Co je koeficient využití: Zlepšení, vzorec a definice

Co je faktor výkonu?

V elektrotechnice je faktor výkonu (faktor výkonu, FF) střídavého elektrického systému definován jako poměr pracovního výkonu (měřeného v kilowattech, kW), který spotřebič absorbuje, k zdánlivému výkonu (měřenému v kilovoltampech, kVA) proudu, který prochází obvodem. Faktor výkonu je bezrozměrné číslo v uzavřeném intervalu od −1 do 1.

„Ideální“ faktor výkonu je jeden (také označovaný jako „jednotka“). To znamená, že v obvodu není žádný reaktivní výkon a tedy zdánlivý výkon (kVA) je roven skutečnému výkonu (kW). Spotřebič s faktorem výkonu 1 je nejefektivnější zatěžování zdroje.

Nicméně toto není realistické a faktor výkonu v praxi bude méně než 1. Používají se různé techniky vyššího faktoru výkonu, aby byl faktor výkonu zlepšen na tento ideální stav.

Abychom to lépe vysvětlili, uvažme, co vlastně výkon je.

Výkon je schopnost provádět práci. V elektrotechnické doméně je elektrický výkon množstvím elektrické energie, které lze převést na jinou formu (teplo, světlo atd.) za jednotku času.

Matematicky je faktor výkonu součinem napěťového spádu na prvku a proudem, který tímto prvkem prochází.

Uvažujme nejprve obvody s konstantním proudem, které mají pouze zdroje konstantního napětí. Cívečky a kapacity se v ustáleném stavu chovají jako krátké a otevřené obvody.

Celý obvod se chová jako rezistivní obvod a celá elektrická energie se rozptýluje ve formě tepla. Zde jsou napětí a proud ve stejné fázi a celkový elektrický výkon je dán:

Teď se podívejme na obvod s proměnným proudem, kde jak cívka, tak kondenzátor nabízejí určitou hodnotu impedancí danou:

Cívka ukládá elektrickou energii ve formě magnetické energie a kondenzátor ukládá elektrickou energii ve formě elektrostatické energie. Žádný z nich ji neodvádí. Dále existuje fázový posun mezi napětím a proudem.

Když zvážíme celý obvod složený z rezistoru, cívky a kondenzátoru, existuje nějaký fázový rozdíl mezi zdrojovým napětím a proudem.

Kosinus tohoto fázového rozdílu se nazývá elektrický faktor výkonu. Tento faktor (-1 < cosφ < 1) představuje zlomek celkového výkonu, který se používá k provedení užitečné práce.

Druhý zlomek elektrického výkonu je uložen ve formě magnetické energie nebo elektrostatické energie v cívce a kondenzátoru.

Celkový výkon v tomto případě je:

Toto se nazývá zdánlivý výkon a jeho jednotkou je VA (voltampér) a označuje se ‘S’. Zlomek tohoto celkového elektrického výkonu, který provádí užitečnou práci, se nazývá aktivní výkon. Označujeme ho jako ‘P’.

P = Aktivní výkon = Celkový elektrický výkon.cosφ a jeho jednotkou je watt.

Druhý zlomek výkonu se nazývá reaktivní výkon. Reactivní výkon neprovádí žádnou užitečnou práci, ale je potřebný pro provedení aktivní práce. Označujeme ho ‘Q’ a matematicky je dán:

Q = Reactivní výkon = Celkový elektrický výkon.sinφ a jeho jednotkou je VAR (voltampér reaktivní). Tento reaktivní výkon osciluje mezi zdrojem a spotřebičem. Abychom to lépe pochopili, všechny tyto výkony jsou reprezentovány v podobě trojúhelníku.

Matematicky, S2 = P2 + Q2, a elektrický faktor výkonu je aktivní výkon / zdánlivý výkon.

Zlepšení faktoru výkonu

Termín faktor výkonu se objevuje pouze v obvodech s proměnným proudem. Matematicky je to kosinus fázového rozdílu mezi zdrojovým napětím a proudem. Odkazuje na zlomek celkového výkonu (zdánlivý výkon), který se využívá k provedení užitečné práce, tzv. aktivní výkon.

Potřeba zlepšení faktoru výkonu

• Aktivní výkon je dán P = VIcosφ. Elektrický proud je nepřímo úměrný cosφ pro přenos daného množství výkonu při určitém napětí. Vyšší faktor výkon znamená nižší proud. Malý proud vyžaduje menší průřez vodičů a tím se ušetří vodiče a peníze.

• Z výše uvedeného vztahu vidíme, že špatný faktor výkon zvyšuje proud v vodiči, což způsobuje zvýšení ztrát v mědi. Velký pokles napětí nastává v alternátoru, elektrickém transformátoru a přenosových a distribučních článcích – což dává velmi špatnou regulaci napětí.

• KVA hodnota strojů se také snižuje díky vyššímu faktoru výkonu, podle vzorce:

Tedy se snižuje i velikost a cena stroje.

Proto by faktor výkonu měl být udržován blízko jednotky – je to značně levnější.

Způsoby zlepšení faktoru výkonu

Existuje tři hlavní způsoby, jak zlepšit faktor výkonu:

• Kondenzátorové banky

• Synchrónní kondenzery

• Fázové posuvné

Kondenzátorové banky

Zlepšení faktoru výkonu znamená snížení fázového rozdílu mezi napětím a proudem. Protože většina spotřebičů má induktivní povahu, potřebují nějaké množství reaktivního výkonu, aby mohly fungovat.

Kondenzátor nebo banka kondenzátorů nainstalovaná paralelně k spotřebiči poskytuje tento reaktivní výkon. Slouží jako zdroj lokálního reaktivního výkonu, a tedy méně reaktivního výkonu prochází linkou.