Korekcja współczynnika mocy: Co to jest? (Wzór, obwód i banki kondensatorów)

Pole: Podstawowe Elektryka

China

co to jest korekcja współczynnika mocy

Co to jest korekcja współczynnika mocy?

Korekcja współczynnika mocy (znana również jako PFC lub Poprawa Współczynnika Mocy) to technika stosowana do poprawy współczynnika mocy obwodów AC poprzez zmniejszenie mocy reaktywnej obecnej w obwodzie. Techniki korekcji współczynnika mocy mają na celu zwiększenie efektywności obwodu i zmniejszenie prądu pobieranego przez obciążenie.

Ogólnie rzecz biorąc, w obwodach wykorzystuje się kondensatory i motory synchroniczne, aby zmniejszyć elementy indukcyjne (a tym samym moc reaktywną). Te techniki nie służą do zwiększenia ilości prawdziwej mocy, tylko do zmniejszenia widocznej mocy.

Innymi słowy, zmniejsza ona przesunięcie fazowe między napięciem a prądem. Stara się utrzymać współczynnik mocy bliski jedności. Najbardziej ekonomiczna wartość współczynnika mocy mieści się w zakresie od 0,9 do 0,95.

W tym miejscu pojawia się pytanie, dlaczego ekonomiczna wartość współczynnika mocy wynosi 0,95, a nie jedność? Czy istnieją jakieś wady jedności współczynnika mocy?

NIE. Nie ma ani jednej wady jedności współczynnika mocy. Jednakże, instalacja sprzętu PFC o wartości jedności jest trudna i kosztowna.

Dlatego przedsiębiorstwa energetyczne i firmy zaopatrzenia w energię próbują utrzymać współczynnik mocy w zakresie od 0,9 do 0,95, aby stworzyć ekonomiczny system. I ten zakres jest wystarczający dla systemu energetycznego.

Jeśli obwód AC ma wysokie obciążenie indukcyjne, współczynnik mocy może być poniżej 0,8. I pobiera więcej prądu ze źródła.

Sprzęt do korekcji współczynnika mocy zmniejsza elementy indukcyjne i prąd pobierany ze źródła. To prowadzi do bardziej efektywnego systemu i zapobiega utracie energii elektrycznej.

Dlaczego potrzebna jest korekcja współczynnika mocy?

W obwodach prądu stałego moc rozpraszana przez obciążenie jest po prostu obliczana poprzez pomnożenie napięcia i prądu. Prąd jest proporcjonalny do zastosowanego napięcia. Dlatego rozpraszanie mocy przez oporne obciążenie jest liniowe.

W obwodach prądu zmiennego napięcie i prąd są falami sinusoidalnymi. Zatem ich wartość i kierunek zmieniają się ciągle. W określonym momencie czasu, rozpraszana moc to iloczyn napięcia i prądu w tym momencie.

Jeśli w obwodzie prądu zmiennego występują indukcyjne obciążenia, takie jak: cewki, cewki chowka, czółenka, transformator; prąd jest niezgodny fazowo z napięciem. W takich warunkach faktyczna rozpraszana moc jest mniejsza niż iloczyn napięcia i prądu.

Ze względu na nieliniowe elementy w obwodach prądu zmiennego, zawierają one zarówno opór jak i reaktancję. Dlatego w tych warunkach różnica fazowa między prądem a napięciem jest istotna podczas obliczania mocy.

Dla czysto opornego obciążenia, napięcie i prąd są zgodne fazowo. Ale dla indukcyjnego obciążenia, prąd opóźnia się w stosunku do napięcia. Tworzy to indukcyjną reaktancję.

W takich warunkach, korekcja współczynnika mocy jest najbardziej potrzebna, aby zmniejszyć wpływ elementu indukcyjnego i poprawić współczynnik mocy, zwiększając efektywność systemu.

Wzór na korekcję współczynnika mocy

Załóżmy, że indukcyjne obciążenie jest podłączone do systemu i działa przy współczynniku mocy cosф1. Aby poprawić współczynnik mocy, musimy podłączyć urządzenie korekcyjne współczynnika mocy równolegle do obciążenia.

Schemat obwodu tej konfiguracji jest przedstawiony poniżej.

power factor correction example

Kondensator dostarcza wiodącą składową reaktywną i zmniejsza wpływ opóźnionej składowej reaktywnej. Przed podłączeniem kondensatora prąd obciążenia wynosi IL.

Kondensator pobiera prąd IC, który wyprzedza napięcie o 90˚. A rezultant systemu to prąd Ir. Kąt między napięciem V a IR jest mniejszy w porównaniu z kątem między V a IL. Dlatego współczynnik mocy cosф2 jest poprawiony.

power factor correction phasor diagram

Diagram fazowy korekcji współczynnika mocy

Z powyższego diagramu fazowego wynika, że opóźniona składowa systemu jest zmniejszona. Zatem, aby zmienić współczynnik mocy z ф1 na ф2, prąd obciążenia jest zmniejszony o IRsinф2.

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

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

Pojemność kondensatora do poprawy współczynnika mocy wynosi:

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

Obwód korekcji współczynnika mocy

Techniki korekcji współczynnika mocy głównie wykorzystują kondensator lub bank kondensatorów oraz synchroniczny kondensator. W zależności od używanego sprzętu do korekcji współczynnika mocy, istnieją trzy metody:

Bank kondensatorów
Synchroniczny kondensator
Faza przesuwająca

Korekcja współczynnika mocy za pomocą banku kondensatorów

Kondensator lub bank kondensatorów może być podłączony jako stała lub zmienna wartość pojemności. Jest on podłączany do indukcyjnego silnika elektrycznego, panelu dystrybucyjnego lub głównego źródła zasilania.

Kondensator o stałej wartości jest stale podłączony do systemu. Kondensator o zmiennym napięciu zmienia wartość KVAR w zależności od wymagań systemu.

W celu korekcji współczynnika mocy, bank kondensatorów jest podłączany do obciążenia. Jeśli obciążenie to jest trójfazowe, bank kondensatorów może być podłączony jako połączenie gwiazdowe lub trójkątne.

Bank kondensatorów połączony trójkątnie

Poniższy schemat obwodowy przedstawia bank kondensatorów połączony trójkątnie z trójfazowym obciążeniem.

delta connected capacitor bank

Bank kondensatorów połączony trójkątnie

Znajdźmy równanie dla kondensatora na fazę, gdy jest on podłączony w połączeniu trójkątnym. W połączeniu trójkątnym napięcie fazowe (VP) i napięcie liniowe (VL) są równe.

$V_P = V_L$

Pojemność na fazę (C∆) wynosi:

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

Banka kondensatorów połączona w gwiazdę

Poniższy schemat obwodowy przedstawia bankę kondensatorów połączoną w gwiazdę z obciążeniem trójfazowym.

Banka kondensatorów połączona w gwiazdę

W połączeniu gwiazdowym relacja między napięciem fazowym (VP) a napięciem liniowym (VL) wynosi:

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

Pojemność na fazę (CY) jest podana 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 powyższych równań wynika:

$C_Y = 3 C_\Delta$

Oznacza to, że pojemność wymagana w połączeniu gwiazdowym jest trzy razy większa niż pojemność wymagana w połączeniu trójkątnym. Ponadto, napięcie fazowe w pracy wynosi 1/√3 napięcia liniowego.

Dlatego bank kondensatorów połączonych w trójkąt jest dobrym rozwiązaniem, a to jest przyczyną, dla której w trójfazowym połączeniu bardziej często stosuje się bank kondensatorów połączonych w trójkąt.

Korekcja współczynnika mocy przy użyciu synchronicznego kondensatora

Gdy silnik synchroniczny jest nadwzbudzony, pobiera prąd wyprzedzający i zachowuje się jak kondensator. Nadwzbudzony silnik synchroniczny pracujący bez obciążenia nazywany jest synchronicznym kondensatorem.

Gdy taki typ maszyny jest podłączony równolegle do zasilania, pobiera on prąd przewodzący. I poprawia współczynnik mocy systemu. Schemat połączenia kondensatora synchronicznego z zasilaniem przedstawiono na poniższym rysunku.

poprawa współczynnika mocy przy użyciu kondensatora synchronicznego

Poprawa współczynnika mocy przy użyciu kondensatora synchronicznego

Gdy obciążenie ma składową reaktywną, pobiera ono prąd opóźniony z systemu. Aby zneutralizować prąd, używa się tego urządzenia do pobierania prądu przewodzącego.

diagram fazowy kondensatora synchronicznego

Diagram fazowy kondensatora synchronicznego

Przed podłączeniem kondensatora synchronicznego, prąd pobierany przez obciążenie wynosi IL, a współczynnik mocy to фL.

Po podłączeniu kondensatora synchronicznego, ten pobiera prąd Im. W tym stanie, rezultujący prąd to I, a współczynnik mocy to фm.

Z diagramu fazowego możemy porównać oba kąty współczynnika mocy (фL i фm). I фm jest mniejszy niż фL. Dlatego cosфm jest większy niż cosфL.

Ten typ metody poprawy współczynnika mocy jest używany w stacjach zasilania hurtowego ze względu na poniższe zalety.

Wielkość prądu pobieranego przez silnik zmienia się poprzez modyfikację wzbudzenia pola.
Usunięcie awarii występujących w systemie jest łatwe.
Termiczna stabilność cewek silnika jest wysoka. Dlatego jest to niezawodny system dla prądów zwarciowych.

Faza przesuwająca

Silnik indukcyjny pobiera bieżący reaktywny z powodu prądu wzbudzenia. Jeśli innym źródłem dostarcza się prąd wzbudzenia, cewka stojana jest wolna od prądu wzbudzenia. Możliwe jest również poprawienie współczynnika mocy silnika.

Ta konfiguracja może być wykonana za pomocą fazy przesuwającej. Faza przesuwająca to prosty wzbudzacz AC zamontowany na tym samym wałku co silnik i połączony z obwodem wirnika silnika.

Dostarcza on prąd wzbudzenia do obwodu wirnika przy częstotliwości ślizgu. Jeżeli dostarczy się więcej prądu wzbudzającego niż wymagane, silnik indukcyjny może działać z prowadzącym współczynnikiem mocy.

Jedyną wadą fazy przesuwającej jest brak ekonomiczności dla małych silników, zwłaszcza poniżej 200 KM.

Aktywna korekcja współczynnika mocy

Aktywna korekcja współczynnika mocy zapewnia bardziej efektywną kontrolę współczynnika mocy. Zwykle stosowana jest w projektach zasilania o mocy powyżej 100W.

Ten typ obwodu korekcji współczynnika mocy składa się z elementów przełączania o wysokiej częstotliwości, takich jak dioda, SCR (przełączniki elektroniki mocy). Są to aktywne elementy. Dlatego ta metoda nazywana jest metodą aktywnej korekcji współczynnika mocy.

W przypadku pasywnej korekcji współczynnika mocy, reaktywne elementy, takie jak kondensator i cewka, używane w obwodzie są niekontrolowane. Ponieważ obwód pasywnej korekcji współczynnika mocy nie używa żadnych jednostek sterujących ani elementów przełączania.

Z powodu wykorzystania wysokich częstotliwości elementów przełączania i jednostek sterujących, koszt i złożoność obwodu wzrastają w porównaniu z obwodem pasywnej korekcji współczynnika mocy.

Poniższy schemat obwodu pokazuje podstawowe elementy obwodu aktywnej korekcji współczynnika mocy.

aktywna korekcja współczynnika mocy

Aktywna korekcja współczynnika mocy

Aby kontrolować parametry obwodu, w obwodzie stosuje się jednostkę sterującą. Mierzy ona napięcie i prąd wejściowy. I reguluje czas przełączania oraz cykl pracy w fazie napięcia i prądu.

Cewka L jest kontrolowana przez półprzewodnikowy przełącznik Q. Jednostka sterująca służy do sterowania (WŁĄCZENIE i WYŁĄCZENIE) półprzewodnikowego przełącznika Q.

Gdy przełącznik jest włączony, prąd cewki zwiększa się o ∆I+. Napięcie na cewce zmienia polarność i uwalnia energię poprzez diodę D1 do obciążenia.

Gdy przełącznik jest wyłączony, prąd cewki zmniejsza się o ∆I–. Całkowita zmiana podczas jednego cyklu wynosi ∆I = ∆I+ – ∆I–. Czas włączenia i wyłączenia przełącznika jest kontrolowany przez jednostkę sterującą poprzez zmianę cyklu pracy.

Poprzez odpowiedni dobór cyklu pracy możemy uzyskać pożądany kształt prądu do obciążenia.

Jak określić rozmiar korekcji współczynnika mocy?

Aby określić rozmiar korekcji współczynnika mocy, musimy obliczyć potrzebę mocy reaktywnej (KVAR). I podłączamy taką ilość pojemności do systemu, aby spełnić zapotrzebowanie na moc reaktywną.

Istnieją dwa sposoby określenia potrzeby KVAR.

Metoda mnożnika tabeli
Metoda obliczeniowa

Jak sama nazwa wskazuje, w metodzie mnożnika tabeli możemy bezpośrednio znaleźć stałą mnożnikową z tabeli. Możemy bezpośrednio obliczyć potrzebną wartość KVAR, mnożąc stałą przez moc wejściową.

metoda mnożnika tabelarycznego

Metoda mnożnika tabelarycznego

W metodzie obliczeniowej musimy obliczyć mnożnik, jak pokazano w poniższym przykładzie.

Przykład:

Indukcyjny silnik o mocy 10 kW ma współczynnik mocy 0,71 opóźniony. Jeśli chcemy uruchomić ten silnik przy współczynniku mocy 0,92, jaka będzie pojemność kondensatora?

Moc wejściowa = 10kW
Rzeczywisty współczynnik mocy (cos фA) = 0,71
Wymagany współczynnik mocy (cos фR) = 0,92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

$Współczynnik mnożący = 0.9918 - 0.4259 = 0.5658$

Wymagane KVAR = Moc wejściowa x Współczynnik mnożący

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Zatem wymagana jest reaktywna moc 5,658 KVAR, aby poprawić współczynnik mocy z 0,71 do 0,92. A kondensator podłączony do systemu ma pojemność 5,658 KVAR.

Zastosowania korekcji współczynnika mocy

W sieci systemu elektrycznego, współczynnik mocy odgrywa najważniejszą rolę w jakości i zarządzaniu systemem. Określa on efektywność dostawy energii.

Bez korekcji współczynnika mocy obciążenie pobiera dużą wartość prądu ze źródła. Zwiększa to straty i koszty energii elektrycznej. Urządzenia PFC próbują doprowadzić do fazy fal prądowych i napięciowych. To zwiększy efektywność systemu.
W sieci przesyłowej niezbędny jest wysoki współczynnik mocy. Dzięki wysokiemu współczynnikowi mocy straty linii przesyłowej są zmniejszone, a regulacja napięcia jest poprawiona.
Silniki indukcyjne są szeroko stosowanym sprzętem w przemyśle. Aby uniknąć nadmiernego nagrzewania się i poprawić efektywność silnika, używane są kondensatory, aby złagodzić wpływ mocy reaktywnej.
Urządzenia PFC redukują generowanie ciepła w przewodach, aparaturze przełącznikowej, alternatorze, transformatorach itp.
Dzięki wysokiej efektywności sieci, musimy wygenerować mniej energii, co zmniejsza emisję dwutlenku węgla do atmosfery.
Spadek napięcia znacznie zmniejsza się przez użycie urządzeń PFC w systemie.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły są warte udostępniania, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt w celu usunięcia.

Daj napiwek i zachęć autora

Tematy:

Systemy energetyczne

Przesyłanie

O ekspertach

Electrical4u

China