Коррекция коэффициента мощности: Что это такое? (Формула, схема и банки конденсаторов)

Поле: Основы электротехники

China

что такое коррекция коэффициента мощности

Что такое коррекция коэффициента мощности?

Коррекция коэффициента мощности (также известная как PFC или улучшение коэффициента мощности) определяется как метод, используемый для улучшения коэффициента мощности цепей переменного тока путем уменьшения реактивной мощности в цепи. Методы коррекции коэффициента мощности направлены на повышение эффективности цепи и снижение потребляемого тока нагрузкой.

Обычно в цепях используются конденсаторы и синхронные двигатели для уменьшения индуктивных элементов (и, следовательно, реактивной мощности). Эти методы не используются для увеличения количества активной мощности, а только для уменьшения полной мощности.

Другими словами, это уменьшает фазовый сдвиг между напряжением и током. Таким образом, он стремится поддерживать коэффициент мощности близким к единице. Наиболее экономически выгодное значение коэффициента мощности находится в диапазоне от 0,9 до 0,95.

Теперь возникает вопрос, почему экономически выгодное значение коэффициента мощности составляет 0,95, а не единый коэффициент мощности? Есть ли какие-либо недостатки у единого коэффициента мощности?

НЕТ. Недостатков у единого коэффициента мощности нет. Однако установка оборудования для коррекции коэффициента мощности до единицы является сложной и дорогой.

Поэтому энергетические компании и компании поставщики электроэнергии стараются поддерживать коэффициент мощности в диапазоне от 0,9 до 0,95, чтобы создать экономическую систему. И этот диапазон достаточно хорош для системы электроснабжения.

Если в цепи переменного тока имеется высокая индуктивная нагрузка, коэффициент мощности может быть ниже 0,8. В этом случае она потребляет больше тока от источника.

Оборудование для коррекции коэффициента мощности уменьшает индуктивные элементы и потребляемый от источника ток. Это приводит к более эффективной системе и предотвращает потерю электроэнергии.

Почему необходима коррекция коэффициента мощности?

В цепях постоянного тока мощность, рассеиваемая нагрузкой, просто вычисляется путем умножения напряжения на ток. Ток пропорционален приложенному напряжению. Поэтому мощность, рассеиваемая резистивной нагрузкой, линейна.

В цепях переменного тока напряжение и ток являются синусоидальными волнами. Следовательно, их величина и направление непрерывно изменяются. В определенный момент времени рассеиваемая мощность является произведением напряжения и тока в этот момент.

Если в цепи переменного тока имеются индуктивные нагрузки, такие как обмотки, катушки, соленоиды, трансформатор, то ток не совпадает по фазе с напряжением. В этом случае фактическая рассеиваемая мощность меньше произведения напряжения и тока.

Из-за наличия нелинейных элементов в цепях переменного тока, они содержат как сопротивление, так и реактивное сопротивление. Поэтому, в этом случае, разница фаз между током и напряжением важна при расчете мощности.

Для чистой резистивной нагрузки напряжение и ток находятся в одной фазе. Но для индуктивной нагрузки ток отстает от напряжения, создавая индуктивное реактивное сопротивление.

В этом случае коррекция коэффициента мощности наиболее необходима для уменьшения влияния индуктивного элемента и повышения коэффициента мощности, чтобы увеличить эффективность системы.

Формула коррекции коэффициента мощности

Предположим, что к системе подключена индуктивная нагрузка, работающая с коэффициентом мощности cosφ1. Для улучшения коэффициента мощности необходимо подключить оборудование для коррекции коэффициента мощности параллельно нагрузке.

Схема этой установки показана на рисунке ниже.

пример коррекции коэффициента мощности

Конденсатор поставляет опережающую реактивную компоненту и уменьшает эффект отстающей реактивной компоненты. Перед подключением конденсатора ток нагрузки составляет IL.

Конденсатор принимает ток IC, который опережает напряжение на 90˚. Результирующий ток системы составляет Ir. Угол между напряжением V и IR уменьшается по сравнению с углом между V и IL. Таким образом, коэффициент мощности cosф2 улучшается.

power factor correction phasor diagram

Диаграмма фазоров коррекции коэффициента мощности

Из приведенной выше диаграммы фазоров видно, что отстающая компонента системы уменьшается. Следовательно, чтобы изменить коэффициент мощности с ф1 на ф2, ток нагрузки уменьшается на IRsinф2.

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

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

Емкость конденсатора для улучшения коэффициента мощности равна:

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

Схема коррекции коэффициента мощности

Основные методы коррекции коэффициента мощности включают использование конденсаторов или конденсаторных батарей и синхронного конденсатора. В зависимости от используемого оборудования для коррекции коэффициента мощности, существуют три метода:

Конденсаторная батарея
Синхронный конденсатор
Фазовый сдвигатель

Коррекция коэффициента мощности с использованием конденсаторной батареи

Конденсатор или конденсаторная батарея могут быть подключены как с фиксированной, так и с переменной емкостью. Они подключаются к асинхронному двигателю, распределительному щиту или основному источнику питания.

Конденсатор с фиксированной емкостью постоянно подключен к системе. Конденсатор с переменной емкостью изменяет количество КВАР в зависимости от требований системы.

Для коррекции коэффициента мощности используется банк конденсаторов, который подключается к нагрузке. Если нагрузка является трехфазной, банк конденсаторов может быть подключен как звездой, так и треугольником.

Банк конденсаторов, подключенный треугольником

На приведенной ниже схеме показан банк конденсаторов, подключенный треугольником, с трехфазной нагрузкой.

delta connected capacitor bank

Банк конденсаторов, подключенный треугольником

Найдем уравнение для конденсатора на фазу при подключении треугольником. При подключении треугольником фазное напряжение (VP) и линейное напряжение (VL) равны.

$V_P = V_L$

Емкость на фазу (C∆) задается следующим образом;

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

Звездное соединение конденсаторного банка

На приведенной ниже схеме показан звездно соединенный конденсаторный банк с трехфазной нагрузкой.

Звездное соединение конденсаторного банка

В звездном соединении отношение между фазным напряжением (VP) и линейным напряжением (VL) является следующим:

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

Емкость на фазу (CY) задается следующим образом;

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

Из приведенных выше уравнений;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Это означает, что емкость, необходимая для звездного соединения, в три раза больше, чем емкость, необходимая для треугольного соединения. Кроме того, рабочее фазное напряжение составляет 1/√3 от линейного напряжения.

Таким образом, конденсаторная батарея, подключенная по схеме треугольника, является хорошим решением, и именно поэтому в трехфазных сетях чаще всего используется конденсаторная батарея, подключенная по схеме треугольника.

Коррекция коэффициента мощности с использованием синхронного конденсатора

Когда синхронный двигатель перевозбуждается, он потребляет опережающий ток и ведет себя как конденсатор. Синхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода при перевозбуждении, называется синхронным конденсатором.

Когда такой тип машины подключается параллельно к источнику питания, он потребляет опережающий ток. Это улучшает коэффициент мощности системы. Схема подключения синхронного конденсатора к источнику питания показана на следующем рисунке.

power factor correction using synchronous condenser

Коррекция коэффициента мощности с использованием синхронного конденсатора

Когда нагрузка имеет реактивную составляющую, она потребляет отстающий ток от системы. Чтобы нейтрализовать этот ток, используется данное устройство, которое потребляет опережающий ток.

synchronous condenser phasor diagram

Фазорная диаграмма синхронного конденсатора

До подключения синхронного конденсатора, ток, потребляемый нагрузкой, составляет IL, а коэффициент мощности — фL.

При подключении синхронного конденсатора, он потребляет ток Im. В этом случае, результирующий ток составляет I, а коэффициент мощности — фm.

Из фазорной диаграммы можно сравнить оба угла коэффициента мощности (фL и фm). И фm меньше, чем фL. Поэтому, cosфm больше, чем cosфL.

Этот метод улучшения коэффициента мощности используется на крупных электростанциях из-за следующих преимуществ.

Сила тока, потребляемого двигателем, изменяется путем изменения возбуждения.
Легко устранять неисправности, возникающие в системе.
Тепловая стабильность обмотки двигателя высокая. Поэтому это надежная система для токов короткого замыкания.

Фазовый сдвигатель

Двигатель с фазовым сдвигом потребляет реактивный ток из-за тока возбуждения. Если использовать другой источник для обеспечения тока возбуждения, то обмотка статора будет свободна от тока возбуждения. Это позволяет улучшить коэффициент мощности двигателя.

Эту схему можно реализовать с помощью фазового сдвигателя. Фазовый сдвигатель — это простой однофазный возбудитель, установленный на том же валу, что и двигатель, и подключенный к роторной цепи двигателя.

Он предоставляет ток возбуждения роторной цепи на частоте скольжения. Если подать больше тока возбуждения, чем требуется, двигатель можно эксплуатировать с опережающим коэффициентом мощности.

Единственный недостаток фазового сдвигателя заключается в том, что он неэкономичен для маломощных двигателей, особенно ниже 200 л.с.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активная коррекция коэффициента мощности обеспечивает более эффективное управление коэффициентом мощности. Обычно она используется в схемах питания мощностью более 100 Вт.

Эта схема коррекции коэффициента мощности состоит из высокочастотных коммутационных элементов, таких как диод, SCR (полупроводниковые ключи). Эти элементы являются активными. Поэтому этот метод называется активным методом коррекции коэффициента мощности.

В пассивной коррекции коэффициента мощности реактивные элементы, такие как конденсатор и индуктор, используемые в цепи, неуправляемы. Пассивная схема коррекции коэффициента мощности не использует никаких блоков управления и коммутационных элементов.

Из-за использования высокочастотных коммутационных элементов и блоков управления стоимость и сложность схемы увеличиваются по сравнению с пассивной схемой коррекции коэффициента мощности.

На следующей схеме показаны основные элементы активной схемы коррекции коэффициента мощности.

активная коррекция коэффициента мощности

Активная коррекция коэффициента мощности

Для управления параметрами цепи используется блок управления, который измеряет входное напряжение и ток. Он регулирует время переключения и коэффициент заполнения в фазовом напряжении и токе.

Индуктивность L контролируется твердотельным переключателем Q. Блок управления используется для управления (включением и выключением) твердотельного переключателя Q.

Когда переключатель включен, ток через индуктивность увеличивается на ∆I+. Напряжение на индуктивности меняет полярность и отдает накопленную энергию через диод D1 к нагрузке.

Когда переключатель выключен, ток через индуктивность уменьшается на ∆I–. Общее изменение за один цикл составляет ∆I = ∆I+ – ∆I–. Время включения и выключения переключателя контролируется блоком управления путем изменения коэффициента заполнения.

С помощью правильного выбора коэффициента заполнения можно получить желаемую форму тока, подаваемого на нагрузку.

Как определить размер коррекции коэффициента мощности?

Чтобы определить размер коррекции коэффициента мощности, необходимо рассчитать требуемую реактивную мощность (кВАр). И мы подключаем конденсаторы такого размера к системе, чтобы удовлетворить потребность в реактивной мощности.

Существует два способа определения потребности в кВАр.

Метод таблицы множителей
Метод расчета

Как следует из названия, в методе таблицы множителей мы можем непосредственно найти множитель из таблицы. Мы можем непосредственно найти необходимый кВАр, умножив этот множитель на входную мощность.

table multiplier method

Метод множителя таблицы

В методе расчета нам нужно вычислить множитель, как показано в следующем примере.

Пример:

Асинхронный двигатель мощностью 10 кВт имеет коэффициент мощности 0,71 отстающий. Если нам нужно запустить этот двигатель при коэффициенте мощности 0,92, какой будет размер конденсатора?

Входная мощность = 10 кВт
Фактический коэффициент мощности (cos фA) = 0,71
Требуемый коэффициент мощности (cos фR) = 0,92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

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

Требуемый КВАР = Входная мощность × Константа множителя

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Таким образом, для улучшения коэффициента мощности с 0,71 до 0,92 требуется реактивная мощность 5,658 КВАР. Конденсатор, подключенный к системе, имеет емкость 5,658 КВАР.

Применение коррекции коэффициента мощности

В сети электроснабжения коэффициент мощности играет важнейшую роль в качестве и управлении системой. Он определяет эффективность поставки электроэнергии.

Без коррекции коэффициента мощности нагрузка потребляет высокий ток от источника. Это увеличивает потери и стоимость электроэнергии. Оборудование для коррекции коэффициента мощности (PFC) пытается сделать формы тока и напряжения синфазными. Это повысит эффективность системы.
В сетях передачи необходим высокий коэффициент мощности. Высокий коэффициент мощности снижает потери на линиях передачи и улучшает регулирование напряжения.
Индукционные двигатели широко используются в промышленности. Для предотвращения перегрева и повышения эффективности двигателя используются конденсаторы, чтобы компенсировать влияние реактивной мощности.
Оборудование PFC снижает тепловыделение в кабелях, коммутационных устройствах, генераторах, трансформаторах и т.д.
Благодаря высокой эффективности сети, нам нужно производить меньше энергии, что снижает выбросы углерода в атмосферу.
Использование оборудования PFC значительно снижает падение напряжения в системе.

Заявление: Уважайте оригинальные, качественные статьи, достойные распространения. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.

Оставить чаевые и поощрить автора

Темы:

Энергетические системы

Передача

О специалистах

Electrical4u

China

Область экспертизы

Basic Electrical

Профессиональная статья

607