Корекція коефіцієнту ефективності: що це? (Формула, схема та банки конденсаторів)

Поле: Основи електротехніки

China

що таке корекція коефіцієнта ефективності

Що таке корекція коефіцієнта ефективності?

Корекція коефіцієнта ефективності (також відома як PFC або покращення коефіцієнта ефективності) — це техніка, яка використовується для підвищення коефіцієнта ефективності AC-сполучень шляхом зменшення реактивної потужності у сполученні. Мета методів корекції коефіцієнта ефективності полягає у збільшенні ефективності сполучення та зменшенні струму, що споживається навантаженням.

Зазвичай, для зменшення індуктивних елементів (а отже, і реактивної потужності) у сполученнях використовуються конденсатори та синхронні двигуни. Ці методи не призначені для збільшення величини дійсної потужності, а лише для зменшення видимої потужності.

Іншими словами, це зменшує фазовий зсув між напругою та струмом. Таким чином, це намагається підтримувати коефіцієнт ефективності близько до одиниці. Найекономічніша величина коефіцієнта ефективності становить від 0,9 до 0,95.

Тепер виникає питання, чому найекономічніша величина коефіцієнта ефективності становить 0,95, а не одиничний коефіцієнт ефективності? Чи є якісь недоліки у одиничному коефіцієнті ефективності?

НІ. Немає жодного недоліку у одиничному коефіцієнті ефективності. Але встановлення обладнання з одиничним коефіцієнтом ефективності є складним та дорогим.

Тому компанії, що надають послуги електропостачання, намагаються забезпечити коефіцієнт ефективності в діапазоні від 0,9 до 0,95, щоб створити економічну систему. І цей діапазон достатньо хороший для електроенергетичної системи.

Якщо AC-сполучення має високе індуктивне навантаження, коефіцієнт ефективності може бути нижче 0,8. Він споживає більше струму від джерела.

Обладнання для корекції коефіцієнта ефективності зменшує індуктивні елементи та струм, що споживається від джерела. Це призводить до ефективної системи та запобігає втратам електроенергії.

Чому потрібна корекція коефіцієнта ефективності?

У постійних електричних колах потужність, розсіяна навантаженням, просто обчислюється шляхом множення напруги на струм. Струм пропорційний прикладеній напрузі. Тому розсіяння потужності резистивним навантаженням є лінійним.

У змінних електричних колах напруга та струм є синусоїдальними хвилами. Тому величина та напрямок постійно змінюються. В певний момент часу розсіяна потужність є результатом множення напруги та струму в цей момент.

Якщо у змінному електричному колі є індуктивні навантаження, такі як: обмотки, котушки, соленоїди, трансформатори, струм не співпадає за фазою з напругою. У таких умовах фактична розсіяна потужність менша, ніж добуток напруги та струму.

Завдяки нелінійним елементам у змінних електричних колах, вони містять як опір, так і реактивне опору. Тому у таких умовах важливо враховувати різницю фаз між струмом та напругою при обчисленні потужності.

Для чистого резистивного навантаження напруга та струм є однофазними. Але для індуктивного навантаження струм запізає від напруги. І це створює індуктивне реактивне опору.

У таких умовах найбільш необхідне коригування коефіцієнта ефективності, щоб знизити вплив індуктивного елементу та покращити коефіцієнт ефективності, щоб збільшити ефективність системи.

Формула коригування коефіцієнта ефективності

Розглянемо, що індуктивне навантаження підключене до системи і працює з коефіцієнтом ефективності cosφ1. Для покращення коефіцієнта ефективності необхідно підключити обладнання для коригування коефіцієнта ефективності паралельно до навантаження.

Схема цього приладу показана на нижньому малюнку.

приклад коригування коефіцієнта ефективності

Конденсатор поставляє передній реактивний компонент і зменшує ефект запізнювального реактивного компонента. Перед підключенням конденсатора струм навантаження становить IL.

Конденсатор приймає струм IC, який випереджає напругу на 90˚. Результативний струм системи становить Ir. Кут між напругою V та IR зменшується порівняно з кутом між V та IL. Тому коефіцієнт ефективності cosф2 покращується.

power factor correction phasor diagram

Діаграма фазового корегування коефіцієнта ефективності

Згідно з вищезазначеною діаграмою фаз, запізнювальний компонент системи зменшується. Тому, щоб змінити коефіцієнт ефективності з ф1 на ф2, струм навантаження зменшується на IRsinф2.

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

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

Ємність конденсатора для покращення коефіцієнта ефективності є такою:

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

Схема корекції коефіцієнта ефективності

Техніки корекції коефіцієнта ефективності переважно використовують конденсатор або банк конденсаторів та синхронний конденсер. Залежно від обладнання, яке використовується для корекції коефіцієнта ефективності, існує три методи:

Банк конденсаторів
Синхронний конденсер
Фазозміщувач

Корекція коефіцієнта ефективності за допомогою банку конденсаторів

Конденсатор або банк конденсаторів можна під'єднати з фіксованою або змінною ємністю. Його підключають до індукційного двигуна, розподільчої панелі або основного живлення.

Конденсатор зі сталою ємністю постійно під'єднаний до системи. Змінна ємність змінює кількість КВАР відповідно до потреб системи.

Для корекції коефіцієнта ефективності використовується банк конденсаторів, який під'єднується до навантаження. Якщо навантаження є трифазним, банк конденсаторів може бути під'єднаний у зірковому або трикутному з'єднанні.

Банк конденсаторів у трикутному з'єднанні

Нижче показана схема банку конденсаторів у трикутному з'єднанні з трифазним навантаженням.

delta connected capacitor bank

Банк конденсаторів у трикутному з'єднанні

Знайдемо рівняння для ємності на фазу, коли вона під'єднана у трикутному з'єднанні. У трикутному з'єднанні напруга фази (VP) і лінійна напруга (VL) однакові.

$V_P = V_L$

Ємність на фазу (C∆) визначається так:

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

Зірчасто підключений банк конденсаторів

Нижче представлений схематичний діаграма зірчастого підключення банку конденсаторів з трьохфазним навантаженням.

Зірчасто підключений банк конденсаторів

У зірчастому підключенні співвідношення між фазовим напругом (VP) та лінійним напругом (VL) є наступним:

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

Капацітна фази (CY) визначається як;

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

З цих рівнянь;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Це означає, що капацітність, необхідна для зіркового з'єднання, утричі більша, ніж капацітність, необхідна для трикутного з'єднання. Також, напруга фази при роботі становить 1/√3 від лінійної напруги.

Тому, банк конденсаторів, підключений трикутником, є добре спроектованим і саме тому, у трьохфазному з'єднанні, банк конденсаторів, підключений трикутником, використовується частіше в мережі.

Вирівнювання коефіцієнту ефективності за допомогою синхронного конденсатора

Коли синхронний двигун перевозбуджується, він приймає передній струм і поводиться як конденсатор. Перевозбуджений синхронний двигун, який працює без навантаження, називається синхронним конденсатором.

Коли цей тип машини під'єднаний паралельно до живлення, він споживає струм з опереженням. І покращує коефіцієнт ефективності системи. Схема з'єднання синхронного конденсатора з живленням показана на нижньому рисунку.

power factor correction using synchronous condenser

Покращення коефіцієнта ефективності за допомогою синхронного конденсатора

Коли навантаження має реактивну складову, воно забирає запізнюваний струм з системи. Для нейтралізації струму цей пристрій використовується для забирати струм з опереженням.

synchronous condenser phasor diagram

Фазова діаграма синхронного конденсатора

Перед підключенням синхронного конденсатора, струм, що забирається навантаженням, становить IL, а коефіцієнт ефективності — фL.

Після підключення синхронного конденсатора, він забирає струм Im. У цьому стані, результативний струм становить I, а коефіцієнт ефективності — фm.

З фазової діаграми, ми можемо порівняти обидва кута коефіцієнта ефективності (фL і фm). І фm менший за фL. Тому, cosфm більший за cosфL.

Цей метод покращення коефіцієнта ефективності використовується на великих пунктах живлення через наступні переваги.

Потужність струму, що споживається мотором, змінюється за рахунок зміни підсвічування поля.
Зневадження виниклих у системі несправностей є простим завданням.
Теплова стабільність обмотки мотора висока. Тому це надійна система для короткозамкнених струмів.

Фазовий передвищувач

Індукційний двигун споживає реактивний струм через струм підсвічування. Якщо інший джерело використовується для забезпечення струму підсвічування, то обмотка статора вільна від струму підсвічування. І коефіцієнт ефективності двигуна може бути покращений.

Цей варіант можна реалізувати за допомогою фазового передвищувача. Фазовий передвищувач - це простий альтернативний генератор, який монтується на тій же осі, що і двигун, і підключений до кола ротора двигуна.

Він забезпечує струм підсвічування до кола ротора на частоті прослизтя. Якщо надати більше струму підсвічування, ніж потрібно, індукційний двигун може працювати з опережаючим коефіцієнтом ефективності.

Єдиним недоліком фазового передвищувача є те, що він не є економічним для малих двигунів, особливо нижче 200 к.с.

Активне вирівнювання коефіцієнта ефективності

Активне вирівнювання коефіцієнта ефективності забезпечує більш ефективний контроль коефіцієнта ефективності. Зазвичай використовується в проектуванні живлення для більше ніж 100 Вт.

Цей тип схеми вирівнювання коефіцієнта ефективності складається з високочастотних переключників, таких як діоди, SCR (переключники силової електроніки). Ці елементи є активними елементами. Тому цей метод називається активним методом вирівнювання коефіцієнта ефективності.

У пасивному вирівнюванні коефіцієнта ефективності, реактивні елементи, такі як конденсатори та індуктори, використовуються в схемі без контролю. Оскільки пасивна схема вирівнювання коефіцієнта ефективності не використовує жодного блоку управління та переключників.

Завдяки використанню високочастотних переключників та блоку управління, вартість та складність схеми зростають порівняно з пасивною схемою вирівнювання коефіцієнта ефективності.

Нижче представлена схема, яка показує основні елементи активної схеми вирівнювання коефіцієнта ефективності.

активна корекція коефіцієнта ефективності

Активна корекція коефіцієнта ефективності

Для керування параметрами схеми використовується блок керування, який вимірює входне напругу та струм. Він регулює час комутації та коефіцієнт заповнення фазного напруги та струму.

Індуктивність L керується за допомогою твердотільного ключа Q. Блок керування використовується для управління (ввімкнення та вимкнення) твердотільного ключа Q.

Коли ключ увімкнений, струм через індуктор збільшується на ∆I+. Напруга на індукторі змінює полярність та віддає накопичену енергію через діод D1 до навантаження.

Коли ключ вимкнений, струм через індуктор зменшується на ∆I–. Загальна зміна протягом одного циклу становить ∆I = ∆I+ – ∆I–. Час ввімкнення та вимкнення ключа контролюється блоком керування шляхом зміни коефіцієнта заповнення.

Правильним вибором коефіцієнта заповнення можна отримати бажану форму струму, що подається до навантаження.

Як визначити розмір корекції коефіцієнта ефективності?

Для визначення розміру корекції коефіцієнта ефективності потрібно обчислити потребу в реактивній потужності (KVAR). І ми підключаємо такий розмір ємності до системи, щоб задовольнити потребу в реактивній потужності.

Існує два способи визначення потреби в KVAR.

Метод множника таблиці
Метод обчислення

Як вказує назва, метод множника таблиці передбачає пряме знаходження константи множника з таблиці. Необхідний KVAR можна знайти, помноживши константу на вхідну потужність.

table multiplier method

Метод множника таблиці

У методі розрахунку нам потрібно обчислити множник, як показано в наступному прикладі.

Приклад:

Індукційний двигун потужністю 10 кВт має коефіцієнт ефективності 0,71 з затримкою. Якщо нам потрібно запустити цей двигун при коефіцієнті ефективності 0,92, який буде розмір конденсатора?

Вхідна потужність = 10 кВт
Фактичний коефіцієнт ефективності (cos фA) = 0,71
Необхідний коефіцієнт ефективності (cos фR) = 0,92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

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

Необхідний KVAR = Вхідна потужність x Множник

$КВАР = 10 \times 0.5658$

$КВАР = 5.658$

Тому, для покращення коефіцієнту ефективності з 0.71 до 0.92 потрібна реактивна потужність 5.658 КВАР. І конденсатор, підключений до системи, має ємність 5.658 КВАР.

Застосування корекції коефіцієнта ефективності

У мережі електропостачання коефіцієнт ефективності відіграє найважливішу роль у якості та управлінні системою. Він визначає ефективність електропостачання.

Без корекції коефіцієнта ефективності, навантаження витягує великі значення струму з джерела. Це збільшує втрати та вартість електроенергії. Обладнання для корекції коефіцієнта ефективності намагається зробити хвилі струму та напруги синфазними. Це збільшить ефективність системи.
У мережі передачі необхідний високий коефіцієнт ефективності. Завдяки високому коефіцієнту ефективності, втрати на лініях передачі зменшуються, а регулювання напруги покращується.
Індукційний двигун широко використовується в промисловості. Для запобігання перегріву та підвищення ефективності двигуна, використовуються конденсатори для зниження впливу реактивної потужності.
Обладнання для корекції коефіцієнта ефективності зменшує тепловиділення в кабелях, комутаційному обладнанні, генераторах, трансформаторах тощо.
Завдяки високій ефективності мережі, нам потрібно генерувати менше енергії. Це зменшує викиди вуглекислого газу в атмосферу.
Використання обладнання для корекції коефіцієнта ефективності зі системою значно зменшує падіння напруги.

Заява: Поважайте оригінал, хороші статті варто поширювати, у разі порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.

Дайте гонорар та підтримайте автора

Теми:

Енергетичні системи

Передача

Про експертів

Electrical4u

China