Что такое коэффициент мощности: улучшение формула и определение

Что такое коэффициент мощности?

В электротехнике коэффициент мощности (КМ) системы переменного тока определяется как отношение активной мощности (измеряемой в киловаттах, кВт), потребляемой нагрузкой, к полной мощности (измеряемой в киловольт-амперах, кВА), протекающей через цепь. Коэффициент мощности — это безразмерное число, находящееся в интервале от -1 до 1.

«Идеальный» коэффициент мощности равен единице (также называется «единица»). Это означает, что в цепи нет реактивной мощности, и, следовательно, полная мощность (кВА) равна активной мощности (кВт). Нагрузка с коэффициентом мощности 1 является наиболее эффективной для источника питания.

Однако на практике это не реально, и коэффициент мощности будет меньше 1. Используются различные методы коррекции коэффициента мощности, чтобы помочь увеличить коэффициент мощности до этого идеального состояния.

Чтобы лучше объяснить это, давайте сделаем шаг назад и поговорим о том, что такое мощность.

Мощность — это способность выполнять работу. В электрической области электрическая мощность — это количество электрической энергии, которое может быть передано в другую форму (тепло, свет и т. д.) за единицу времени.

Математически коэффициент мощности представляет собой произведение падения напряжения на элементе и текущего, проходящего через него.

Рассмотрим сначала цепи постоянного тока, имеющие только источники постоянного напряжения, индуктивности и конденсаторы в установившемся состоянии ведут себя как короткие и разрывные цепи соответственно.

Таким образом, вся цепь ведет себя как резистивная цепь, и вся электрическая мощность рассеивается в виде тепла. Здесь напряжение и ток находятся в одной фазе, и общая электрическая мощность задается формулой:

Перейдем к цепям переменного тока, здесь индуктивность и конденсатор создают определенное сопротивление, задаваемое формулами:

Индуктивность хранит электрическую энергию в виде магнитной энергии, а конденсатор — в виде электроэнергии. Ни один из них не рассеивает ее. Далее, между напряжением и током существует сдвиг фазы.

Поэтому, когда мы рассматриваем всю цепь, состоящую из резистора, индуктивности и конденсатора, существует некоторая разница фаз между напряжением источника и током.

Косинус этой разницы фаз называется коэффициентом мощности. Этот фактор (-1 < cosφ < 1) представляет собой долю общей мощности, используемой для выполнения полезной работы.

Другая доля электрической мощности хранится в виде магнитной или электростатической энергии в индуктивности и конденсаторе соответственно.

Общая мощность в этом случае составляет:

Это называется полной мощностью, и ее единицей измерения является ВА (вольт-ампер), обозначается 'S'. Часть этой общей электрической мощности, которая выполняет полезную работу, называется активной мощностью. Обозначается она как 'P'.

P = Активная мощность = Полная электрическая мощность * cosφ, и ее единица измерения — ватт.

Другая часть мощности называется реактивной мощностью. Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но она необходима для выполнения активной работы. Обозначается она 'Q' и математически задается формулой:

Q = Реактивная мощность = Полная электрическая мощность * sinφ, и ее единица измерения — ВАР (вольт-ампер реактивный). Эта реактивная мощность колеблется между источником и нагрузкой. Для лучшего понимания все эти мощности представлены в виде треугольника.

Математически, S2 = P2 + Q2, и коэффициент мощности — это активная мощность / полная мощность.

Улучшение коэффициента мощности

Понятие коэффициента мощности появляется только в цепях переменного тока. Математически это косинус разницы фаз между напряжением источника и током. Он относится к доле общей мощности (полной мощности), которая используется для выполнения полезной работы, называемой активной мощностью.

Необходимость улучшения коэффициента мощности

• Активная мощность задается формулой P = VIcosφ. Электрический ток обратно пропорционален cosφ при передаче определенного количества мощности при определенном напряжении. Таким образом, чем выше КМ, тем меньше будет ток, протекающий. Малый ток требует меньшего сечения проводников, что экономит проводники и деньги.

• Из вышеупомянутого отношения видно, что низкий коэффициент мощности увеличивает ток, протекающий в проводнике, и, следовательно, увеличивает потери меди. Большое падение напряжения происходит в генераторе, электрическом трансформаторе и линиях передачи и распределения, что приводит к очень плохому регулированию напряжения.

• Номинальная мощность машин также снижается при высоком коэффициенте мощности, согласно формуле:

Таким образом, размер и стоимость машины также снижаются.

Поэтому коэффициент мощности следует поддерживать близким к единице — это значительно дешевле.

Методы улучшения коэффициента мощности

Существует три основных способа улучшения коэффициента мощности:

• Батареи конденсаторов

• Синхронные конденсаторы

• Фазовые усилители

Батареи конденсаторов

Улучшение коэффициента мощности означает уменьшение разницы фаз между напряжением и током. Поскольку большинство нагрузок имеют индуктивный характер, они требуют некоторого количества реактивной мощности для их функционирования.

Конденсатор или банка конденсаторов, установленные параллельно нагрузке, предоставляют эту реактивную мощность. Они действуют как местный источник реактивной мощности, и, следовательно, меньше реактивной мощности проходит через линию.

Батареи конденсаторов уменьшают разницу фаз между напряжением и током.

Синхронные конденсаторы

Синхронные конденсаторы — это трехфазные синхронные двигатели без нагрузки, подключенные к их валу.