor de potència és la més necessària per reduir l'efecte de l'element inductiu i millorar el factor de potència per augmentar l'eficiència del sistema.

Fórmula de correcció del factor de potència

Suposem que una càrrega inductiva està connectada amb el sistema i funciona amb un factor de potència cosф1. Per millorar el factor de potència, cal connectar equipament de correcció del factor de potència en paral·lel amb la càrrega.

El diagrama del circuit d'aquesta disposició es mostra a la figura següent.

exemple de correcció del factor de potència

El capacitor proporciona un component reactiv més avançat i reduïu l'efecte del component reactiv retardat. Abans de connectar el capacitor, la corrent de càrrega és IL.

El capacitor pren una corrent IC que s'avança en 90˚ respecte al voltatge. I la corrent resultant del sistema és Ir. L'angle entre el voltatge V i IR es redueix en comparació amb l'angle entre V i IL. Per tant, el factor de potència cosф2 s'ha millorat.

power factor correction phasor diagram

Diagrama fasorial de correcció del factor de potència

Segons el diagrama fasorial anterior, el component retardat del sistema es redueix. Per tant, per canviar el factor de potència de ф1 a ф2, la corrent de càrrega es redueix en IRsinф2.

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

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

La capacitància del condensador per millorar el factor de potència és;

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

Circuit de correcció del factor de potència

Les tècniques de correcció del factor de potència utilitzen principalment un condensador o banc de condensadors i síncron condensador. Segons l'equipament utilitzat per corregir el factor de potència, hi ha tres mètodes;

Banc de condensadors
Síncron condensador
Avançador de fase

Correcció del factor de potència utilitzant un banc de condensadors

El condensador o banc de condensadors es pot connectar com a capacitància fixa o variable. Es connecta a un motor d'inducció, a un quadre de distribució o a la subministrament principal.

El condensador de valor fix està connectat continuament amb el sistema. Un condensador de valor variable varia la quantitat de KVAR segons la necessitat del sistema.

Per a la correcció del factor de potència, es fa servir un banc de condensadors per connectar-se amb la càrrega. Si la càrrega és una càrrega tri-fàsica, el banc de condensadors es pot connectar en configuració d'estrella i delta.

Banc de Condensadors Connectats en Delta

El següent diagrama de circuit mostra un banc de condensadors connectats en delta amb una càrrega tri-fàsica.

delta connected capacitor bank

Banc de Condensadors Connectats en Delta

Trobal·lem l'equació del condensador per fase quan està connectat en configuració delta. En la connexió delta, la tensió de fase (VP) i la tensió de línia (VL) són iguals.

$V_P = V_L$

La capacitància per fase (C∆) es dona com:

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

Banc de condensadors connectat en estrella

El següent diagrama de circuit mostra un banc de condensadors connectat en estrella amb una càrrega trifàsica.

Banc de condensadors connectat en estrella

En la connexió en estrella, la relació entre la tensió de fase (VP) i la tensió de línia (VL) és:

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

La capacitància per fase (CY) es dóna com;

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

A partir de les equacions anteriors;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Això significa que la capacitància requerida en la connexió estelar és tres vegades la capacitància requerida en la connexió delta. També, la tensió de fase operativa és 1/√3 vegades la tensió de línia.

Per tant, el banc de condensadors connectat en delta és un bon disseny i és per aquest motiu que, en una connexió tri-fàsica, el banc de condensadors connectat en delta s'utilitza més a la xarxa.

Correcció del factor de potència utilitzant un condensador síncron

Quan un motor síncron està sobreactuat, pren una corrent líder i comporta com un condensador. Un motor síncron sobreactuat que funciona en condicions sense càrrega és conegut com a condensador síncron.

Quan aquest tipus de màquina es connecta en paral·lel amb el subministrament, pren una corrent d'avanç. I millora el factor de potència del sistema. El diagrama de connexió del condensador síncron amb el subministrament és com es mostra a la figura següent.

millora del factor de potència utilitzant un condensador síncron

Millora del factor de potència utilitzant un condensador síncron

Quan la càrrega té un component reactiu, pren una corrent de retardament del sistema. Per neutralitzar la corrent, s'utilitza aquest dispositiu per prendre una corrent d'avanç.

diagrama fasorial del condensador síncron

Diagrama fasorial del condensador síncron

Abans que el condensador síncron es connecti, la corrent consumida per la càrrega és IL i el factor de potència és фL.

Quan el condensador síncron es connecta, pren la corrent Im. En aquesta condició, la corrent resultant és I i el factor de potència és фm.

A partir del diagrama fasorial, podem comparar els dos angles de factor de potència (фL i фm). I фm és menor que фL. Per tant, el cosфm és més gran que el cosфL.

Aquest tipus de mètode d' millora del factor de potència s'utilitza a les estacions de subministrament massiu degut a les següents avantatges.

La intensitat de la corrent consumida pel motor es canvia variat l'excitació del camp.
És fàcil eliminar els errors que ocorren al sistema.
L'estabilitat tèrmica de l'enrotllament del motor és alta. Per tant, és un sistema fiable per a corrents de curtcircuït.

Avançador de Fase

El motor d'inducció consumeix corrent reactiva degut a la corrent d'excitació. Si s'utilitza una altra font per proporcionar la corrent d'excitació, l'enrotllament del estator queda lliure de la corrent d'excitació. I el factor de potència del motor es pot millorar.

Aquesta disposició es pot fer utilitzant l'avançador de fase. L'avançador de fase és un exciter AC simple muntat en el mateix eix del motor i connectat amb el circuit del rotor del motor.

Proporciona corrent d'excitació al circuit del rotor a la freqüència de lliscament. Si s'aporta més corrent d'excitació del necessari, el motor d'inducció es pot operar amb un factor de potència avançat.

L'únic inconvenient de l'avançador de fase és que no és econòmic per a motors de petita mida, especialment per sota de 200 CV.

Correcció Activa del Factor de Potència

La correcció activa del factor de potència proporciona un control més eficient del factor de potència. Generalment, s'utilitza en el disseny de fonts d'alimentació per a més de 100W.

Aquest tipus de circuit de correcció del factor de potència consta d'elements de commutació de alta freqüència com diodes, SCR (interruptors electrònics de potència). Aquests elements són elements actius. Per tant, aquest mètode se nomena correcció activa del factor de potència.

En la correcció passiva del factor de potència, els elements reactius com capacitadors i inductors utilitzats en el circuit són no controlats. Com que el circuit de correcció passiva del factor de potència no utilitza cap unitat de control ni elements de commutació.

Degut als elements de commutació d'alta freqüència i a la unitat de control utilitzada en el circuit, el cost i la complexitat del circuit augmenten en comparació amb el circuit de correcció passiva del factor de potència.

El diagrama de circuit següent mostra els elements bàsics d'un circuit de correcció activa del factor de potència.

correcció activa del factor de potència

Correcció activa del factor de potència

Per controlar els paràmetres del circuit, s'utilitza una unitat de control en el circuit. Aquesta mesura la tensió i la corrent d'entrada. I ajusta el temps de commutació i el cicle de treball en la tensió i la corrent de fase.

L'inductor L es controla mitjançant l'interruptor de estado sòlid Q. L'unitat de control s'utilitza per controlar (ENCES i APAGAT) l'interruptor de estado sòlid Q.

Quan l'interruptor està ENCES, la corrent de l'inductor augmenta en ∆I+. La tensió a través de l'inductor canvia de polaritat i libera l'energia acumulada a través del diode D1 cap a la càrrega.

Quan l'interruptor està APAGAT, la corrent de l'inductor disminueix en ∆I–. El canvi total durant un cicle és ∆I = ∆I+ – ∆I–. El temps d'ENCE i APAGAT de l'interruptor es controla per l'unitat de control canviant el cicle de treball.

Amb la selecció adequada del cicle de treball, podem obtenir la forma desitjada de la corrent a la càrrega.

Com dimensionar la correcció del factor de potència?

Per dimensionar la correcció del factor de potència, hem de calcular la necessitat de potència reactiva (KVAR). I connectem aquesta mida de capacitanci amb el sistema per complir la demanda de potència reactiva.

Hi ha dues maneres de trobar la necessitat de KVAR.

Mètode del multiplicador de taules
Mètode de càlcul

Com indica el nom, en el mètode del multiplicador de taules, podem trobar directament una constant multiplicadora d'una taula. Podem trobar el KVAR necessari multiplicant la constant amb la potència d'entrada.

mètode del multiplicador de taules

Mètode del multiplicador de taules

En el mètode de càlcul, hem de calcular el multiplicador tal com es mostra en l'exemple següent.

Exemple:

Un motor d'inducció de 10 kW té un factor de potència de 0,71 retardat. Si necessitem fer funcionar aquest motor amb un factor de potència de 0,92, quin serà la mida del condensador?

Potència d'entrada = 10 kW
Factor de potència real (cos фA) = 0,71
Factor de potència requerit (cos фR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0,71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0,71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR requerit = Potència d'entrada x Constant de multiplicació

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Per tant, es necessiten 5,658 KVAR de potència reactiva per millorar el factor de potència de 0,71 a 0,92. I el condensador connectat al sistema té una capacitància de 5,658 KVAR.

Aplicacions de la correcció del factor de potència

En una xarxa de sistemes d'energia, el factor de potència joca un paper molt important en la qualitat i la gestió del sistema. Determina l'eficiència del subministrament d'energia.

Sense la correcció del factor de potència, la càrrega extreu una corrent d'alta magnitud de la font. Això augmenta les pèrdues i el cost de l'energia elèctrica. L'equipament de PFC intenta fer que les ones de corrent i tensió estiguin en fase. Això augmentarà l'eficiència del sistema.
En la xarxa de transmissió, és necessari un factor de potència elevat. Gràcies a un factor de potència elevat, les pèrdues de la línia de transmissió disminueixen i s'aprova la regulació de la tensió.
El motor d'inducció és un equipament ampliament utilitzat a les indústries. Per evitar sobrecalentaments i millorar l'eficiència del motor, s'utilitzen condensadors per mitigar l'efecte de la potència reactiva.
L'equipament de PFC reduix la generació de calor en cables, commutadors, alternadors, transformadors, etc.
Gràcies a l'alta eficiència de la xarxa, cal generar menys energia. Això redueix les emissions de carboni a l'atmosfera.
La caiguda de tensió disminueix considerablement utilitzant equipament de PFC amb el sistema.

Declaració: Respecteu l'original, els bons articles mériten ser compartits, si hi ha infracció contacteu per eliminar.

Dona una propina i anima l'autor

Temes:

Sistemes elèctrics

Transmissió

Sobre experts

Electrical4u

China