Erőfaktor javítás: Miben áll? (Képlet, áramkör és kondenzátorbankok)

Mező: Alapvető Elektrotechnika

China

mi a teljesítménytényező javítás

Mi a teljesítménytényező javítás?

A teljesítménytényező javítás (vagy PFC, Teljesítménytényező Javítás) olyan technika, amelyet az AC áramkörök teljesítménytényezőjének javítására használnak, az áramkörben jelen lévő reaktív teljesítmény csökkentésével. A teljesítménytényező javítási technikák célja, hogy növeljék az áramkör hatékonyságát, és csökkentsék a terhelés által meghúzott áramerősséget.

Általában kondenzátorokat és szinkronmotorokat használnak az áramkörökben, hogy csökkentsék az induktív elemeket (és így a reaktív teljesítményt). Ezek a technikák nem a valódi teljesítmény mennyiségének növelésére szolgálnak, csak a látszólagos teljesítmény csökkentésére.

Más szóval, csökkenti a feszültség és áram fáziskülönbségét. Így igyekszik a teljesítménytényezőt közel egységhez tartani. A leggazdaságosabb teljesítménytényező értéke 0,9 és 0,95 között van.

Most felmerül a kérdés, miért a gazdaságos érték a teljesítménytényező 0,95, és nem az egység teljesítménytényező? Van-e hátrányja az egység teljesítménytényezőnek?

NEM. Az egység teljesítménytényezőnek nincs egyetlen hátránya sem. De költséges és nehéz telepíteni egység PFC felszerelést.

Ezért a villamosenergia-szolgáltatók és a távföldi cégek próbálják a teljesítménytényezőt 0,9 és 0,95 között tartani, hogy gazdaságos rendszert hozzanak létre. Ez a tartomány elég jó a villamosenergia-rendszer számára.

Ha az AC áramkör nagy induktív terhelést tartalmaz, a teljesítménytényező alacsonyabb lehet, mint 0,8. Ekkor több áramot húz a forrásból.

A teljesítménytényező javítási felszerelés csökkenti az induktív elemeket és a forrásból meghúzott áramerősséget. Ez eredményez egy hatékonyabb rendszert, és megelőzi a villamosenergia elvesztését.

Miért szükséges a teljesítménytényező javítás?

A DC körökben a terhelés által felhasznált energia egyszerűen számítható meg az áramerősség és feszültség szorzásával. Az áramerősség arányos a feltevett feszültséggel. Ezért a tiszta ellenállású terhelés által felhasznált energia lineáris.

Az AC körökben a feszültség és az áramerősség szinuszos hullámok. Ezért a nagyság és irány folyamatosan változik. Adott pillanatban a felhasznált energia a feszültség és az áramerősség szorzata abban a pillanatban.

Ha egy AC körben induktív terhelések vannak, mint például: csomagoló, chowk cikkek, solenoid, transzformátor; az áramerősség nincs fázisban a feszültséggel. Ebben az esetben a valós felhasznált energia kevesebb, mint a feszültség és az áramerősség szorzata.

A nem lineáris elemek miatt az AC körökben szerepelnek mind ellenállás, mind reaktancia. Ezért ebben az esetben a fáziseltérés az áramerősség és a feszültség között fontos, amikor a teljesítményt számoljuk.

Tiszta ellenállású terhelés esetén a feszültség és az áramerősség ugyanabban a fázisban van. De induktív terhelés esetén az áramerősség lassabb, mint a feszültség. Ez induktív reaktanciát hoz létre.

Ebben az esetben a hatásfok javítása legfontosabb, hogy csökkentse az induktív elem hatását, és javítsa a hatásfokot, hogy növelje a rendszer hatékonyságát.

Hatásfok-javítási képlet

Vegyünk egy olyan induktív terhelést, ami a rendszerhez kapcsolódik, és cosф1 hatásfokon működik. A hatásfok javításához szükség van arra, hogy a terhelés párhuzamosan kapcsoljuk a hatásfok-javítási berendezéshez.

Ez a körábra alább látható.

hatásfok-javítási példa

A kondenzátor előre haladó reaktív komponenst szolgáltat és csökkenti a hanyatló reaktív komponens hatását. A kondenzátor kapcsolása előtt a terhelési áram IL.

A kondenzátor IC áramot vesz fel, amely 90˚-kal meghaladja a feszültséget. A rendszer eredményes árama Ir. A V feszültség és az IR áram közötti szög kisebb, mint a V feszültség és az IL áram közötti szög. Így a teljesítményfaktor cosф2 javul.

power factor correction phasor diagram

Teljesítményfaktor javítás fázordiagram

A fentiekben bemutatott fázordiagram alapján a rendszer hanyatló komponense csökken. Így, hogy a teljesítményfaktort ф1-ről ф2-re változtassuk, a terhelési áram IRsinф2-vel csökken.

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

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

A kondenzátor kapacitása a teljesítménytényező javításához:

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

Teljesítménytényező-javító áramkör

A teljesítménytényező javításánál főleg kondenzátor vagy kondenzátorbank és szinkron kondenzér használható. A teljesítménytényező javítására használt eszközök alapján három módszer létezik:

Kondenzátorbank
Szinkron kondenzér
Fázis előléptető

Teljesítménytényező javítás kondenzátorbankkal

A kondenzátor vagy kondenzátorbank rögzített vagy változó értékű kapacitásként csatlakoztatható. Indukciós motor, elosztási panel vagy főellátáshoz csatlakoztatható.

A rögzített értékű kondenzátor folyamatosan kapcsolódik a rendszerhez. A változó értékű kondenzáció a rendszer igényének megfelelően módosítja a KVAR mennyiségét.

A teljesítményfokozás számára a kondenzátorbancsot a terheléshez kapcsolják. Ha a terhelés háromfázisú, a kondenzátorbancs csillag- és delta-kapcsolattal is összekapcsolható.

Delta kapcsolású kondenzátorbancs

Az alábbi ábrán látható a delta kapcsolású kondenzátorbancs egy háromfázisú terheléssel.

delta connected capacitor bank

Delta kapcsolású kondenzátorbancs

Nézzük meg a fázisonkénti kondenzációs egyenletet, amikor delta kapcsolásban van. A delta kapcsolásban a fázisfeszültség (VP) és a vonalfeszültség (VL) egyenlőek.

$V_P = V_L$

A fázisonkénti kondenzáció (C∆) a következőképpen adódik:

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

Csillagkapcsolású kondenzátorbank

Az alábbi ábrán egy háromfázis terheléssel kapcsolódó csillagkapcsolású kondenzátorbank látható.

Csillagkapcsolású kondenzátorbank

A csillagkapcsolásban a fázisfeszültség (VP) és a vonalfeszültség (VL) közötti összefüggés a következő:

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

A fázisokonkénti kapacitás (CY) adott a következőképpen;

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

A fenti egyenletekből;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Ez azt jelenti, hogy a csillagkapcsolásban szükséges kapacitás háromszorosa a delta-kapcsolásban szükséges kapacitásnak. Ezenkívül az operációs fázisfeszültség a vonalfeszültség 1/√3 része.

Tehát a deltakapcsolású kondenzátorbank jó tervezés, és ezért a háromfázisos kapcsolásban a deltakapcsolású kondenzátorbankot gyakrabban használják a hálózatban.

Szinkron kondenzérral végzett teljesítményfaktor javítás

Amikor egy szinkronmotor túlerregelt, előrevetvénnyel működik, mint egy kondenzátor. A nem terhelés alatt futó túlerregelt szinkronmotor szinkron kondenzérnak nevezik.

Amikor ez a típusú gép párhuzamosan van csatlakoztatva az ellátáshoz, akkor előtérbeli áramot vesz fel. Ez javítja a rendszer teljesítményfaktorát. A szinkron kondenzátor kapcsolási diagramja az alábbi ábrán látható.

power factor correction using synchronous condenser

Szinkron kondenzátor használata a teljesítményfaktor javítására

Amikor a terhelés reaktív összetevővel rendelkezik, hátralévő áramot von le a rendszertől. Az áram kiegyenlítéséhez ezt a berendezést használják előtérbeli áram felvételére.

synchronous condenser phasor diagram

Szinkron kondenzátor fázisdiagram

A szinkron kondenzátor csatlakoztatása előtt a terhelés által felvett áram IL, és a teljesítményfaktor фL.

A szinkron kondenzátor csatlakoztatása után az Im áramot veszi fel. Ebben az állapotban a végső áram I, és a teljesítményfaktor фm.

A fázisdiagram alapján össze tudjuk hasonlítani a két teljesítményfaktorszöget (фL és фm). A фm kisebb, mint a фL. Tehát a cosфm nagyobb, mint a cosфL.

Ez a teljesítményfaktor javítási módszer nagy mennyiségű ellátási állomásokban használatos a következő előnyeinek köszönhetően.

A motor által kivont áram mennyisége változtatható a mező-excitálás változtatásával.
A rendszerben fellépő hibák könnyen orvosolhatók.
A motor tekercsek tiszta hőstabilitása magas. Ezért megbízható rendszer rövidzárlati áramok esetén.

Fázis-előléptető

Az indukciós motor reaktív áramot von le az excitálási áram miatt. Ha egy másik forrás szolgál az excitálási áram biztosítására, a státortekercs szabad marad az excitálási áramtól. Így javítható a motor teljesítményfaktora.

Ez a beállítás a fázis-előléptető használatával tehető meg. A fázis-előléptető egy egyszerű AC excitált, amely ugyanazon tengelyre van telepítve, mint a motor, és a motor rotor-körrel van összekötve.

Excitálási áramot szolgáltat a rotor-körnek csúszási frekvencián. Ha több excitálási áramot ad, mint szükséges, az indukciós motort előrehaladó teljesítményfaktorral lehet üzemeltetni.

A fázis-előléptető egyetlen hátránya, hogy nem gazdaságos a kisebb méretű motorok esetén, különösen 200 HP alatt.

Aktív teljesítményfaktor-javítás

Az aktív teljesítményfaktor-javítás hatékonyabb teljesítményfaktor-ellenőrzést biztosít. Általában 100W-nál nagyobb teljesítményű tápegységek tervezésében használják.

Ez a teljesítményfaktor-javító áramkör magasfrekvenciás kapcsolóelemeket, mint például diodákat, SCR-k (erősáramú elektronikai kapcsolókat) tartalmaz. Ezek az elemek aktív elemek. Ezért ezt a módszert aktív teljesítményfaktor-javításnak nevezik.

A passzív teljesítményfaktor-javításban a reaktív elemek, mint például a kondenzátorok és cirkulátorok, a körben irányítatlanak számítanak. Mivel a passzív teljesítményfaktor-javító áramkör nem használ ellenőrző egységet vagy kapcsolóelemeket.

A magasfrekvenciás kapcsolóelemek és ellenőrző egység használata miatt a költségek és a kör összetettsége növekednek a passzív teljesítményfaktor-javító áramkörhez képest.

Az alábbi áramkör-diagram mutatja az aktív teljesítményfaktor-javító áramkör alapvető elemeit.

aktív teljesítményfaktor javítás

Aktív teljesítményfaktor javítás

A kör paramétereinek szabályozásához egy irányító egységet használnak a körben. Ez méri a bemeneti feszültséget és áramot. És beállítja a kapcsolóidőt és az ütemterületet a fázis feszültségében és áramában.

Az induktor L-t egy szilárdtestes kapcsoló (Q) vezérli. Az irányító egység használható a szilárdtestes kapcsoló (Q) be- és kikapcsolására.

Amikor a kapcsoló be van kapcsolva, az induktor áramának növekedése ∆I+. Az induktoron lévő feszültség ellentétes polaritásúvá válik, és energiát gyűjt a D1 dióduson keresztül a terheléshez.

Amikor a kapcsoló kikapcsolt, az induktor áramának csökkenése ∆I–. Egy ciklus során a teljes változás ∆I = ∆I+ – ∆I–. A kapcsoló be- és kikapcsolási ideje az irányító egység által a teheranyag változtatásával történik.

A megfelelő teheranyag kiválasztásával elérhetjük a terheléshez tartozó áram kívánt formáját.

Hogyan méretezzük a teljesítményfaktor javítást?

A teljesítményfaktor javítás méretezéséhez számítani kell a reaktív teljesítmény (KVAR) igényét. És annyi kapacitást kell kötnünk a rendszerhez, hogy eleget tegyünk a reaktív teljesítmény igényének.

Két módon lehet meghatározni a KVAR igényét.

Táblázatos szorzó módszer
Számítási módszer

Ahogy a neve is utalja, a táblázatos szorzó módszerben közvetlenül egy táblázatból szerezhetünk egy szorzó konstansot. A szükséges KVAR értéket a konstansszorzattal megszorozva a bemeneti teljesítményből kaphatjuk.

table multiplier method

Táblázatos szorzó módszer

A számítási módszerben a szorzót az alábbi példának megfelelően kell kiszámolnunk.

Példa:

Egy 10 kW-os indukciós motor teljesítményfaktora 0.71 lagging. Ha ezt a motort 0.92-es teljesítményfaktorral szeretnénk üzemeltetni, mekkora méretű kondenzátort kell használni?

Bemenő teljesítmény = 10 kW
Tényleges teljesítményfaktor (cos φA) = 0.71
Szükséges teljesítményfaktor (cos φR) = 0.92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

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

Szükséges KVAR = Bemeneti teljesítmény x Szorzó konstans

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Tehát, 5,658 KVAR reaktív teljesítmény szükséges a teljesítménytényező javításához 0,71-ről 0,92-re. A rendszerhez kapcsolt kondenzátor 5,658 KVAR-os kapacitású.

Teljesítménytényező-javítás alkalmazásai

A villamosenergia-hálózatban a teljesítménytényező játszik egy legfontosabb szerepet a rendszer minőségében és kezelésében. Meghatározza a tápegység hatékonyságát.

A teljesítménytényező-javítás nélkül a terhelés nagy mértékű áramot von le a forrásból. Ez növeli a veszteségeket és a villamosenergia költségeit. A teljesítménytényező-javító berendezések megpróbálnak fázisban helyezni az áram- és feszültségvillamos hullámokat. Ez növeli a rendszer hatékonyságát.
A továbbító hálózatban magas teljesítménytényező szükséges. A magas teljesítménytényező miatt a továbbítóvonal veszteségei csökkennek, és a feszültség-szabályozás javul.
Az indukciós motor széles körben használt berendezés az iparban. Az izzadás elkerülése érdekében és a motor hatékonyságának javítása érdekében a kondenzátorok használják a reaktív teljesítmény hatásainak enyhítésére.
A teljesítménytényező-javító berendezések csökkentik a hőtermelést a vezetékekben, a kapcsolóeszközökben, a generátorként működő gépekben, a transzformátorokban stb.
A hálózat magas hatékonysága miatt kevesebb energiát kell termelni, ami csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást a légkörbe.
A feszültség-lehullás jelentősen csökken a teljesítménytényező-javító berendezésekkel a rendszerben történő használat során.

Nyilatkozat: Tisztelettel viszünk az eredeti, jó cikkeket, amelyek megosztásra méltók. Ha sérül az autorszomszédjog, kérjük, lépjünk kapcsolatba a törlésével kapcsolatban.

Adományozz és bátorítsd a szerzőt!

Témák:

Energiaszerkezetek

Átadás

Szakértők névjegye

Electrical4u

China