Mi a teljesítménytényező?
Az elektrotechnikában az AC elektromos energia rendszerének teljesítménytényezője (PF) a terhelés által felvett munkaerő (kilowattban mért, kW) és a körben áramló látszólagos erő (kilovoltampereban mért, kVA) arányaként van definiálva. A teljesítménytényező dimenziótlan szám, amely zárt intervallumon (-1 és 1 között) helyezkedik el.
A „ideális” teljesítménytényező egy (más néven „egység”). Ez akkor áll fenn, ha a körben nincs reaktív erő, és így a látszólagos erő (kVA) megegyezik a valós erővel (kW). Egy 1-es teljesítménytényezőjű terhelés a leghatékonyabb ellátás.
Ez azonban nem realista, és a gyakorlatban a teljesítménytényező mindig 1-nél kisebb lesz. Különböző teljesítménytényező javítási technikák használatosak ennek az ideális állapotnak a megvalósításához.
Hogy jobban megértsük ezt, lépjünk vissza egy pillanatra, és beszéljünk arról, mi az a teljesítmény.
A teljesítmény a munkavégzés képessége. Az elektromos tartományban az elektromos energia a más formára (hő, fény stb.) átalakuló elektromos energia mennyisége egység idő alatt.
Matematikailag a teljesítménytényező a feszüléscsökkenés és a áram természetes szorzata.
Először is vegyük figyelembe a DC köröket, amelyek csak DC feszülésmagforrásokat tartalmaznak, az induktorok és a kondenzátorok stabil állapotban viselkednek mint rövidzárlók és nyitott körök.
Így az egész kör mint ellenállásos kör viselkedik, és az egész elektromos energia hő formájában diszipálódik. Itt a feszülés és az áram ugyanabban a fázisban vannak, és a teljes elektromos energia a következőképpen adható meg:
Most térjünk át az AC körre, itt mind az induktor, mind a kondenzátor bizonyos mértékű impedanciát kínál, amely a következőképpen adható meg:
Az induktor elektromos energiát tárol magnétikus energiaként, a kondenzátor pedig elektromos energiát tárol elektrosztatikus energiaként. Sem az egyik, sem a másik nem diszipálja. Továbbá, van fáziskülönbség a feszülés és az áram között.
Így, amikor az egész kört veszzük figyelembe, ami tartalmaz egy ellenállást, induktort és kondenzátort, akkor létezik bizonyos fáziskülönbség a forrásfeszülés és az áram között.
Ezen fáziskülönbség koszinusza az elektromos teljesítménytényező. Ez a tényező (−1 < cosφ < 1) a teljes erőből a hasznos munkához használt rész arányát jelenti.
Az elektromos erő másik része magnetikus vagy elektrosztatikus energiaként tárolódik az induktorban és a kondenzátorban.
Ebben az esetben a teljes erő a következőképpen adható meg:
Ezt nevezzük látszólagos erőnek, és egysége VA (Volt-Amp), és S-vel jelöljük. A teljes elektromos erőnek az a része, ami hasznos munkát végez, az aktív erő. Jelölése P.
P = Aktív erő = Teljes elektromos erő.cosφ, és egysége watt.
Az erő másik része a reaktív erő. A reaktív erő nem végez hasznos munkát, de szükséges a hasznos munkához. Jelölése Q, és matematikailag a következőképpen adható meg:
Q = Reaktív erő = Teljes elektromos erő.sinφ, és egysége VAR (Volt-Amp Reactive). Ez a reaktív erő oszcillál a forrás és a terhelés között. Jobb értelmezés érdekében ezek az erők háromszögben jeleníthetők meg.
Matematikailag, S2 = P2 + Q2, és a elektromos teljesítménytényező az aktív erő / látszólagos erő.
A teljesítménytényező fogalma csak AC körökben jelenik meg. Matematikailag a forrásfeszülés és az áram fáziskülönbségének koszinusza. Ez a teljes erő (látszólagos erő) olyan részét jelenti, amely hasznos munkát végez, azaz az aktív erőt.
A Teljesítménytényező Javításának Szükségessége
A valós erő P = VIcosφ. Az áram fordítottan arányos a cosφ-val adott mennyiségű erő átviteléhez adott feszülés mellett. Tehát minél magasabb a teljesítménytényező, annál kevesebb az áram, amely áramlik. A kis áramáramlás kevesebb keretszélességű vezetőket igényel, és így pénzt takarít meg.
A fenti összefüggésből látható, hogy a rossz teljesítménytényező növeli a vezetőben áramló áramot, és így a rézveszteség növekszik. Nagy feszüléscsökkenés történik az alternátorban, az elektromos transzformátorban és az átvitel- és elosztási vonalakban – ami nagyon rossz feszülésszabályozást eredményez.
A gépek KVA-os beállítása is csökken a magasabb teljesítménytényezővel, a következő képlet szerint:
Tehát a gép mérete és költsége is csökken.
Ezért a teljesítménytényezőt közel egységnyinek kell tartani – ez jelentősen olcsóbb.
Van három fő módszer a teljesítménytényező javítására:
Kondenzátorbankok
Szinkron kondenzátorok
Fázis előléptetők
A teljesítménytényező javítása a feszülés és az áram közötti fáziskülönbség csökkentését jelenti. Mivel a többség a terhelések induktív természetűek, ezért bizonyos mennyiségű reaktív erőre van szükségük ahhoz, hogy működjenek.
Egy kondenzátor vagy kondenzátorbank, amely a terhelés mellé van párhuzamosan telepítve, ezt a reaktív erőt biztosítja. Ők helyi reakt
