Faktor för effektförbättring: Vad är det? (Formel, krets och kondensatorbanker)

Fält: Grundläggande elteknik

China

vad är effektfaktorkorrektion

Vad är effektfaktorkorrektion?

Effektfaktorkorrektion (även känd som PFC eller Effektfaktorförbättring) definieras som en teknik som används för att förbättra effektfaktorn i växelströmskretsar genom att minska den reaktiva effekten i kretsen. Målet med effektfaktorkorrektionsmetoder är att öka kretsens effektivitet och minska strömmen som belastningen drar.

Generellt används kondensatorer och synkrona motorer i kretsar för att reducera de induktiva elementen (och därmed den reaktiva effekten). Dessa metoder används inte för att öka mängden verksam effekt, utan endast för att minska den synliga effekten.

Med andra ord, den minskar fasförflyttningen mellan spänning och ström. Således försöker den hålla effektfaktorn nära enheten. Den mest ekonomiska värdet för effektfaktorn ligger mellan 0,9 till 0,95.

Frågan uppstår nu, varför är det ekonomiska värdet för effektfaktorn 0,95 istället för enhets effektfaktor? Finns det några nackdelar med enhets effektfaktor?

NEJ. Det finns inte en enda nackdel med enhets effektfaktor. Men det är svårt och dyrt att installera utrustning för enhets effektfaktorkorrektion.

Därför försöker energiföretag och elnätsbolag att sätta effektfaktorn inom ett intervall på 0,9 till 0,95 för att skapa ett ekonomiskt system. Och detta intervall är tillräckligt bra för ett elförsörjningssystem.

Om växelströmskretsen har en hög induktiv belastning kan effektfaktorn ligga under 0,8. Och den drar mer ström från källan.

Utrustning för effektfaktorkorrektion minskar induktiva element och ström som dras från källan. Det resulterar i ett effektivt system och förhindrar förlust av elektrisk energi.

Varför är effektfaktorkorrektion nödvändig?

I DC-kretsar beräknas den avleda effekten av en belastning genom att multiplicera spänning och ström. Och strömmen är proportionell mot den tillämpade spänningen. Därför är effektavläggningen av den resistiva belastningen linjär.

I AC-kretsar är spänningen och strömmen sinusformade vågor. Därför ändras magnitud och riktning kontinuerligt. I ett specifikt ögonblick är den avleda effekten en multiplikation av spänningen och strömmen vid det ögonblicket.

Om en AC-krets har induktiva belastningar som; vindningskrets, chowk-spolar, solenoide, transformator; så är strömmen ur fas med spänningen. Under dessa förhållanden är den faktiska avleda effekten mindre än produkten av spänning och ström.

På grund av icke-linjära element i AC-kretsar innehåller den både motstånd och reaktans. Därför är fasforskellen mellan ström och spänning viktig vid beräkning av effekten under dessa förhållanden.

För en ren resistiv belastning är spänningen och strömmen i fas. Men för en induktiv belastning följer strömmen efter spänningen. Det skapar induktiv reaktans.

Under dessa förhållanden behövs korrigerande av effektfaktorn mest för att minska effekten av det induktiva elementet och förbättra effektfaktorn för att öka systemets effektivitet.

Formel för effektfaktorkorrektion

Låt oss anta att en induktiv belastning är ansluten till systemet och fungerar med effektfaktorn cosф1. För att förbättra effektfaktorn måste vi ansluta utrustning för effektfaktorkorrektion parallellt med belastningen.

Kretsschemat för denna anordning visas nedan.

power factor correction example

Kondensatorn levererar ledande reaktiv komponent och minskar effekten av efterblivande reaktiv komponent. Innan kondensatorn ansluts är belastningsströmmen IL.

Kondensatorn tar emot IC ström som leder spänning med 90˚. Och det resulterande systemets ström är Ir. Vinkeln mellan spänningen V och IR är minskad jämfört med vinkeln mellan V och IL. Därför förbättras effektfaktorn cosф2.

power factor correction phasor diagram

Diagram över fasor för effektfaktorkorrektion

Från ovanstående fasordiagram är den efterblivande komponenten i systemet minskad. Således, för att ändra effektfaktorn från ф1 till ф2, minskas belastningsströmmen med IRsinф2.

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

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

Kondensatorns kapacitans för att förbättra effektfaktorn är;

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

Kretsschema för effektfaktorkorrektion

Tekniker för effektfaktorkorrektion använder huvudsakligen kondensatorer eller kondensatorbankar och synkron kondensator. Beroende på utrustningen som används för att korrigera effektfaktorn finns det tre metoder;

Kondensatorbank
Synkron kondensator
Fasförflyttare

Effektfaktorkorrektion med kondensatorbank

Kondensatorn eller kondensatorbanken kan anslutas som fast eller variabel kapacitans. Den ansluts till en induktionsmotor, distributionspanel eller huvudström.

Den fasta kapaciteten är kontinuerligt ansluten till systemet. En variabel kapacitans varierar mängden KVAR enligt systemets behov.

För förbättring av effektfaktorn används kapacitetsbanken för att anslutas till belastningen. Om belastningen är en trefasbelastning kan kapacitetsbanken anslutas som stjärn- och deltaanslutning.

Deltaansluten kapacitetsbank

Nedan visas en kretsdiagram som visar en deltaansluten kapacitetsbank med en trefasbelastning.

delta connected capacitor bank

Deltaansluten kapacitetsbank

Låt oss hitta ekvationen för kapacitansen per fas när den är ansluten i deltaanslutning. I deltaanslutning är fasvoltaget (VP) och linjevoltaget (VL) lika.

$V_P = V_L$

Kapacitansen per fas (C∆) ges som:

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

Kondensatorbank ansluten i stjärnformation

Följande kretsdiagram visar en kondensatorbank ansluten i stjärnformation med trefasbelastning.

Kondensatorbank ansluten i stjärnformation

I stjärnanslutningen är relationen mellan fasvolten (VP) och linjevolten (VL) följande:

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

Kapacitansen per fas (CY) ges som;

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

Från ovanstående ekvationer;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Det betyder att kapacitansen som krävs i stjärnanslutningen är tre gånger den kapacitans som krävs i deltaslutningen. Och också, den operativa fasvoltagen är 1/√3 gånger linjevoltagen.

Så, en deltaansluten kondensatorbank är ett bra design och det är anledningen till att i en trefasanslutning används en deltaansluten kondensatorbank ofta mer i nätet.

Kraftfaktorkorrektion med synkron kondensator

När en synkronmotor överspänns tar den ledande ström och beter sig som en kondensator. En överspänd synkronmotor som kör under belastningsfri förhållanden kallas för en synkron kondensator.

När denna typ av maskin ansluts parallellt till strömförsörjningen tar den en ledande ström. Detta förbättrar systemets effektfaktor. Anslutningsdiagrammet för synkronkondensatorn med strömförsörjning visas i figuren nedan.

power factor correction using synchronous condenser

Effektfaktorkorrektur med synkronkondensator

När belastningen har en reaktiv komponent drar den en efterliggande ström från systemet. För att neutralisera strömmen används detta enhet för att ta en ledande ström.

synchronous condenser phasor diagram

Fasordiagram för synkronkondensator

Innan synkronkondensatorn ansluts drar belastningen ström IL och effektfaktorn är фL.

När synkronkondensatorn ansluts tar den ström Im. I detta tillstånd är den resulterande strömmen I och effektfaktorn är фm.

Från fasordiagrammet kan vi jämföra båda effektfaktorvinklarna (фL och фm). Och фm är mindre än фL. Därför är cosфm större än cosфL.

Denna typ av effektfaktorförbättringsmetod används vid stora försörjningsstationer på grund av följande fördelar.

Strömförsörjningens storlek till motorn ändras genom att variera fältets anregning.
Det är enkelt att åtgärda fel som uppstår i systemet.
Motors vindnings termiska stabilitet är hög. Därför är det ett pålitligt system för kortslutningsströmmar.

Fasförskjutare

Induktionsmotor drar reaktiv ström pga anregningsströmmen. Om en annan källa används för att tillhandahålla anregningsström, blir statorvindningen fri från anregningsströmmen. Och motorfaktorn kan förbättras.

Denna anordning kan göras med hjälp av fasförskjutaren. Fasförskjutaren är en enkel AC-anregare monterad på samma axel som motorn och ansluten till motorns rotorcircuit.

Den ger anregningsström till rotorcircuitet vid glidfrekvens. Om du ger mer anregningsström än nödvändigt, kan induktionsmotorn drivas med ledande effektfaktor.

Det enda nackdelen med fasförskjutaren är att den inte är ekonomisk för små motors, särskilt under 200 HP.

Aktiv effektfaktorkorrektion

Aktiv effektfaktorkorrektion ger mer effektiv effektfaktorkontroll. Den används generellt i strömförsörjningsdesign för mer än 100W.

Denna typ av effektfaktorkorrektionskrets består av högfrekventa växlingskomponenter som dioder, SCR (effektelektroniksvängelser). Dessa komponenter är aktiva element. Därför kallas denna metod för aktiv effektfaktorkorrektion.

I passiv effektfaktorkorrektion används reaktiva element som kondensatorer och spolar i kretsen utan kontroll. Eftersom passiv effektfaktorkorrektionskrets inte använder några styrenheter eller växlingskomponenter.

Pga de högfrekventa växlingskomponenterna och styrenheten i kretsen ökar kostnaden och komplexiteten jämfört med passiv effektfaktorkorrektionskrets.

Nedanstående kretsdiagram visar de grundläggande elementen i en aktiv effektfaktorkorrektionskrets.

aktiv effektiv faktorkorrektion

Aktiv effektiv faktorkorrektion

För att kontrollera kretsparametrar används en styrenhet i kretsen. Den mäter ingångsspänningen och strömmen. Och den justerar släcknings- och tändningstid samt arbetscykel i fasens spänning och ström.

Induktorn L styras av fasttillståndsswitch Q. Styrenheten används för att styra (PÅ och AV) fasttillståndsswitchen Q.

När switchen är PÅ ökar induktorstrommen med ∆I+. Spänningen över induktorn vänder polaritet och frigör energi via dioden D1 till belastningen.

När switchen är AV minskar induktorstrommen med ∆I–. Den totala ändringen under en cykel är ∆I = ∆I+ – ∆I–. Tiden för PÅ och AV på switchen styrs av styrenheten genom att ändra arbetscykeln.

Genom korrekt val av arbetscykel kan vi få den önskade formen på strömmen till belastningen.

Hur storleksgör man effektiv faktorkorrektion?

För att bestämma storleken på effektiv faktorkorrektion måste vi beräkna kravet på reaktiv effekt (KVAR). Och vi ansluter denna storlek av kapacitans till systemet för att uppfylla kravet på reaktiv effekt.

Det finns två sätt att hitta kravet på KVAR.

Tabellmultiplikatormetod
Beräkningsmetod

Som namnet antyder, kan vi i tabellmultiplikatormetoden direkt hitta en multiplikatorkonstant från en tabell. Vi kan direkt hitta det nödvändiga KVAR genom att multiplicera konstanten med inmatningseffekten.

table multiplier method

Tabellmultiplikator-metod

I beräkningsmetoden behöver vi beräkna multiplikatorn enligt nedanstående exempel.

Exempel:

En induktionsmotor på 10 kW har en effektfaktor på 0,71 försenad. Om vi behöver köra denna motor vid en effektfaktor på 0,92, vilken storlek kommer kondensatorn att ha?

Inmatnings Effekt = 10 kW
Verksam Effektfaktor (cos φA) = 0,71
Begärd Effektfaktor (cos φR) = 0,92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

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

Krävda KVAR = Inmatningskraft x Multiplicatorkonstant

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Därför krävs 5,658 KVAR reaktiv effekt för att förbättra effektfaktorn från 0,71 till 0,92. Och kondensatorn ansluten till systemet har en kapacitans på 5,658 KVAR.

Användningar av effektfaktorkorrektion

I ett elnät spelar effektfaktorn en viktig roll för kvaliteten och hanteringen av systemet. Den bestämmer effektiviteten i strömförsörjningen.

Utan effektfaktorkorrektion drar belastningen en hög ström från källan. Det ökar förlusterna och kostnaden för elektrisk energi. PFC-utrustning försöker göra ströms- och spänningskurvor fasliga. Detta ökar systemets effektivitet.
I överföringsnätet är en hög effektfaktor nödvändig. På grund av den höga effektfaktorn minskar överföringslinjens förluster och förbättras spänningsreglering.
Induktionsmotorn används omfattande i industrier. För att undvika överhettning och förbättra motoreffektiviteten används kondensatorer för att minska effekten av reaktiv effekt.
PFC-utrustning minskar värmeuppbyggandet i kablar, spänningsväxlar, alternator, transformer, etc.
På grund av det höga effektivitetsnätverket behöver vi generera mindre energi. Detta minskar koldioxidutsläppen i atmosfären.
Spänningsfall minskar betydligt genom att använda PFC-utrustning med systemet.

Uttryck: Respektera det ursprungliga, bra artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsskydd kontakta för borttagning.

Ge en tips och uppmuntra författaren

Ämnen:

Energisystem

Överföring

Om experter

Electrical4u

China