Korekce koeficientu využití (Formule, obvod a kondenzátorové bance)

Pole: Základní elektrotechnika

China

Co je korekce faktoru využití

Co je korekce faktoru využití?

Korekce faktoru využití (také známá jako PFC nebo zlepšení faktoru využití) je definována jako technika používaná k zlepšení faktoru využití v obvodech střídavého proudu snížením reaktivního výkonu přítomného v obvodu. Cílem technik korekce faktoru využití je zvýšit efektivitu obvodu a snížit průběh proudu vyžadovaný náloží.

Obecně se v obvodách používají kondenzátory a synchronní motory k snížení induktivních členů (a tedy i reaktivního výkonu). Tyto techniky nejsou používány k zvýšení množství skutečného výkonu, ale pouze k snížení patrného výkonu.

Jinak řečeno, snižuje fázový posun mezi napětím a proudem. Snaží se tedy udržet faktor využití blízko jednotky. Nejekonomičtější hodnota faktoru využití se pohybuje mezi 0,9 a 0,95.

Teď vzniká otázka, proč je ekonomická hodnota faktoru využití 0,95 místo faktoru využití rovného jedné? Existuje nějaká nevýhoda jednotkového faktoru využití?

NE. Jednotkový faktor využití nemá žádnou nevýhodu. Je však obtížné a nákladné nainstalovat vybavení pro korekci faktoru využití na úrovni jedné.

Proto se společnosti dodávající elektrickou energii snaží dosáhnout faktoru využití v rozmezí 0,9 až 0,95, aby vytvořily ekonomický systém. A toto rozmezí je pro elektrický systém dostatečné.

Pokud má obvod střídavého proudu vysokou induktivní nálož, může faktor využití být nižší než 0,8. A vyžaduje větší proud ze zdroje.

Vybavení pro korekci faktoru využití snižuje induktivní prvky a proud získaný ze zdroje. Výsledkem je efektivnější systém a prevence ztráty elektrické energie.

Proč je potřebná korekce faktoru využití?

V obvodech se stejnosměrným proudem je výkon spotřebovaný na zátěži jednoduše vypočítán násobením napětí a proudu. Proud je úměrný přiloženému napětí. Proto je výkon spotřebovaný odporovou zátěží lineární.

V obvodech s střídavým proudem jsou napětí a proud sinusoidální vlny. Proto se velikost a směr mění neustále. V konkrétním okamžiku času je výkon spotřebovaný násobením napětí a proudu v tomto okamžiku.

Pokud má obvod s střídavým proudem indukční zátěže, jako jsou cívky, cívkové cívky, válcové cívky, transformátor, proud je mimo fázi s napětím. V této situaci je skutečný výkon spotřebovaný menší než součin napětí a proudu.

Díky ne-lineárním prvům v obvodech s střídavým proudem obsahuje jak odpor tak reaktance. Proto je v této situaci důležitý rozdíl fáze mezi proudem a napětím při výpočtu výkonu.

Pro čistě odporovou zátěž jsou napětí a proudy ve fázi. Ale pro indukční zátěž je proud pozadu za napětím. A to vytváří indukční reaktance.

V této situaci je nejvíce potřebná korekce koeficientu využití, aby byl snížen efekt indukčního prvku a zlepšen koeficient využití pro zvýšení efektivity systému.

Vzorec pro korekci koeficientu využití

Předpokládejme, že je indukční zátěž připojena k systému a funguje s koeficientem využití cosф1. Pro zlepšení koeficientu využití je třeba připojit vybavení pro korekci koeficientu využití paralelně s zátěží.

Circuit diagram tohoto uspořádání je znázorněn níže.

power factor correction example

Kondenzátor poskytuje vedoucí reaktivní komponentu a snižuje vliv zpožděné reaktivní komponenty. Před připojením kondenzátoru je proud zátěže IL.

Kondenzátor bere proud IC, který následuje za napětím o 90˚. A výsledný proud systému je Ir. Úhel mezi napětím V a IR je menší než úhel mezi V a IL. Proto je koeficient využití cosф2 zlepšen.

power factor correction phasor diagram

Fázový diagram korekce koeficientu využití

Z výše uvedeného fázového diagramu lze vidět, že zpožděná komponenta systému je snížena. Proto, aby se koeficient využití změnil z ф1 na ф2, je proud zátěže snížen o IRsinф2.

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

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

Kapacitance kondenzátoru pro zlepšení faktoru využití je;

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

Opravný obvod faktoru využití

Techniky korekce faktoru využití převážně používají kondenzátory nebo banky kondenzátorů a synchronní kondenzér. Podle použitého zařízení pro korekci faktoru využití existují tři metody;

Banka kondenzátorů
Synchronní kondenzér
Fázový posunovač

Korekce faktoru využití pomocí banky kondenzátorů

Kondenzátory nebo banky kondenzátorů mohou být připojeny jako pevná nebo proměnná hodnota kapacity. Jsou připojeny k indukčnímu motoru, distribučnímu panelu nebo hlavnímu zdroji.

Pevodní kapacitor je neustále připojen k systému. Kapacita s proměnnou hodnotou mění množství KVAR podle požadavků systému.

Pro korekci faktoru využití se používá banka kondenzátorů, která je připojena k zatížení. Pokud jde o třífázové zatížení, lze banku kondenzátorů připojit jako hvězdu nebo trojúhelník.

Banka kondenzátorů připojená v trojúhelníku

Níže uvedený obvodový diagram znázorňuje banku kondenzátorů připojenou v trojúhelníku s třífázovým zatížením.

delta connected capacitor bank

Banka kondenzátorů připojená v trojúhelníku

Nyní najdeme rovnici pro kapacitu každé fáze, když je připojena v trojúhelníku. V připojení v trojúhelníku jsou fázové napětí (VF) a čárkové napětí (VČ) stejné.

$V_P = V_L$

Kapacita každé fáze (C∆) je dána vztahem:

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

Kondenzátorový bank spojený hvězdou

Níže uvedená obvodová schémata ukazují kondenzátorový bank spojený hvězdou s třífázovým zatížením.

Kondenzátorový bank spojený hvězdou

V případě hvězdicového spojení je vztah mezi fázovým napětím (VP) a linkovým napětím (VL) následující:

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

Kapacita na fázi (CY) je dána jako;

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

Z výše uvedených rovnic;

$C_Y = 3 C_\Delta$

To znamená, že kapacita potřebná pro hvězdicové zapojení je třikrát větší než kapacita potřebná pro delta zapojení. A také, pracovní fázové napětí je 1/√3 krát lineární napětí.

Tedy, kondenzátorová baterie s delta zapojením je dobrým návrhem a to je důvod, proč se v trojfázovém spojení častěji používá kondenzátorová baterie s delta zapojením v síti.

Korekce faktoru využití pomocí synchronního kondenzéru

Když je synchronní motor přetěžován, bere vedoucí proud a chová se jako kondenzátor. Přetěžovaný synchronní motor běžící bez zátěže se nazývá synchronní kondenzér.

Když je tento typ stroje připojen paralelně k zdroji, bere vedoucí proud. A zlepšuje faktor využití systému. Připojovací diagram synchronního kondenzátoru k zdroji je znázorněn na níže uvedeném obrázku.

power factor correction using synchronous condenser

Korekce faktoru využití pomocí synchronního kondenzátoru

Když má zátěž reaktivní komponent, bere zpětný proud ze systému. Pro neutralizaci proudu se toto zařízení používá k tomu, aby bralo vedoucí proud.

synchronous condenser phasor diagram

Fázový diagram synchronního kondenzátoru

Před připojením synchronního kondenzátoru je proud vyžadovaný zátěží IL a faktor využití je фL.

Když je synchronní kondenzátor připojen, bere proud Im. V této podmínce je výsledný proud I a faktor využití je фm.

Z fázového diagramu můžeme porovnat oba úhly faktoru využití (фL a фm). A фm je menší než фL. Proto je cosфm větší než cosфL.

Tento typ metody pro zlepšení faktoru využití se používá na velkoplošných dodavatelských stanicích díky následujícím výhodám.

Velikost proudu, který motor odebírá, se mění změnou vzrušení pole.
Je snadné odstranit poruchy, které v systému vznikají.
Termální stabilita cívky motoru je vysoká. Proto je to spolehlivý systém pro krátkozavěřovací proudy.

Fázový posun

Indukční motor odebírá reaktivní proud z důvodu vzrušovacího proudu. Pokud se použije jiný zdroj pro poskytnutí vzrušovacího proudu, statorová cívka bude osvobozena od vzrušovacího proudu. A faktor využití motoru lze zlepšit.

Toto uspořádání lze provést pomocí fázového posunu. Fázový posun je jednoduchý AC vzrušovač umístěný na stejném hřídeli motoru a spojený s rotorovým obvodem motoru.

Poskytuje vzrušovací proud do rotorového obvodu na kluzném frekvenci. Pokud poskytnete více vzrušovacího proudu, než je třeba, indukční motor lze provozovat s vedoucím faktorem využití.

Jedinou nevýhodou fázového posunu je, že není ekonomický pro malé motory, zejména níže 200 HP.

Aktivní korekce faktoru využití

Aktivní korekce faktoru využití poskytuje efektivnější řízení faktoru využití. Obvykle se používá v návrhu napájecích zdrojů pro výkon vyšší než 100 W.

Tento typ obvodu pro korekci faktoru využití obsahuje vysokofrekvenční přepínací prvky, jako jsou diody, SCR (elektronické přepínací prvky). Tyto prvky jsou aktivní prvky. Proto se tato metoda nazývá aktivní korekce faktoru využití.

V pasivní korekci faktoru využití se v obvodu používají nekontrolované reaktivní prvky, jako jsou kondenzátory a cívečky. Pasivní obvod pro korekci faktoru využití nepoužívá žádné kontrolní jednotky ani přepínací prvky.

Díky použití vysokofrekvenčních přepínacích prvků a kontrolních jednotek v obvodu se náklady a komplexnost obvodu zvýší ve srovnání s pasivním obvodem pro korekci faktoru využití.

Níže uvedený schéma ukazuje základní prvky aktivního obvodu pro korekci faktoru využití.

aktivní korekce faktoru využití

Aktivní korekce faktoru využití

Pro řízení parametrů obvodu se používá řídící jednotka. Měří vstupní napětí a proud. A upravuje čas přepínání a poměr pulzní šířky ve fázovém napětí a proudu.

Induktor L je ovládán pevným státem přepínače Q. Řídící jednotka se používá k řízení (ZAPNUTO a VYPNUTO) pevného státu přepínače Q.

Když je přepínač ZAPNUTÝ, proud induktoru roste o ∆I+. Napětí na induktoru mění polaritu a uvolňuje energii přes diodu D1 do zátěže.

Když je přepínač VYPNUTÝ, proud induktoru klesá o ∆I–. Celková změna během jednoho cyklu je ∆I = ∆I+ – ∆I–. Časy ZAPNUTO a VYPNUTO přepínače jsou řízeny řídící jednotkou změnou poměru pulzní šířky.

Správným výběrem poměru pulzní šířky lze dosáhnout požadovaného tvaru proudu pro zátěž.

Jak určit velikost korekce faktoru využití?

Pro určení velikosti korekce faktoru využití potřebujeme vypočítat požadavek na reaktivní výkon (KVAR). A připojíme kapacitnost této velikosti do systému, aby byl splněn požadavek na reaktivní výkon.

Existují dva způsoby, jak najít požadavek na KVAR.

Metoda násobiče z tabulky
Výpočetní metoda

Jak naznačuje název, v metodě násobiče z tabulky můžeme přímo najít konstantu násobiče z tabulky. Požadovaný KVAR můžeme přímo získat vynásobením konstanty s vstupním výkonem.

tabulková metoda násobení

Tabulková metoda násobení

V metodě výpočtu potřebujeme vypočítat násobič, jak je uvedeno v níže uvedeném příkladu.

Příklad:

Indukční motor o výkonu 10 kW má faktor strmosti 0,71. Pokud potřebujeme tento motor provozovat s faktorem strmosti 0,92, jakou bude mít kapacitor velikost?

Vstupní výkon = 10 kW
Skutečný faktor strmosti (cos φA) = 0,71
Požadovaný faktor strmosti (cos φR) = 0,92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

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

Požadovaný KVAR = Vstupní výkon x Konstanta násobiče

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Proto je potřeba reaktivní výkon 5,658 KVAR k zlepšení faktoru využití ze 0,71 na 0,92. A kondenzátor připojený k systému má kapacitu 5,658 KVAR.

Použití korekce faktoru využití

V síťovém systému hraje faktor využití nejdůležitější roli v kvalitě a správě systému. Určuje efektivitu dodávky energie.

Bez korekce faktoru využití spotřebič stahuje zdroji velkou intenzitu proudu. To zvyšuje ztráty a náklady na elektrickou energii. PFC vybavení se snaží urovnat fázi proudu a napětí. Tím se zvýší efektivita systému.
V přenosové síti je nutný vysoký faktor využití. Díky vysokému faktoru využití se snižují ztráty přenosové linky a zlepšuje se regulace napětí.
Indukční motory jsou široce používány v průmyslu. Pro prevenci přehřívání a zvýšení efektivity motoru se používají kondenzátory k zmírnění dopadu reaktivního výkonu.
PFC vybavení snižuje výrobu tepla v kabelech, spínačích, alternátorech, transformátorech atd.
Díky vysoké efektivitě sítě je třeba vygenerovat méně energie, což snižuje emise uhlíku do atmosféry.
Klesnutí napětí lze výrazně snížit použitím PFC vybavení ve spojení se systémem.

Prohlášení: Respektujte originál, dobré články stojí za sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, obraťte se na odstranění.

Dát spropitné a povzbudit autora

Témata:

Energetické systémy

Přenos

O odbornících

Electrical4u

China