Korrektion af effekt faktor: Hvad er det? (Formel, kredsløb og kondensatorbanker)

Hvad er effektfaktorkorrektion?

Effektfaktorkorrektion (også kendt som PFC eller Forbedring af Effektfaktor) defineres som en teknik, der anvendes til at forbedre effektfaktoren i AC-kredsløb ved at reducere den reaktive effekt, der findes i kredsløbet. Målet med effektfaktorkorrektionsteknikker er at øge effektiviteten af kredsløbet og reducere strømmen, der trækkes af belastningen.

Generelt bruges kondensatorer og synkronmotorer i kredsløb for at reducere de induktive elementer (og dermed den reaktive effekt). Disse teknikker anvendes ikke til at øge mængden af virkelig effekt, men kun til at reducere den synlige effekt.

Med andre ord reducerer det faseskiftet mellem spænding og strøm. Så forsøger det at holde effektfaktoren tæt på enhed. Den mest økonomiske værdi af effektfaktoren ligger mellem 0,9 til 0,95.

Nu opstår spørgsmålet, hvorfor den økonomiske værdi af effektfaktoren er 0,95 i stedet for enhedseffektfaktor? Er der nogen ulemper ved enhedseffektfaktor?

NEJ. Der er ikke en eneste ulempe ved enhedseffektfaktor. Men det er svært og dyrt at installere enhedseffektfaktorkorrektionsudstyr.

Derfor forsøger utilityvirksomheder og elleverandører at opnå en effektfaktor i intervallet 0,9 til 0,95 for at skabe et økonomisk system. Og dette interval er godt nok for et elkredsløb.

Hvis et AC-kredsløb har en høj induktiv belastning, kan effektfaktoren ligge under 0,8. Og det trækker mere strøm fra kilde.

Effektfaktorkorrektionsudstyr reducerer induktive elementer og strøm, der trækkes fra kilde. Dette resulterer i et effektivt system og forebygger tab af elektrisk energi.

Hvorfor er effektfaktorkorrektion nødvendig?

I DC-kredsløb beregnes effekten, der udledes af en last, ved at gange spænding og strøm. Og strømmen er proportionel med den anvendte spænding. Derfor er effektudledelsen fra den resistive last lineær.

I AC-kredsløb er spændingen og strømmen sinusformet bølger. Derfor ændres størrelse og retning konstant. I et bestemt øjeblik er den udledede effekt et produkt af spændingen og strømmen i det pågældende øjeblik.

Hvis et AC-kredsløb har induktive laster som; vindinger, chowk spoler, solenoide, transformator; er strømmen udfaset i forhold til spændingen. Under disse omstændigheder er den faktiske udledede effekt mindre end produktet af spænding og strøm.

På grund af ikke-lineære elementer i AC-kredsløb indeholder det både modstand og reaktance. Derfor er fasedifferencen mellem strøm og spænding vigtig, når man beregner effekten.

For ren resistiv last er spændingen og strømmen i fase. Men for induktiv last følger strømmen efter spændingen. Dette skaber induktiv reaktance.

Under disse omstændigheder er effektfaktorkorrektion mest nødvendig for at reducere effekten af det induktive element og forbedre effektfaktoren for at øge systemets effektivitet.

Effektfaktorkorrektionsformel

Antag, at en induktiv last er forbundet til systemet og fungerer med effektfaktor cosф1. For at forbedre effektfaktoren skal vi forbinde effektfaktorkorrektionsudstyr parallel med lasten.

Kredsløbsdiagrammet for denne opsætning vises nedenfor.

Kondensatoren leverer en førende reaktiv komponent og reducerer effekten af den forsinkede reaktive komponent. Før kondensatoren tilsluttes, er belastningsstrømmen IL.

Kondensatoren tager IC strøm, som fører spændingen med 90˚. Og systemets resulterende strøm er Ir. Vinklen mellem spændingen V og IR er mindre i forhold til vinklen mellem V og IL. Derfor bliver effekt faktoren cosф2 forbedret.

Fra ovenstående faserdiagram ses, at det forsinkede komponent i systemet er reduceret. Derfor, for at ændre effektfaktoren fra ф1 til ф2, er belastningsstrømmen reduceret med IRsinф2.

Kapacitancen for kondenstator for at forbedre effektfaktoren er;

Kredsløb til effektfaktorkorrektion

Effektfaktorkorrektionsmetoder bruger hovedsageligt kondensatorer eller kondensatorbanker og synkron kondensator. Ifølge udstyret, der bruges til at korrigere effektfaktoren, findes der tre metoder;

• Kondensatorbank

• Synkron kondensator

• Faseforlænger

Effektfaktorkorrektion ved hjælp af kondensatorbank

Kondensatorerne kan være forbundet som fast eller variabel kapacitans. De er forbundet til en induktionsmotor, distributionspanel eller hovedstrømforsyning.

Den faste kapacitator er konstant forbundet til systemet. En variabel kapacitator varierer mængden af KVAR i henhold til systemets behov.  

Til forbedring af effektfaktoren anvendes en kapacitorbank, der forbinder sig med belastningen. Hvis belastningen er en trefasebelastning, kan kapacitorbanken være forbundet som en stjerne- eller deltaforbindelse.

Deltaforbundet kapacitorbank

Nedenstående kredsløbsdiagram viser en deltaforbundet kapacitorbank med en trefasebelastning.

Lad os finde ligningen for kapacitancen per fase, når den er forbundet i deltaforbindelse. I deltaforbindelsen er fasespændingen (VP) og linjespændingen (VL) ens.

Kapacitancen per fase (C∆) er givet som:

Kondensatorbank forbundet i stjerne

Nedenstående kreditskema viser en kondensatorbank forbundet i stjerne med en trefase last.

I stjernetilslutning er forholdet mellem fasevoltage (VP) og ledningsvoltage (VL) følgende:

Kapacitansen per fase (CY) er givet som;

Ud fra de ovenstående ligninger;

Det betyder, at kapacitansen, der kræves i stjernetilslutningen, er tre gange større end kapacitansen, der kræves i deltillukning. Desuden er driftsspændingen 1/√3 gange linjespændingen.

Derfor er en deltillukket kondensatorbank et godt design, og det er grunden til, at den i en trefasetilslutning bruges mere i netværket.

Korrektion af effektfaktor ved hjælp af synkron kondensator

Når en synkron motor overophidser, tager den ledende strøm og opfører sig som en kondensator. En overophidset synkron motor, der kører uden last, kaldes for en synkron kondensator.

Når denne type maskine er forbundet parallel med strømforsyningen, tager den en forløbsstrøm. Dette forbedrer systemets effektfaktor. Forbindelsesdiagrammet for synkron kondensator med strømforsyning er vist på figuren nedenfor.

Når belastningen har en reaktiv komponent, trækker den en forsinket strøm fra systemet. For at neutralisere strømmen bruges dette enhed til at tage en forløbsstrøm.

Inden synkron kondensatoren er forbundet, er strømmen, der trækkes af belastningen, IL og effektfaktoren er фL.

Når synkron kondensatoren er forbundet, tager den strøm Im. Under disse forhold er den resulterende strøm I, og effektfaktoren er фm.

Fra fasordiagrammet kan vi sammenligne begge effektfaktorvinkler (фL og фm). Og фm er mindre end фL. Derfor er cosфm større end cosфL.

Denne type effektfaktorfremme metode anvendes på bulkforsyningsstationer på grund af følgende fordele.

• Strømmens størrelse, der trækkes af motoren, ændres ved at variere feltets opspænding.

• Det er let at fjerne fejl, der opstår i systemet.

• Motorens vindings termiske stabilitet er høj. Derfor er det et pålideligt system for kortslutningsstrømme.

Fasefremrykker

Induktionsmotorer trækker reaktiv strøm på grund af opspændingsstrøm. Hvis en anden kilde bruges til at give opspændingsstrøm, er statorvinding fri for opspændingsstrøm. Og motorens effektfaktor kan forbedres.

Denne ordning kan gennemføres ved hjælp af en fasefremrykker. Fasefremrykkeren er en simpel AC-opspændingsgenerator monteret på den samme akse som motoren og forbundet med motorens rotor-cirkuit.

Den giver opspændingsstrøm til rotor-cirkuitet ved slipfrekvens. Hvis du giver mere opspændingsstrøm end nødvendigt, kan induktionsmotoren køre med en ledende effektfaktor.

Den eneste ulempe ved fasefremrykkeren er, at den ikke er økonomisk for små motorer, især under 200 HP.

Aktiv effektfaktorkorrektion

Aktiv effektfaktorkorrektion giver en mere effektiv effektfaktorkontrol. Generelt bruges den i strømforsyningsdesign over 100W.

Denne type effektfaktorkorrektionssirkuit består af højfrekvensbaserede skift-elementer som dioder, SCR (power electronics switches). Disse elementer er aktive elementer. Derfor kaldes denne metode for aktiv effektfaktorkorrektionsmetode.

I passiv effektfaktorkorrektion anvendes reaktive elementer som kondensatorer og spoler i sirkuitet uden kontrol. Da passiv effektfaktorkorrektionssirkuit ikke anvender nogen kontrolenhed eller skift-elementer.

På grund af de højfrekvente skift-elementer og kontrolenheder, der anvendes i sirkuitet, er omkostningerne og kompleksiteten af sirkuitet højere sammenlignet med passiv effektfaktorkorrektionssirkuit.

Nedenstående sirkuitsdiagram viser de grundlæggende elementer i et aktivt effektfaktorkorrektionssirkuit.

For at kontrollere kredsløbsparametrene, anvendes en kontrolenhed i kredsløbet. Den måler indgangsspænding og -strøm. Og den justerer tidsforskydning og pligtsyklus i fasespænding og -strøm.

Induktoren L styres af faststofskifteren Q. Kontrolenheden bruges til at kontrollere (TIL og FRA) faststofskifteren Q.

Når skifteren er TIL, stiger induktorstrømmen med ∆I+. Spændingen over induktoren ændrer polaritet og frigiver energi gennem dioden D1 til belastningen.

Når skifteren er FRA, falder induktorstrømmen med ∆I–. Den totale ændring under en cyklus er ∆I = ∆I+ – ∆I–. Tiden for TIL og FRA på skifteren styres af kontrolenheden ved at ændre pligtsyklussen.

Ved korrekt valg af pligtsyklus kan vi opnå den ønskede form for strømmen til belastningen.

Hvordan størrelsesbestemme effekt faktor korrektion?

For at størrelsesbestemme effekt faktor korrektion, skal vi beregne behovet for reaktiv effekt (KVAR). Og vi forbinder denne størrelse af kapacitance med systemet for at møde behovet for reaktiv effekt.

Der er to måder at finde KVAR-behovet på.

• Tabellmultiplikator metode

• Beregning metode

Som navnet antyder, kan vi i tabellmultiplikator metoden direkte finde en multiplikatorkonstant fra en tabel. Vi kan direkte finde det nødvendige KVAR ved at multiplicere konstanten med input effekten.

I beregningsmetoden skal vi beregne multiplikatoren som vist i eksemplet nedenfor.

Eksempel:

En induktionsmotor på 10 kW har en effektiv faktor på 0,71 hældende. Hvis vi skal køre denne motor med en effektiv faktor på 0,92, hvad vil størrelsen på kondensatoren være?

Indgangseffekt = 10 kW
Aktuel effektiv faktor (cos φA) = 0,71
Ønsket effektiv faktor (cos φR) = 0,92

Krævet KVAR = Indgangsstrøm x Multiplikator Konstant

Derfor er 5,658 KVAR reaktiv effekt nødvendig for at forbedre effektfaktoren fra 0,71 til 0,92. Og kondensatoren forbundet med systemet har en kapacitance på 5,658 KVAR.

Anvendelser af effektfaktorkorrektion

I et strømsystemnetværk spiller effektfaktoren en vigtig rolle i kvaliteten og administrationen af systemet. Den bestemmer effektiviteten af strømforsyningen.

• Uden effektfaktorkorrektion trækker belastningen en høj strømstyrke fra kilde. Dette øger tabene og omkostningerne til elektrisk energi. PFC-udstyr forsøger at gøre strøm- og spændingsbølgeformer i fase. Dette vil øge systemets effektivitet.

• I transmissionsnetværket er en høj effektfaktor nødvendig. På grund af den høje effektfaktor, bliver transmissionstabene reduceret, og spændingsreguleringen forbedres.

• Induktionsmotorer er bredt anvendte udstyr i industrier. For at undgå overophedning og forbedre motorer, bruges kondensatorer til at mindske effekten af reaktiv effekt.

• PFC-udstyr reducerer varmegenerering i kabler, skærmgear, alternator, transformatorer osv.

• På grund af det høje effektivitetsniveau i netværket, skal vi generere mindre energi. Dette reducerer kulstofudledningerne til atmosfæren.

• Spændingsfald reduceres betydeligt ved at bruge PFC-udstyr i systemet.

Erklæring: Respektér det originale, gode artikler er værd at dele, hvis der er ophavsretligt overtrædelse, kontakt venligst for sletning.