Verbetering van het vermogensfactor: Wat is het? (Formule, Schakeling en Condensatorenbanken)

Veld: Basis Elektrotechniek

China

wat is vermogensfactorcorrectie

Wat is Vermogensfactorcorrectie?

Vermogensfactorcorrectie (ook bekend als PFC of Verbetering van de Vermogensfactor) wordt gedefinieerd als een techniek die wordt gebruikt om de vermogensfactor van wisselstroomcircuits te verbeteren door de reactieve vermogen in het circuit te verlagen. Vermogensfactorcorrectietechnieken hebben als doel de efficiëntie van het circuit te verhogen en de stroom die door de belasting wordt getrokken, te verminderen.

Over het algemeen worden condensatoren en synchrone motoren in circuits gebruikt om de inductieve elementen (en dus het reactieve vermogen) te verkleinen. Deze technieken worden niet gebruikt om de hoeveelheid echte vermogen te vergroten, maar alleen om het schijnbare vermogen te verkleinen.

Met andere woorden, het vermindert de faseverschuiving tussen spanning en stroom. Het probeert de vermogensfactor zo dicht mogelijk bij de eenheid te houden. De meest economische waarde van de vermogensfactor ligt tussen 0,9 en 0,95.

Nu rijst de vraag: waarom is de economische waarde van de vermogensfactor 0,95 in plaats van de eenheidsvermogensfactor? Zijn er nadelen aan de eenheidsvermogensfactor?

NEE. Er zijn geen nadelen aan de eenheidsvermogensfactor. Maar het is moeilijk en kostbaar om eenheid PFC-apparatuur te installeren.

Daarom proberen nutsbedrijven en energieleveranciers de vermogensfactor in een bereik van 0,9 tot 0,95 te houden om een economisch systeem te creëren. En dit bereik is goed genoeg voor een energie-systeem.

Als het wisselstroomcircuit een hoge inductieve belasting heeft, kan de vermogensfactor onder de 0,8 liggen. En het trekt meer stroom uit de bron.

De vermogensfactorcorrectieapparatuur vermindert de inductieve elementen en de stroom die uit de bron wordt getrokken. Dit resulteert in een efficiënt systeem en voorkomt het verlies van elektrische energie.

Waarom is Vermogensfactorcorrectie Nodig?

In gelijkstroomcircuits wordt de vermogensdissipatie door een belasting eenvoudig berekend door het vermenigvuldigen van spanning en stroom. En de stroom is evenredig aan de toegepaste spanning. Daarom is de vermogensdissipatie door de weerstandbelasting lineair.

In wisselstroomcircuits zijn spanning en stroom sinusvormige golven. Daarom veranderen de grootte en richting continu. Op een bepaald moment is de dissipatievermogen het product van de spanning en stroom op dat moment.

Als een wisselstroomcircuit inductieve belastingen heeft zoals; windingen, chowk spoelen, solenoïden, transformator; dan is de stroom uit fase met de spanning. Onder deze omstandigheden is het werkelijke gedissipeerde vermogen minder dan het product van spanning en stroom.

Door niet-lineaire elementen in wisselstroomcircuits bevat het zowel weerstand als reactantie. Daarom is onder deze omstandigheden de fasenverschillen tussen stroom en spanning belangrijk bij het berekenen van het vermogen.

Voor zuiver resistieve belasting zijn de spanning en stromen in fase. Maar voor inductieve belasting ligt de stroom achter op de spanning. En dit creëert inductieve reactantie.

Onder deze omstandigheden is correctie van de vermogensfactor het meest nodig om de invloed van het inductieve element te verminderen en de vermogensfactor te verbeteren om de efficiëntie van het systeem te verhogen.

Formule voor correctie van de vermogensfactor

Stel dat een inductieve belasting is aangesloten op het systeem en werkt met een vermogensfactor cosф1. Om de vermogensfactor te verbeteren, moeten we vermogensfactorcorrectieapparatuur parallel met de belasting aansluiten.

Het schakelschema van deze opstelling is weergegeven in de onderstaande figuur.

voorbeeld van correctie van de vermogensfactor

De condensator levert een vooraanwezige reactieve component en vermindert het effect van de achterwaartse reactieve component. Voordat de condensator wordt aangesloten, is de laadstroom IL.

De condensator neemt een stroom IC die 90˚ voorloopt op de spanning. De resulterende stroom van het systeem is Ir. De hoek tussen de spanning V en IR is kleiner dan de hoek tussen V en IL. Daarom wordt de cosinus φ2 verbeterd.

power factor correction phasor diagram

Fasehoekdiagram voor vermogensfactorcorrectie

Uit het bovenstaande fasehoekdiagram blijkt dat de achterwaartse component van het systeem wordt verminderd. Om de vermogensfactor van φ1 naar φ2 te veranderen, wordt de laadstroom met IRsinφ2 verminderd.

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

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

De capaciteit van de condensator om de cosinus phi te verbeteren is;

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

Correctiecircuits voor cosinus phi

Technieken voor de correctie van de cosinus phi maken voornamelijk gebruik van een condensator of condensatorbank en synchrone compensator. Afhankelijk van het gebruikte apparaat om de cosinus phi te corrigeren, zijn er drie methoden;

Condensatorbank
Synchrone compensator
Fasevervorderaar

Correctie van de cosinus phi met behulp van een condensatorbank

De condensator of condensatorbank kan worden aangesloten als vaste of variabele capaciteit. Het wordt aangesloten op een asynchrone motor, distributiepaneel of hoofdvoeding.

De vaste waarde condensator is continu met het systeem verbonden. Een variabele capaciteit varieert de hoeveelheid KVAR volgens de behoefte van het systeem.

Voor correctie van de vermogensfactor wordt een condensatorenbank gebruikt om met de belasting te verbinden. Als de belasting een driefase-belasting is, kan de condensatorenbank als ster- en delta-aansluiting worden verbonden.

Delta Verbonden Condensatorenbank

Het onderstaande schakelingsschema toont een delta verbonden condensatorenbank met een driefase belasting.

delta connected capacitor bank

Delta Verbonden Condensatorenbank

Laten we de vergelijking voor de condensator per fase vinden wanneer deze in delta-aansluiting is verbonden. Bij delta-aansluiting zijn de fasespanning (VP) en de lijnspanning (VL) gelijk.

$V_P = V_L$

De capaciteit per fase (C∆) wordt gegeven als;

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

Stersverbonden condensatorbank

Het onderstaande schakelingsdiagram toont een stersverbonden condensatorbank met een driefasige belasting.

Stersverbonden condensatorbank

Bij een ster-aansluiting is het verband tussen de fasenspanning (VP) en de lijnspanning (VL) als volgt:

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

De capaciteit per fase (CY) wordt gegeven als;

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

Uit de bovenstaande vergelijkingen;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Dit betekent dat de capaciteit die nodig is voor een ster-aansluiting drie keer zo groot is als de capaciteit die nodig is voor een delta-aansluiting. Bovendien is de werkelijke fase spanning 1/√3 keer de lijnspanning.

Daarom is een delta-verbonden condensatorbank een goed ontwerp en daarom wordt in een driefase verbinding vaker een delta-verbonden condensatorbank gebruikt in het netwerk.

Correctie van de cosinus phi met behulp van een synchrone condensator

Wanneer een synchrone motor overopgewonden is, neemt deze een voorspringende stroom op en gedraagt zich als een condensator. Een overopgewonden synchrone motor die zonder belasting draait, staat bekend als een synchrone condensator.

Wanneer dit type machine parallel wordt aangesloten met de voeding, neemt het een voorlopende stroom op. En verbetert het de cosinus phi van het systeem. Het aansluitdiagram van de synchrone condensator met de voeding is zoals getoond in de onderstaande figuur.

verbetering van de cosinus phi met behulp van een synchrone condensator

Verbetering van de cosinus phi met behulp van een synchrone condensator

Wanneer de belasting een reactief component heeft, trekt het een achterlopende stroom uit het systeem. Om de stroom te neutraliseren, wordt dit apparaat gebruikt om een voorlopende stroom op te nemen.

fasordiagram van synchrone condensator

Fasordiagram van synchrone condensator

Voordat de synchrone condensator wordt aangesloten, is de stroom die door de belasting wordt getrokken IL en de cosinus phi is фL.

Wanneer de synchrone condensator wordt aangesloten, neemt hij stroom Im op. In deze toestand is de resulterende stroom I en de cosinus phi is фm.

Uit het fasordiagram kunnen we beide cosinus phi hoeken (фL en фm) vergelijken. En фm is kleiner dan фL. Daarom is de cos фm groter dan cos фL.

Deze methode voor de verbetering van de cosinus phi wordt gebruikt bij bulkvoorzieningsstations vanwege de volgende voordelen.

De stroomsterkte die door de motor wordt getrokken, verandert door het variëren van de veldopwekking.
Het is eenvoudig om storingen in het systeem te verwijderen.
De thermische stabiliteit van de motorwinding is hoog. Daarom is het een betrouwbaar systeem voor kortsluitstroom.

Fasevervorderaar

Een asynchrone motor trekt reactieve stroom door de opwekkingsstroom. Als een andere bron wordt gebruikt om de opwekkingsstroom te leveren, is de statorwinding vrij van de opwekkingsstroom. En de cosinus phi van de motor kan worden verbeterd.

Deze regeling kan worden gedaan door gebruik te maken van de fasevervorderaar. De fasevervorderaar is een eenvoudige AC-opwekker die op dezelfde as van de motor is gemonteerd en met het rotorcircuit van de motor is verbonden.

Het levert opwekkingsstroom aan het rotorcircuit op de slipfrequentie. Als u meer opwekkingsstroom levert dan nodig is, kan de asynchrone motor met een voorgeleide cosinus phi worden bediend.

Het enige nadeel van de fasevervorderaar is dat hij niet economisch is voor kleine motoren, vooral onder de 200 PK.

Actieve cosinus phi correctie

Actieve cosinus phi correctie biedt efficiëntere cosinus phi controle. Het wordt over het algemeen gebruikt in netspanningsontwerpen van meer dan 100W.

Dit type cosinus phi correctiecircuit bestaat uit hoogfrequente schakelonderdelen zoals dioden en SCR's (krachtige elektronica schakelaars). Deze elementen zijn actieve elementen. Daarom wordt deze methode de actieve cosinus phi correctiemethode genoemd.

Bij passieve cosinus phi correctie worden in het circuit ongecontroleerde reactieve elementen zoals condensatoren en spoelen gebruikt. Bij passieve cosinus phi correctiecircuits worden geen besturingseenheden en schakelonderdelen gebruikt.

Vanwege de hoge frequentie schakelonderdelen en besturingseenheden in het circuit, is de kosten en complexiteit van het circuit hoger vergeleken met het passieve cosinus phi correctiecircuit.

Het volgende schema toont de basiscomponenten van een actief cosinus phi correctiecircuit.

actieve vermogensfactorcorrectie

Actieve Vermogensfactorcorrectie

Om de circuitparameters te beheren, wordt een controle-eenheid in het circuit gebruikt. Het meet de ingangsspanning en -stroom. En het past de schakeltijd en de duty cycle aan in fase met de spannings- en stroomwaarden.

De inductor L wordt bestuurd door de halfgeleider-schakelaar Q. De controle-eenheid wordt gebruikt om (AAN en UIT) de halfgeleider-schakelaar Q te beheren.

Wanneer de schakelaar AAN staat, neemt de inductorstroom toe met ∆I+. De spanning over de inductor keert van polariteit en ontladen zich om energie via diode D1 naar de belasting op te slaan.

Wanneer de schakelaar UIT staat, neemt de inductorstroom af met ∆I–. De totale verandering tijdens één cyclus is ∆I = ∆I+ – ∆I–. De AAN- en UIT-tijden van de schakelaar worden door de controle-eenheid geregeld door de duty cycle te veranderen.

Door de juiste selectie van de duty cycle kunnen we de gewenste vorm van de stroom naar de belasting krijgen.

Hoe grootte ik de vermogensfactorcorrectie?

Om de vermogensfactorcorrectie te bepalen, moeten we de vereiste reactieve vermogen (KVAR) berekenen. En we verbinden die grootte van de capaciteit met het systeem om de vraag naar reactief vermogen te dekken.

Er zijn twee manieren om de KVAR-vraag te bepalen.

Tabelvermenigvuldiger Methode
Berekeningsmethode

Zoals de naam al aangeeft, vinden we in de tabelvermenigvuldiger methode direct een constante uit een tabel. We kunnen de vereiste KVAR rechtstreeks vinden door de constante te vermenigvuldigen met het ingangssignaal.

table multiplier method

Tabelvermenigvuldiger Methode

In de berekening methode moeten we de vermenigvuldiger berekenen zoals in het volgende voorbeeld wordt getoond.

Voorbeeld:

Een asynchrone motor van 10 kW heeft een cosinus phi van 0,71 achteruit. Als we deze motor willen laten draaien met een cosinus phi van 0,92, wat zal dan de grootte van de condensator zijn?

Inkomend vermogen = 10kW
Werkelijke cosinus phi (cos φA) = 0,71
Vereiste cosinus phi (cos φR) = 0,92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

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

Benodigde KVAR = Invoerkracht x Vermenigvuldigerconstante

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Dus, 5,658 KVAR reactieve vermogen is vereist om de cosinus phi van 0,71 naar 0,92 te verbeteren. En de met het systeem verbonden condensator heeft een capaciteit van 5,658 KVAR.

Toepassingen van cosinus phi correctie

In een elektriciteitsnetwerk speelt de cosinus phi een belangrijke rol in de kwaliteit en beheer van het systeem. Het bepaalt de efficiëntie van de stroomvoorziening.

Zonder cosinus phi correctie trekt de belasting een hoge stroomsterkte uit de bron. Dit verhoogt de verliezen en de kosten van elektrische energie. Cosinus phi correctie apparatuur probeert de stroom- en spanningssignalen in fase te brengen. Dit zal de efficiëntie van het systeem verhogen.
In het transmissienetwerk is een hoge cosinus phi nodig. Door de hoge cosinus phi worden de verliezen in de transmissielijn verlaagd en wordt de spanningregeling verbeterd.
De asynchrone motor wordt breed toegepast in industrieën. Om oververhitting te voorkomen en de efficiëntie van de motor te verbeteren, worden condensatoren gebruikt om de invloed van reactief vermogen te verminderen.
Cosinus phi correctie apparatuur vermindert de warmtegeneratie in kabels, schakelapparatuur, alternators, transformatoren, enz.
Door de hoge efficiëntie van het netwerk hoeven we minder energie te genereren. Dit vermindert de CO2-uitstoot in de atmosfeer.
De spanningdaling wordt aanzienlijk verlaagd door het gebruik van cosinus phi correctie apparatuur in het systeem.

Verklaring: Eerbiedig het origineel, goede artikelen zijn de moeite waard om te delen, indien er sprake is van schending neem dan contact op voor verwijdering.

Geef een fooi en moedig de auteur aan

Onderwerpen:

Energiesystemen

Overdracht

Over experts

Electrical4u

China

Expertisegebied

Basic Electrical

Professioneel artikel

607