Що таке коефіцієнт ефективності?
У електротехніці коефіцієнт ефективності (КЕ) системи живлення чергової струму визначається як співвідношення працюючої потужності (вимірюється у кіловатах, кВт), поглинаної навантаженням, до очевидної потужності (вимірюється у кіловольт-амперах, кВА), що проходить через контур. Коефіцієнт ефективності - це безрозмірне число, що належить до закритого інтервалу від −1 до 1.
«Ідеальний» коефіцієнт ефективності дорівнює одиниці (також відомий як «одиниця»). Це трапляється, коли немає реактивної потужності в контурі, і, отже, очевидна потужність (кВА) дорівнює дійсній потужності (кВт). Навантаження з коефіцієнтом ефективності 1 є найбільш ефективним завантаженням живлення.
Однак це не реалістично, і коефіцієнт ефективності на практиці буде меншим за 1. Використовуються різні методи корекції коефіцієнту ефективності, щоб допомогти збільшити коефіцієнт ефективності до цього ідеального стану.
Щоб краще пояснити це, давайте зробимо крок назад і поговоримо про те, що таке потужність.
Потужність - це здатність виконувати роботу. У електричній області електрична потужність - це кількість електричної енергії, яку можна передати в іншу форму (тепло, світло тощо) за одиницю часу.
Математично коефіцієнт ефективності є добутком спаду напруги на елементі та потоку струму через нього.
Розглянемо спочатку DC контури, що мають лише DC джерела напруги, индуктори та конденсатори поводять себе як короткі замикання та відкриті контури відповідно в стаціонарному стані.
Тому весь контур поводиться як опорний контур, і вся електрична потужність витрачається у вигляді тепла. Тут напруга та струм знаходяться в одному фазовому стані, і загальна електрична потужність визначається:
Перейдемо до AC контуру, тут індуктор та конденсатор надають певну величину імпедансу, який визначається:
Індуктор зберігає електричну енергію у вигляді магнітної енергії, а конденсатор зберігає електричну енергію у вигляді електростатичної енергії. Жоден з них не розсіює її. Більше того, існує фазова різниця між напругою та струмом.
Отже, коли ми розглядаємо весь контур, що складається з резистора, індуктора та конденсатора, існує деяка фазова різниця між напругою джерела та струмом.
Косинус цієї фазової різниці називається електричним коефіцієнтом ефективності. Цей фактор (-1 < cosφ < 1) представляє частку загальної потужності, яка використовується для корисної роботи.
Інша частка електричної потужності зберігається у вигляді магнітної енергії або електростатичної енергії в індукторі та конденсаторі відповідно.
Загальна потужність в цьому випадку становить:
Це називається очевидною потужністю, а її одиниця - ВА (вольт-ампер), і позначається 'S'. Частка цієї загальної електричної потужності, яка виконує нашу корисну роботу, називається активною потужністю. Ми позначаємо її як 'P'.
P = Активна потужність = Загальна електрична потужність.cosφ, а її одиниця - ват.
Інша частка потужності називається реактивною потужністю. Реактивна потужність не виконує корисної роботи, але вона необхідна для виконання активної роботи. Ми позначаємо її 'Q', а математично вона визначається:
Q = Реактивна потужність = Загальна електрична потужність.sinφ, а її одиниця - ВАР (вольт-ампер реактивний). Ця реактивна потужність осцилює між джерелом та навантаженням. Для кращого розуміння всі ці потужності представлені у формі трикутника.
Математично, S2 = P2 + Q2, а електричний коефіцієнт ефективності є активною потужністю / очевидною потужністю.
Термін коефіцієнт ефективності виникає лише в AC контурах. Математично це косинус фазової різниці між напругою джерела та струмом. Він вказує на частку загальної потужності (очевидної потужності), яка використовується для виконання корисної роботи, відомої як активна потужність.
Необхідність покращення коефіцієнта ефективності
Дійсна потужність визначається P = VIcosφ. Електричний струм обернено пропорційний cosφ для передачі певної кількості потужності при певній напрузі. Отже, чим вищий коефіцієнт ефективності, тим менший струм протікає. Малий струм потребує меншого поперечного перерізу провідників, і таким чином економиться провідники та гроші.
З вищенаведеного відношення ми бачимо, що поганий коефіцієнт ефективності збільшує струм, що протікає через провідник, і, отже, збільшується втрати в меді. Суттєве падіння напруги відбувається в альтернаторі, електричних трансформаторах та лініях передачі та розподілу - що призводить до дуже поганої регуляції напруги.
КВА-рейтинг машин також зменшується завдяки високому коефіцієнту ефективності, за формулою:
Отже, розмір та вартість машини також зменшуються.
З цього приводу електричний коефіцієнт ефективності повинен підтримуватися близько до одиниці - це значно дешевше.
Існує три основні способи покращення коефіцієнта ефективності:
Банки конденсаторів
Синхронні конденсатори
Фазові підсилювачі
