การปรับปรุงแฟคเตอร์กำลัง: คืออะไร? (สูตร, วงจร และแบงก์คาปาซิเตอร์)

ฟิลด์: ไฟฟ้าพื้นฐาน

China

what is power factor correction

การปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังคืออะไร?

การปรับปรุงแฟกเตอร์กำลัง (หรือเรียกว่า PFC หรือการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลัง) นิยามว่าเป็นเทคนิคที่ใช้ในการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังของวงจร AC โดยลดพลังงานปฏิกิริยาในวงจร การปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรและลดกระแสที่โหลดดึงเข้ามา

โดยทั่วไปแล้วจะใช้คอนเดนเซอร์และมอเตอร์ซิงโครนัสในวงจรเพื่อลดองค์ประกอบแบบเหนี่ยวนำ (และพลังงานปฏิกิริยา) เทคนิคนี้ไม่ได้ใช้เพื่อเพิ่มปริมาณพลังงานแท้ แต่เพียงแค่ลดพลังงานปรากฏ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง คือ มันลดความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกระแส ดังนั้นมันพยายามทำให้แฟกเตอร์กำลังอยู่ใกล้เคียงกับ 1 ค่าเศรษฐศาสตร์ที่เหมาะสมของแฟกเตอร์กำลังคือระหว่าง 0.9 ถึง 0.95

คำถามที่เกิดขึ้นคือ ทำไมค่าเศรษฐศาสตร์ของแฟกเตอร์กำลังจึงเป็น 0.95 แทนที่จะเป็น 1 ที่สมบูรณ์? มีข้อเสียของการมีแฟกเตอร์กำลัง 1 หรือไม่?

ไม่มี ไม่มีข้อเสียใด ๆ ของการมีแฟกเตอร์กำลัง 1 แต่การติดตั้งอุปกรณ์ PFC ที่สมบูรณ์นั้นยากและมีค่าใช้จ่ายสูง

ดังนั้น บริษัทสาธารณูปโภคและบริษัทจำหน่ายไฟฟ้าพยายามทำให้แฟกเตอร์กำลังอยู่ในช่วง 0.9 ถึง 0.95 เพื่อสร้างระบบเศรษฐกิจ และช่วงนี้เพียงพอสำหรับระบบไฟฟ้า

หากวงจร AC มีโหลดเหนี่ยวนำสูง แฟกเตอร์กำลังอาจต่ำกว่า 0.8 และดึงกระแสจากแหล่งมากขึ้น

อุปกรณ์ปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังลดองค์ประกอบแบบเหนี่ยวนำและกระแสที่ดึงจากแหล่ง ทำให้ระบบมีประสิทธิภาพและป้องกันการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า

ทำไมต้องการการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลัง?

ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง พลังงานที่สูญเสียไปโดยโหลดสามารถคำนวณได้ง่ายๆ โดยการคูณแรงดันและกระแส และกระแสจะเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่ใช้ ดังนั้น การสูญเสียพลังงานโดยโหลดต้านทานจึงเป็นเชิงเส้น

ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ แรงดันและกระแสเป็นคลื่นไซนัส ดังนั้น ขนาดและทิศทางเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง พลังงานที่สูญเสียไปคือผลคูณของแรงดันและกระแสในขณะนั้น

หากวงจรไฟฟ้ากระแสสลับมีโหลดอุปกรณ์เหนี่ยวนำ เช่น ขดลวด คอยล์โซเลนอยด์ เทรนฟอร์เมอร์ กระแสจะไม่ตรงเฟสกับแรงดัน ในสถานการณ์นี้ พลังงานที่สูญเสียไปจริงๆ จะน้อยกว่าผลคูณของแรงดันและกระแส

เนื่องจากมีองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้นในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งมีทั้งความต้านทานและความต้านทานเหนี่ยวนำ ดังนั้น ในสถานการณ์นี้ ความแตกต่างของเฟสระหว่างกระแสและแรงดันมีความสำคัญในการคำนวณพลังงาน

สำหรับโหลดต้านทานบริสุทธิ์ แรงดันและกระแสจะอยู่ในเฟสเดียวกัน แต่สำหรับโหลดเหนี่ยวนำ กระแสจะตามหลังแรงดัน และสร้างความต้านทานเหนี่ยวนำ

ในสถานการณ์นี้ การปรับปรุงแฟคเตอร์กำลังเป็นสิ่งที่จำเป็นมากที่สุดเพื่อลดผลกระทบขององค์ประกอบเหนี่ยวนำและปรับปรุงแฟคเตอร์กำลังเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ

สูตรการปรับปรุงแฟคเตอร์กำลัง

พิจารณาโหลดเหนี่ยวนำที่เชื่อมต่อกับระบบและทำงานที่แฟคเตอร์กำลัง cosф1 เพื่อปรับปรุงแฟคเตอร์กำลัง เราต้องเชื่อมต่ออุปกรณ์ปรับปรุงแฟคเตอร์กำลังแบบขนานกับโหลด

แผนภาพวงจรของการจัดเรียงนี้แสดงไว้ด้านล่าง

ตัวอย่างการปรับปรุงแฟคเตอร์กำลัง

ตัวเก็บประจุให้ส่วนประกอบที่นำหน้าทางปฏิกิริยาและลดผลกระทบของส่วนประกอบที่ตามหลังทางปฏิกิริยา ก่อนที่จะเชื่อมต่อตัวเก็บประจุ กระแสโหลดคือ IL.

ตัวเก็บประจุใช้กระแส IC ที่นำหน้าแรงดันไฟฟ้า 90˚ และกระแสผลรวมของระบบคือ Ir มุมระหว่างแรงดัน V และ IR ลดลงเมื่อเทียบกับมุมระหว่าง V และ IL ดังนั้น แฟคเตอร์กำลัง cosф2 ได้รับการปรับปรุง

power factor correction phasor diagram

แผนภาพเฟเซอร์ในการแก้ไขแฟคเตอร์กำลัง

จากแผนภาพเฟเซอร์ข้างต้น ส่วนประกอบที่ตามหลังของระบบถูกลดลง ดังนั้น เพื่อเปลี่ยนแฟคเตอร์กำลังจาก ф1 เป็น ф2 กระแสโหลดถูกลดลงโดย IRsinф2.

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

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

ความจุของตัวเก็บประจุเพื่อปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังคือ

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

วงจรปรับปรุงแฟกเตอร์กำลัง

เทคนิคการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังส่วนใหญ่ใช้ตัวเก็บประจุหรือแบงค์ตัวเก็บประจุและคอนเดนเซอร์ซิงโครนัส ตามอุปกรณ์ที่ใช้ในการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลัง มีสามวิธีดังนี้

แบงค์ตัวเก็บประจุ
คอนเดนเซอร์ซิงโครนัส
เฟสแอดแวนเซอร์

การปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังโดยใช้แบงค์ตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุหรือแบงค์ตัวเก็บประจุมีความจุคงที่หรือปรับได้ สามารถเชื่อมต่อกับมอเตอร์เหนี่ยวนำ แผงกระจายพลังงาน หรือแหล่งจ่ายไฟหลัก

ตัวเก็บประจุค่าคงที่เชื่อมต่อกับระบบอย่างต่อเนื่อง ตัวเก็บประจุค่าแปรผันจะเปลี่ยนแปลงปริมาณ KVAR ตามความต้องการของระบบ

สำหรับการแก้ไขปัจจัยกำลัง ธนาคารตัวเก็บประจุใช้ในการเชื่อมต่อกับโหลด ถ้าโหลดเป็นโหลดสามเฟส ธนาคารตัวเก็บประจุสามารถเชื่อมต่อได้ทั้งแบบดาวและแบบดีลตา

ธนาคารตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบดีลตา

วงจรแผนภาพด้านล่างแสดงธนาคารตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบดีลตาพร้อมโหลดสามเฟส

delta connected capacitor bank

ธนาคารตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบดีลตา

ลองหาสมการของตัวเก็บประจุต่อเฟสเมื่อเชื่อมต่อแบบดีลตา ในการเชื่อมต่อแบบดีลตา แรงดันเฟส (VP) และแรงดันสาย (VL) เท่ากัน

$V_P = V_L$

ความจุต่อเฟส (C∆) กำหนดให้เป็น

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

ธนาคารคอนเดนเซอร์เชื่อมต่อแบบดาว

วงจรด้านล่างแสดงธนาคารคอนเดนเซอร์เชื่อมต่อแบบดาวพร้อมโหลดสามเฟส

ธนาคารคอนเดนเซอร์เชื่อมต่อแบบดาว

ในการเชื่อมต่อแบบดาว ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันเฟส (VP) และแรงดันไลน์ (VL) คือ

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

ความจุต่อเฟส (CY) กำหนดให้เป็น;

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

จากสมการดังกล่าว;

$C_Y = 3 C_\Delta$

นั่นหมายความว่าความจุที่ต้องการในวงจรดาวคือสามเท่าของความจุที่ต้องการในวงจรเดลตา และนอกจากนี้แรงดันเฟสในการทำงานคือ 1/√3 เท่าของแรงดันเส้น

ดังนั้นธนาคารคอนเดนเซอร์ที่เชื่อมต่อแบบเดลตาเป็นการออกแบบที่ดีและนี่คือเหตุผลที่ในระบบไฟฟ้าสามเฟส ธนาคารคอนเดนเซอร์ที่เชื่อมต่อแบบเดลตาถูกใช้งานมากกว่าในเครือข่าย

การปรับปรุงปัจจัยกำลังโดยใช้คอนเดนเซอร์ซิงโครนัส

เมื่อเครื่องยนต์ซิงโครนัสถูกกระตุ้นเกิน จะนำกระแสนำหน้าและทำหน้าที่เหมือนกับคอนเดนเซอร์ เครื่องยนต์ซิงโครนัสที่ถูกกระตุ้นเกินและทำงานโดยไม่มีโหลดเรียกว่าคอนเดนเซอร์ซิงโครนัส

เมื่อเครื่องจักรประเภทนี้เชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้า มันจะดึงกระแสไฟฟ้าที่นำหน้า และปรับปรุงค่ากำลังของระบบ การเชื่อมต่อแผนภาพของคอนเดนเซอร์ซิงโครนัสกับระบบไฟฟ้าแสดงอยู่ในรูปภาพด้านล่าง

power factor correction using synchronous condenser

การปรับปรุงค่ากำลังโดยใช้คอนเดนเซอร์ซิงโครนัส

เมื่อโหลดมีส่วนประกอบของพลังงานปฏิกิริยา มันจะดึงกระแสไฟฟ้าที่ตามหลังจากระบบ เพื่อชดเชยกระแสไฟฟ้า ใช้อุปกรณ์นี้เพื่อดึงกระแสไฟฟ้าที่นำหน้า

synchronous condenser phasor diagram

แผนภาพเฟสเซอร์ของคอนเดนเซอร์ซิงโครนัส

ก่อนที่คอนเดนเซอร์ซิงโครนัสจะเชื่อมต่อ กระแสไฟฟ้าที่โหลดดึงคือ IL และค่ากำลังคือ фL

เมื่อคอนเดนเซอร์ซิงโครนัสเชื่อมต่อ มันจะดึงกระแสไฟฟ้า Im ในสถานะนี้ กระแสไฟฟ้าผลรวมคือ I และค่ากำลังคือ фm

จากแผนภาพเฟสเซอร์ เราสามารถเปรียบเทียบมุมค่ากำลัง (фL และ фm) และ фm น้อยกว่า фL ดังนั้น cosфm จะมากกว่า cosфL

วิธีปรับปรุงค่ากำลังประเภทนี้ถูกใช้ที่สถานีจ่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่เนื่องจากข้อดีดังต่อไปนี้

ความแรงของกระแสไฟฟ้าที่มอเตอร์ดึงเข้ามาเปลี่ยนแปลงโดยการปรับค่าสนามแม่เหล็ก
การแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นในระบบเป็นเรื่องง่าย
ความเสถียรทางความร้อนของวงจรขดลวดมอเตอร์สูง ดังนั้นจึงเป็นระบบที่เชื่อถือได้สำหรับกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการป้อนวงจรลัดวงจร

Phase Advancer

มอเตอร์เหนี่ยวนำจะดึงกระแสไฟฟ้าชนิดปฏิบัติการเนื่องจากกระแสไฟฟ้าเพื่อการกระตุ้น หากใช้แหล่งกำเนิดพลังงานอื่น ๆ เพื่อให้กระแสไฟฟ้าเพื่อการกระตุ้น วงจรขดลวดสเตเตอร์จะไม่มีกระแสไฟฟ้าเพื่อการกระตุ้น และสามารถปรับปรุงค่าพลังงานของมอเตอร์ได้

การจัดเรียงนี้สามารถทำได้โดยใช้ Phase Advancer Phase Advancer เป็น AC Exciter ที่ง่ายซึ่งติดตั้งบนแกนเดียวกันกับมอเตอร์และเชื่อมต่อกับวงจรโรเตอร์ของมอเตอร์

มันให้กระแสไฟฟ้าเพื่อการกระตุ้นไปยังวงจรโรเตอร์ที่ความถี่ของการลื่นไถล ถ้าคุณให้กระแสไฟฟ้าเพื่อการกระตุ้นมากกว่าที่จำเป็น มอเตอร์เหนี่ยวนำสามารถทำงานที่ค่าพลังงานนำหน้า

ข้อเสียเพียงอย่างเดียวของ Phase Advancer คือ มันไม่คุ้มค่าสำหรับมอเตอร์ขนาดเล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งต่ำกว่า 200 HP

การปรับปรุงค่าพลังงานแบบแอคทีฟ

การปรับปรุงค่าพลังงานแบบแอคทีฟให้การควบคุมค่าพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยทั่วไปแล้วใช้ในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่มากกว่า 100W

วงจรการปรับปรุงค่าพลังงานประเภทนี้ประกอบด้วยองค์ประกอบการสวิตชิงความถี่สูง เช่น ไดโอด SCR (สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน) องค์ประกอบเหล่านี้เป็นองค์ประกอบที่แอคทีฟ ดังนั้นวิธีนี้จึงเรียกว่าวิธีการปรับปรุงค่าพลังงานแบบแอคทีฟ

ในการปรับปรุงค่าพลังงานแบบพาสซีฟ องค์ประกอบที่เป็นปฏิกริยา เช่น คาปาซิเตอร์และอินดักเตอร์ที่ใช้ในวงจรไม่ได้ควบคุม เนื่องจากวงจรการปรับปรุงค่าพลังงานแบบพาสซีฟไม่ใช่อุปกรณ์ควบคุมและองค์ประกอบการสวิตชิง

เนื่องจากองค์ประกอบการสวิตชิงและความถี่สูงที่ใช้ในวงจร ทำให้ค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนของวงจรเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับวงจรการปรับปรุงค่าพลังงานแบบพาสซีฟ

แผนภาพวงจรด้านล่างแสดงองค์ประกอบพื้นฐานของวงจรการปรับปรุงค่าพลังงานแบบแอคทีฟ

การปรับปรุงปัจจัยกำลังไฟฟ้าแบบแอคทีฟ

เพื่อควบคุมพารามิเตอร์ของวงจร ใช้หน่วยควบคุมในวงจร โดยวัดแรงดันและกระแสเข้า และปรับเวลาสวิตช์และอัตราส่วนการทำงานในเฟสแรงดันและกระแส

อินดักเตอร์ L ถูกควบคุมโดยสวิตช์แบบโซลิดสเตต Q หน่วยควบคุมใช้ในการควบคุม (เปิดและปิด) สวิตช์แบบโซลิดสเตต Q

เมื่อสวิตช์เปิด อินดักเตอร์กระแสจะเพิ่มขึ้น ∆I+ แรงดันผ่านอินดักเตอร์จะเปลี่ยนขั้วและปล่อยพลังงานสะสมผ่านไดโอด D1 ไปยังโหลด

เมื่อสวิตช์ปิด อินดักเตอร์กระแสจะลดลง ∆I– การเปลี่ยนแปลงรวมในหนึ่งรอบคือ ∆I = ∆I+ – ∆I– เวลาเปิดและปิดสวิตช์ถูกควบคุมโดยหน่วยควบคุมโดยการเปลี่ยนอัตราส่วนการทำงาน

ด้วยการเลือกอัตราส่วนการทำงานอย่างเหมาะสม เราสามารถได้รูปร่างของกระแสที่ต้องการไปยังโหลด

วิธีการกำหนดขนาดการปรับปรุงปัจจัยกำลังไฟฟ้า?

ในการกำหนดขนาดการปรับปรุงปัจจัยกำลังไฟฟ้า เราต้องคำนวณความต้องการของกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยา (KVAR) และเชื่อมต่อความจุที่เหมาะสมกับระบบเพื่อตอบสนองความต้องการของกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยา

มีสองวิธีในการหาความต้องการของ KVAR

วิธีการคูณตาราง
วิธีการคำนวณ

ตามชื่อที่ระบุ ในวิธีการคูณตาราง เราสามารถหาค่าคงที่คูณได้จากตาราง เราสามารถหา KVAR ที่ต้องการโดยการคูณค่าคงที่กับกำลังไฟฟ้าขาเข้า

table multiplier method

วิธีการคูณตาราง

ในการคำนวณ เราต้องคำนวณตัวคูณตามตัวอย่างด้านล่าง

ตัวอย่าง:

มอเตอร์เหนี่ยวนำขนาด 10 กิโลวัตต์ มีฟัคเตอร์พาวเวอร์ 0.71 หน่วง หากเราต้องการให้มอเตอร์ทำงานที่ฟัคเตอร์พาวเวอร์ 0.92 ขนาดของคาปาซิเตอร์จะเป็นเท่าใด?

กำลังขาเข้า = 10 กิโลวัตต์
ฟัคเตอร์พาวเวอร์จริง (cos фA) = 0.71
ฟัคเตอร์พาวเวอร์ที่ต้องการ (cos фR) = 0.92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

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

KVAR ที่ต้องการ = พลังงานขาเข้า x ค่าคงที่คูณ

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

ดังนั้น จำเป็นต้องใช้พลังงานปฏิสัมพันธ์ 5.658 KVAR เพื่อปรับปรุงค่ากำลังป้อนจาก 0.71 เป็น 0.92 และตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อกับระบบมีความจุ 5.658 KVAR

การใช้งานในการปรับปรุงค่ากำลังป้อน

ในเครือข่ายระบบไฟฟ้า ค่ากำลังป้อนมีบทบาทสำคัญมากในการควบคุมและบริหารจัดการระบบ มันกำหนดประสิทธิภาพของการจ่ายไฟฟ้า

หากไม่มีการปรับปรุงค่ากำลังป้อน โหลดจะดึงกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่จากแหล่งกำเนิด ซึ่งทำให้เกิดความสูญเสียและเพิ่มค่าใช้จ่ายของพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์ PFC พยายามทำให้คลื่นกระแสและแรงดันอยู่ในเฟสเดียวกัน ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ
ในเครือข่ายการส่งผ่าน ค่ากำลังป้อนสูงเป็นสิ่งจำเป็น เนื่องจากค่ากำลังป้อนสูง ความสูญเสียของสายส่งจะลดลงและช่วยปรับปรุงการควบคุมแรงดัน
มอเตอร์เหนี่ยวนำถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม เพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงและความสามารถในการทำงานของมอเตอร์ ตัวเก็บประจุถูกใช้เพื่อลดผลกระทบของพลังงานปฏิสัมพันธ์
อุปกรณ์ PFC ลดการสร้างความร้อนในสายเคเบิล อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลง ฯลฯ
เนื่องจากประสิทธิภาพของเครือข่ายสูง เราจำเป็นต้องผลิตพลังงานน้อยลง ซึ่งลดการปล่อยคาร์บอนเข้าสู่บรรยากาศ
การลดแรงดันโดยใช้อุปกรณ์ PFC ร่วมกับระบบจะลดลงอย่างมาก

คำกล่าว: ให้ความเคารพ บทความที่ดีควรแชร์ หากมีการละเมิดโปรดติดต่อลบ

ให้ทิปและสนับสนุนผู้เขียน

หัวข้อ:

ระบบไฟฟ้า

การส่งผ่าน

เกี่ยวกับผู้เชี่ยวชาญ

Electrical4u

China