Hvad er effektfaktor: Forbedring, formel og definition

Hvad er effektfaktor?

I elektrisk teknik defineres effektfaktoren (PF) af et AC strømsystem som forholdet mellem den arbejdsdygtige effekt (målt i kilowatt, kW), der absorberes af belastningen, og den synlige effekt (målt i kilovoltampere, kVA), der flyder gennem kredsløbet. Effektfaktoren er en dimensionløs tal i det lukkede interval fra -1 til 1.

Den "ideale" effektfaktor er én (også kendt som "enighed"). Dette er, når der ikke er nogen reaktiv effekt i kredsløbet, og derfor er den synlige effekt (kVA) lig med den virkelige effekt (kW). En belastning med en effektfaktor på 1 er den mest effektive belastning af forsyningskilden.

Det skal dog bemærkes, at dette ikke er realistisk, og effektfaktoren vil i praksis være mindre end 1. Forskellige effektfaktorkorrektions metoder anvendes for at hjælpe med at øge effektfaktoren til denne ideale tilstand.

For at forklare dette bedre, lad os trække et skridt tilbage og tale om, hvad effekt er.

Effekt er kapaciteten til at udføre arbejde. I det elektriske domæne er elektrisk effekt mængden af elektrisk energi, der kan overføres til en anden form (varme, lys osv.) per tidsenhed.

Matematisk set er effektfaktoren produktet af spændingsfald over elementet og strøm, der flyder igennem det.

Overvej først de DC-kredsløb, der kun har DC spændingskilder, induktorer og kondensatorer opfører sig som kortslutninger og åbne kredsløb henholdsvis i stabiltilstand.

Derfor opfører hele kredsløbet sig som et resistivt kredsløb, og hele den elektriske effekt dissiperes i form af varme. Her er spændingen og strømmen i samme fase, og den totale elektriske effekt er givet ved:

Nu kommer vi til AC-kredsløbet, hvor både induktorer og kondensatorer tilbyder en vis impedans givet ved:

Induktoren lagrer elektrisk energi i form af magnetisk energi, og kondensatoren lagrer elektrisk energi i form af elektrostatisk energi. Ingen af dem dissipere den. Desuden er der en faseforskydning mellem spænding og strøm.

Når vi betragter hele kredsløbet, der består af en modstand, induktor og kondensator, findes der en vis fasedeforskell mellem kildespændingen og strømmen.

Cosinus af denne fasedeforskell kaldes elektrisk effektfaktor. Denne faktor (-1 < cosφ < 1 ) repræsenterer brøkdelen af den totale effekt, der bruges til at udføre nyttigt arbejde.

Den anden brøkdel af den elektriske effekt lagres i form af magnetisk energi eller elektrostatisk energi i induktoren og kondensatoren henholdsvis.

Den totale effekt i dette tilfælde er:

Dette kaldes synlig effekt, og dens enhed er VA (Volt-Amp) og betegnes med 'S'. Brøkdelen af denne totale elektriske effekt, der udfører vores nyttige arbejde, kaldes aktiv effekt. Vi betegner den med 'P'.

P = Aktiv effekt = Total elektrisk effekt.cosφ, og dens enhed er watt.

Den anden brøkdel af effekten kaldes reaktiv effekt. Reactiv effekt udfører ingen nyttigt arbejde, men den er nødvendig for at aktivt arbejde kan udføres. Vi betegner den med 'Q' og matematisk er den givet ved:

Q = Reactiv effekt = Total elektrisk effekt.sinφ, og dens enhed er VAR (Volt-Amp Reactive). Denne reaktiv effekt oscillerer mellem kilde og belastning. For at forstå dette bedre, er alle disse effekter repræsenteret i form af en trekant.

Matematisk set, S2 = P2 + Q2, og den elektriske effektfaktor er aktiv effekt / synlig effekt.

Effektfaktorforbedring

Udtrykket effektfaktor kommer kun i billedet i AC-kredsløb. Matematisk set er det cosinus af fasedeforskellen mellem kildespændingen og strømmen. Det refererer til brøkdelen af den totale effekt (synlig effekt), der anvendes til at udføre det nyttige arbejde, kaldet aktiv effekt.

Begrundelse for effektfaktorforbedring

• Aktiv effekt er givet ved P = VIcosφ. Den elektriske strøm er invers proportional til cosφ for at overføre en given mængde effekt ved en bestemt spænding. Jo højere effektfaktor, jo lavere vil strømmen være. En lille strøm kræver mindre tværsnit af ledere, og dermed spares ledere og penge.

• Fra ovenstående relation ser vi, at en dårlig effektfaktor øger strømmen, der flyder i en leder, og dermed stiger koppartabene. En stor spændingsnedgang forekommer i alternator, elektrisk transformer og transmissions- og distributionslinjer – hvilket giver meget dårlig spændingsregulering.

• KVA-rangeringen af maskiner reduceres også ved at have en højere effektfaktor, ifølge formlen:

Derfor reduceres størrelsen og kostprisen af maskinen.

Dette er grunden til, at den elektriske effektfaktor bør holdes tæt på enhed – det er betydeligt billigere.

Metoder til effektfaktorforbedring

Der er tre hovedmetoder til at forbedre effektfaktoren:

• Kondensatorbanker

• Synkron kondensatorer

• Faseadvancere

Kondensatorbanker

At forbedre effektfaktoren betyder at reducere fasedeforskellen mellem spænding og strøm. Da de fleste belastninger er af induktiv natur, kræver de en vis mængde reaktiv effekt for at fungere.

En kondensator eller bank af kondensatorer installeret parallel med belastningen leverer denne reaktive effekt. De fungerer som en lokal kilde til reaktiv effekt, og dermed flyder mindre reaktiv effekt gennem linjen.

Kondensatorbanker reducerer fasedeforskellen mellem spændingen og strømmen.

Synkron kondensatorer

Synkron kondensatorer er 3-fasede synkrone motorer uden belastning monteret på deres akse.