Co to jest współczynnik mocy: poprawa wzór i definicja

Co to jest czynnik mocy?

W elektrotechnice czynnik mocy (PF) systemu zasilania przemiennego definiuje się jako stosunek mocy czynnej (wyrażonej w kilowatach, kW) pobieranej przez obciążenie do mocy pozornej (wyrażonej w kilowoltamperach, kVA) płynącej przez obwód. Czynnik mocy jest bezwymiarową liczbą w przedziale od −1 do 1.

Idealny czynnik mocy wynosi jeden (zwany również „jednością”). Wtedy nie ma mocy reaktywnej w obwodzie, a więc moc pozorna (kVA) jest równa mocy czynnej (kW). Obciążenie o czynniku mocy równym 1 jest najefektywniejszym obciążeniem źródła.

Jednakże to nie jest realistyczne, a czynnik mocy w praktyce będzie mniejszy niż 1. Stosuje się różne techniki poprawy czynnika mocy, aby pomóc zwiększyć czynnik mocy do tego idealnego stanu.

Aby lepiej to wyjaśnić, cofnijmy się i porozmawiajmy o tym, co to jest moc.

Moc to zdolność do wykonania pracy. W dziedzinie elektrycznej, moc elektryczna to ilość energii elektrycznej, która może być przekształcona na inną formę (caleur, światło itp.) w jednostce czasu.

Matematycznie czynnik mocy to iloczyn spadku napięcia na elemencie i prądu płynącego przez niego.

Rozważając najpierw obwody DC, mające tylko źródła napięcia DC, cewki i kondensatory zachowują się odpowiednio jak zwarcia i otwarte obwody w stanie ustalonym.

Stąd cały obwód zachowuje się jak obwód rezystancyjny, a cała energia elektryczna jest rozprasza w postaci ciepła. Tutaj napięcie i prąd są w tej samej fazie, a całkowita moc elektryczna wyraża się wzorem:

Przechodząc do obwodu AC, zarówno cewka, jak i kondensator oferują pewną wartość impedancji, która wynosi:

Cewka przechowuje energię elektryczną w postaci energii magnetycznej, a kondensator przechowuje energię elektryczną w postaci energii elektrostatycznej. Żaden z nich jej nie rozprasza. Ponadto występuje przesunięcie fazowe między napięciem a prądem.

Stąd, gdy rozważamy cały obwód składający się z opornika, cewki i kondensatora, istnieje pewna różnica fazowa między napięciem źródłowym a prądem.

Cosinus tej różnicy fazowej nazywamy czynnikiem mocy elektrycznego. Ten czynnik (-1 < cosφ < 1) reprezentuje ułamek całkowitej mocy, który służy do wykonania użytecznej pracy.

Inny ułamek mocy elektrycznej jest przechowywany w postaci energii magnetycznej lub elektrostatycznej w cewce i kondensatorze odpowiednio.

Całkowita moc w tym przypadku wynosi:

To nazywamy mocą pozoraną i jej jednostką jest VA (volt-amper) i oznaczamy ją symbolem 'S'. Ułamek tej całkowitej mocy elektrycznej, który wykonuje naszą użyteczną pracę, nazywamy mocą czynną. Oznaczamy ją jako 'P'.

P = Moc czynna = Całkowita moc elektryczna * cosφ, a jej jednostką jest wat.

Inny ułamek mocy nazywamy mocą reaktywną. Moc reaktywna nie wykonuje żadnej użytecznej pracy, ale jest wymagana do wykonania pracy czynnej. Oznaczamy ją symbolem 'Q' i matematycznie daje się ona wyrazić:

Q = Moc reaktywna = Całkowita moc elektryczna * sinφ, a jej jednostką jest VAR (volt-amper reaktywny). Ta moc reaktywna oscyluje między źródłem a obciążeniem. Aby lepiej to zrozumieć, wszystkie te mocy są przedstawiane w formie trójkąta.

Matematycznie, S2 = P2 + Q2, a czynnik mocy elektryczny to moc czynna / moc pozorna.

Poprawa czynnika mocy

Termin czynnik mocy pojawia się tylko w obwodach AC. Matematycznie jest to cosinus różnicy fazowej między napięciem źródłowym a prądem. Odwołuje się do ułamka całkowitej mocy (mocy pozornej), która jest wykorzystywana do wykonania użytecznej pracy, zwanej mocą czynną.

Potrzeba poprawy czynnika mocy

• Moc czynna wyraża się wzorem P = VIcosφ. Prąd jest odwrotnie proporcjonalny do cosφ dla transferu danej ilości mocy przy określonym napięciu. Im wyższy czynnik mocy, tym mniejszy prąd płynący. Mały prąd wymaga mniejszej powierzchni przekroju przewodów, co oszczędza przewody i pieniądze.

• Z powyższego związku wynika, że słaby czynnik mocy zwiększa prąd płynący w przewodzie, co z kolei zwiększa straty miedziane. Duże spadki napięcia występują w alternatorach, transformatorach elektrycznych oraz liniach transmisyjnych i dystrybucyjnych – co prowadzi do bardzo złej regulacji napięcia.

• KVA rating maszyn również zmniejsza się przy wyższym czynniku mocy, zgodnie ze wzorem:

Stąd, rozmiar i koszt maszyny również maleją.

Dlatego czynnik mocy elektryczny powinien być utrzymywany blisko jedności – jest to znacznie tańsze.

Metody poprawy czynnika mocy

Istnieją trzy główne sposoby poprawy czynnika mocy:

• Baterie kondensatorów

• Synchroniczne kondensatory

• Fazowe przyspieszacze

Baterie kondensatorów

Poprawa czynnika mocy oznacza zmniejszenie różnicy fazowej między napięciem a prądem. Ponieważ większość obciążeń jest indukcyjna, wymaga one pewnej ilości mocy reaktywnej, aby mogły działać.

Kondensator lub bateria kondensatorów zainstalowana równolegle do obciążenia dostarcza tę moc reaktywną. Działają one jako lokalne źródło mocy reaktywnej, co zmniejsza ilość mocy reaktywnej płynącą przez linię.

Baterie kondensatorów zmniejszają różnicę fazową między napięciem a prądem.

Synchroniczne kondensatory

Synchroniczne kondensatory to trójfazowe synchroniczne motory bez obciążenia zamocowanego do ich wału.

Synchroniczny silnik ma charakterystykę działania pod dowolnym czynnikiem mocy, prowadzącym, opóźniającym lub jednościowym, w zależności od wzbudzenia. Dla obciążeń indukcyjnych synchroniczny kondensator jest podłączony po stronie obciążenia i jest nadwzbudzony.

Synchroniczne kondensatory sprawiają, że zachowują się jak kondensatory. Pobierają one opóźniony prąd z zasilania lub dostarczają mocy reaktywnej.

Fazowe przyspieszacze