Коэффициент мощности

Коэффициент использования возобновляемой энергии

Коэффициент мощности
Месячные коэффициенты мощности для возобновляемых источников энергии EIA США , 2011-2013 гг.

Для возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия , энергия ветра и гидроэлектроэнергия , основной причиной снижения коэффициента мощности обычно является доступность источника энергии. Завод может производить электричество, но его «топливо» ( ветер , солнечный свет или вода ) может быть недоступно. На производство гидроэлектростанций также могут влиять требования по предотвращению слишком высокого или низкого уровня воды и обеспечению водой рыб, находящихся ниже по течению. Однако солнечные, ветряные и гидроэлектростанции обладают высокими коэффициентами готовности , поэтому, когда у них есть топливо, они почти всегда могут производить электричество.

Когда у гидроэлектростанций есть вода, они также полезны для отслеживания нагрузки из-за их высокой управляемости . Операторы типичной гидроэлектростанции могут вывести ее из остановленного состояния на полную мощность всего за несколько минут.

Ветряные электростанции разнообразны из-за естественной изменчивости ветра. Для ветряной электростанции коэффициент мощности определяется наличием ветра, рабочей площадью турбины и размером генератора . Пропускная способность линий электропередачи и спрос на электроэнергию также влияют на коэффициент мощности. Типичные коэффициенты мощности существующих ветряных электростанций составляют от 25 до 45%. В Соединенном Королевстве за пятилетний период с 2011 по 2015 год годовой коэффициент использования ветровой энергии составлял более 30%.

Солнечная энергия непостоянна из-за суточного вращения Земли, сезонных изменений и облачности. Например, утилита округа Сакраменто муниципального наблюдается коэффициент мощности на 15% в 2005 г. Однако, согласно SolarPACES программе Международного энергетического агентства (МЭА), солнечные электростанции , предназначенные для солнечных только поколения хорошо согласуются с летом полдень пиковых нагрузок в регионах со значительными потребностями в охлаждении, таких как Испания или юго-запад США , хотя в некоторых местах солнечная фотоэлектрическая энергия не снижает потребность в обновлении сети, учитывая, что пиковая потребность в кондиционерах часто приходится на поздний полдень или ранний вечер, когда мощность солнечной энергии снижается. SolarPACES заявляет, что с помощью систем хранения тепловой энергии периоды работы солнечных тепловых станций (CSP) можно продлить, чтобы они стали управляемыми (отслеживание нагрузки).

Геотермальная энергия имеет более высокий коэффициент использования мощности, чем многие другие источники энергии, и геотермальные ресурсы, как правило, доступны постоянно.

Необходимые инструменты

Перед началом работ по обустройству потолка в два уровня с подсветкой

следует составить список всех требуемых инструментов и подготовить их:

  • строительные уровни – лазерный и обычный;
  • карандаш;
  • рулетка;
  • угольник;
  • перфоратор с ударной функцией;
  • нож;
  • ножницы для работ с металлом;
  • ножовки;
  • молоток и трассер;
  • рубанок;
  • шуруповерт.

Коэффициент мощности

Также необходимо приобрести листы гипсокартона и крепежные детали. Материал следует покупать с запасом около 10%.

Особенности измерения

Данные для расчета показателя собирают вручную и делают это на ежедневной основе. Значение потенциальной величины мощности формируют на протяжении кого-либо периода и потом его используют для подстановки в формулу. А фактическую занятость засекают каждый раз или по возможности используют для этого приборы учета.

Важно! КИМ может рассчитываться как для одного станка или производственной линии, так и целого цеха или всего предприятия. Поэтому и данные необходимы за разные промежутки времени: для одной единицы техники можно их собирать каждый час, а для предприятия коэффициент находят за более длинные периоды (месяц, квартал, год)

Для быстрого и точного получения информации необходимо настроить ее автоматический сбор. Затраты на ручное ведение статистики могут быть сильно высокими.

Гармоники питающего напряжения

Кроме образования реактивной мощности, на промышленных предприятиях существует такой негативный фактор, как выработка гармоник напряжения питающей сети.

Гармоники – это та часть спектра питающего напряжения, которая отличается частоты промышленной сети 50 Гц. Как правило, гармоники образуются на частотах, кратных основной. Таким образом, 1-я (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, 2-я – 100, 3-я – 150, и так далее.

Для измерения гармоник напряжения существует формула:

Коэффициент мощности

Гармоники напряжения – формула расчета

где:

  • Кu – коэффициент нелинейных искажений, или THD (Total Harmonic Distortion),
  • U(1), U(2), и так далее – напряжение соответствующей гармоники, вплоть до 40-й.

Однако, эта формула не удобна на практике, поскольку не дает представления об уровне каждой гармонике в отдельности. Поэтому для практических целей используют формулу:

Коэффициент мощности

Коэффициент каждой гармоники напряжения

Где:

  • Кu(n) – коэффициент n-й гармонической составляющей спектра напряжения,
  • U(n) – напряжение n-й гармоники,
  • U(1) – напряжение 1-й гармоники

Таким образом, при измерении мы получим детальное распределение гармоник в спектре питающего напряжения, что позволит провести детальный анализ полученной информации и сделать правильные выводы.

Есть ещё гармоники тока, но там всё гораздо хуже…

Типовые оценки качества электропотребления

При одной и той же активной мощности нагрузки мощность, бесполезно рассеиваемая на проводах, обратно пропорциональна квадрату коэффициента мощности. Таким образом, чем меньше коэффициент мощности, тем ниже качество потребления электроэнергии. Для повышения качества электропотребления применяются различные способы коррекции коэффициента мощности, то есть его повышения до значения, близкого к единице.

Значение коэффициента мощности Высокое Хорошее Удовлетворительное Низкое Неудовлетворительное
cos⁡φ{\displaystyle \operatorname {cos} \varphi } 0,95…1 0,8…0,95 0,65…0,8 0,5…0,65 0…0,5
λ{\displaystyle \lambda } 95…100 % 80…95 % 65…80 % 50…65 % 0…50 %

Например, большинство старых светильников с люминесцентными лампами для зажигания и поддержания горения используют (ЭмПРА), характеризующиеся низким его потреблением, то есть неэффективным электропотреблением. В отличие от них современные светильники, и в том числе компактные люминесцентные («энергосберегающие») лампы имеют ЭПРА, и характеризуются коэффициентом мощности стремящемся к 1, то есть к идеальному значению.

Несинусоидальность

Несинусоидальность — вид нелинейных искажений напряжения в электрической сети, который связан с появлением в составе напряжения гармоник с частотами, многократно превышающими основную частоту сети. Высшие гармоники напряжения оказывают отрицательное влияние на работу системы электроснабжения, вызывая дополнительные активные потери в трансформаторах, электрических машинах и сетях; повышенную аварийность в кабельных сетях; уменьшение коэффициента мощности за счёт мощности искажения, вызванной протеканием токов высших гармоник; а также ограниченное применение батарей конденсаторов для компенсации реактивной мощности.

Источниками высших гармоник тока и напряжения являются электроприёмники с нелинейными нагрузками. Например, мощные выпрямители переменного тока, применяемые в металлургической промышленности и на железнодорожном транспорте, газоразрядные лампы и др.

Физические аналогии

Предположим, нам надо заполнить водой резервуар, выливая по одному ведру за раз. Единственный способ сделать это – подняться по лестнице с ведром воды и вылить ведро в емкость. Вылив ведро, мы должны спуститься по лестнице за следующим ведром. За этот цикл (подъем по лестнице и спуск) мы проделали определенную работу, причем энергия, затраченная на подъем, больше энергии, требуемой для спуска.

Если бы мы поднялись по лестнице с пустым ведром и с ним же спустились, то мы не совершили бы никакой работы. Но энергия для подъема и спуска осталась бы такой же. И хотя мы не совершали никакой полезной работы, мы затратили некоторое количество энергии.

Таким образом, энергия, необходимая на подъем и спуск по лестнице с пустыми руками, требует реактивной мощности, но не полезной. А энергия, затраченная на подъем с ведром воды и спуск с пустым ведром, требует как активной мощности, так и реактивной.

Аналогия может быть распространена и на трехфазные системы, если поставить три лестницы к резервуару и заставить трех человек подниматься по ним в такой последовательности, чтобы наполнение резервуара было непрерывным.

Пример расчета

Составить представление о методике можно, например, на основе показателей работы завода, производящего пеллеты. Для каждого из используемых типов оборудования (мельницы разного назначения, барабан для сушки, аппарат для формирования гранул и т.д.) фиксируют планируемый и реальный объем перерабатываемого сырья в кубических метрах и на их основе считают коэффициент. Можно разделить месяц на три декады и сформировать статистику за каждую из них и за месяц в целом.

К примеру, наиболее производительной из используемых машин оказался барабан. Тогда значение коэффициента у него будет выше всего. Если требуется повысить производительность других типов станков, их нужно нагружать интенсивнее. Чем больше коэффициент у конкретного станка, тем большую нагрузку относительно своего потенциала он несет. 80-85% является хорошим показателем, но даже в этом случае допускается стремление к повышению ввиду наличия 15-20% запасной мощности.

Видео

Что такое «коэффициент мощности» («косинус фи»)?

Коэффициент мощности — безразмерная физическая величина, характеризующая потребитель тока, с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент мощности показывает, на сколько сдвинут по фазе ток, протекающий через потребитель электроэнергии, относительно приложенного к потребителю напряжения. Численно, коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига. Можно показать, что, если источник синусоидального сигнала (например розетка 220В, 50Гц) нагрузить на нагрузку, в которой ток опережает или отстаёт по фазе на некоторый угол от напряжения, то на внутреннем сопротивлении источника, выделяется повышенная мощность. На практике это означает, что при работе на нагрузку со сдинутыми напряжением и током, от электростанции требуется больше энергии, избыток выделяется в виде тепла на проводах и может быть довольно значительным.

Равен отношению потребляемой электроприёмником активной мощности к полной мощности. Активная мощность расходуется на совершение работы. Полная мощность — геометрическая сумма активной и реактивной мощностей (в случае синусоидальных тока и напряжения). В общем случае полную мощность можно определить как произведение действующих (среднеквадратических) значений тока и напряжения в цепи. Полная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов активной и неактивной мощностей. В качестве единицы измерения полной мощности принято использовать вольт-ампер (В∙А) вместо ватта (Вт). Согласно неравенству Коши—Буняковского, активная мощность, равная среднему значению произведения тока и напряжения, всегда не превышает произведение соответствующих среднеквадратических значений. Поэтому коэффициент мощности принимает значения от нуля до единицы (то есть от 0 до 100 %). Коэффициент мощности математически можно интерпретировать как косинус угла между векторами тока и напряжения. Поэтому в случае синусоидальных напряжения и тока величина коэффициента мощности совпадает с косинусом угла, на который отстают соответствующие фазы. В электроэнергетике для коэффициента мощности приняты обозначения cos φ (где φ — сдвиг фаз между силой тока и напряжением) либо λ. Когда для обозначения коэффициента мощности используется λ, его величину обычно выражают в процентах. При наличии реактивной составляющей в нагрузке кроме значения коэффициента мощности иногда также указывают характер нагрузки: активно-ёмкостный или активно-индуктивный. В этом случае коэффициент мощности соответственно называют опережающим или отстающим. В случае синусоидального напряжения, если нагрузка не имеет реактивной составляющей, коэффициент мощности равен доле мощности первой гармоники тока в полной мощности, потребляемой нагрузкой, и равен коэффициенту искажений тока.

Коэффициент мощностиТреугольник мощностей: Здесь P — активная мощность, S — полная мощность, Q — реактивная мощность.

Рекомендации по выбору компенсирующих устройств реактивной мощности

Мощность компенсирующего устройства выбирается исходя из мощности нагрузки, а также существующего и желаемого коэффициентов мощности.

Для расчета параметров можно воспользоваться следующей методикой.

Определить из таблицы коэффициент К, который считается по формулам на основе углов фаз некомпенсированного и компенсированного питания:

Коэффициент мощности

Таблица для определения коэффициента выбора конденсаторов

Например, текущий cosϕ = 0,7, желаемый cosϕ = 0,96. Тогда К = 0,73.

Как я уже говорил, не рекомендуется компенсировать реактивную мощность полностью (до cosϕ = 1), так как при этом возможна перекомпенсация (за счет переменной величины активной мощности нагрузки и других случайных факторов)

Далее, необходимую емкостную мощность конденсаторных батарей определяют по формуле: Qc = КP (ВАр).

Например, в нашем случае, при мощности 1000 кВт полная мощность конденсаторной батареи будет 730 кВАр.

При выборе конденсаторной батареи она должна обладать следующими параметрами (не хуже):

  • Перегрузка по току – 1,3 I ном
  • Перегрузка по напряжению – 1,1 U ном
  • Мощность минимальной ступени – не более 15 кВАр
  • Допустимое содержание гармоник напряжения – не менее 20 %
  • Частота расстройки фильтра – не более 190 Гц (срез начиная с 4-й гармоники)
  • Регулятор реактивной мощности – электронный, с измерением и выдачей всех необходимых параметров
  • Коммутация – контакторы, поскольку изменение активной мощности не быстрое

(рекомендации даны поставщиком КУ)

На этом всё. Если есть желание что-то добавить, или поправить меня – как всегда, рад вашим комментариям!

Что такое коэффициент мощности (power factor, PF)

07.07.201613:53

Коэффициент мощности (КМ, Power Factor, PF)  равен отношению потребляемой нагрузкой активной мощности к полной потребляемой мощности. Коэффициент мощности – комплексный показатель, характеризующий потери энергии в электросети, обусловленные фазовыми и нелинейными искажениями тока и напряжения в нагрузке. Чем меньше коэффициент мощности нагрузки, тем больше эта нагрузка нагружает источник и провода. В случае нелинейных нагрузок (например импульсные блоки питания) коэффициент мощности еще и характеризует искажения формы кривой тока- ее отличия от синусоидальной и соответственно содержание высших гармоник.Коэффициент мощности может принимать значения от 0 (худший результат) до 1 (идеальный результат).Типичные значения коэффициента мощности:0.95 — хороший показатель; 0.9 — удовлетворительный показатель; 0.8 — плохой показатель; 0,6-0.7 — импульсный блок питания без корректора коэффициента мощности (блок питания компьютера, некоторые светодиодные и энергосберегающие лампы).Для синусоидального тока и напряжения (линейная нагрузка, например, утюг, электродвигатель, трансформатор, конденсаторные батареи):PF = P/S = cosφ, где,PF — коэффициент мощности.P — Потребляемая (полезная, активная) мощность. P=UIcosφ. Измеряется в ваттах (Вт, международное W)S — Полная мощность. S = UI. Измеряется в Вольт-амперах (ВА, или международное VA).φ — Угол сдвига фаз между током и напряжением, созданный реактивными элементами нагрузок (обмотки электродвигателей, трансформаторов, электромагнитов), в зависимости от значения этого угла (емкостная или индуктивная нагрузка) PF может характеризоваться как опережающий или отстающий.Коэффициент мощности при нелинейных нагрузкахРеактивная составляющая даёт только один из видов нелинейных искажений (фазовый сдвиг). Однако коэффициент мощности реагирует на любую нелинейность нагрузки (нелинейность ВАХ), когда ток меняется непропорционально приложенному напряжению. Например,  коэффициент мощности нагрузки, которая представляет собой последовательно соединённые диод и обычный резистор, составляет около 0,71. Здесь нет никакой реактивной нагрузки, просто нелинейная ВАХ диода приводит к уменьшению коэффициента мощности. В случае активной нелинейной нагрузки коэффициент мощности определяется отношением активной мощности первой гармоники тока к полной мощности, потребляемой нагрузкой (это определение справедливо только в частном случае, когда напряжение имеет чистую синусоидальную форму). Некоторые нагрузки могут значительно искажать и форму напряжения.В случае несинусоидального тока уже следует рассматривать неактивную мощность, состоящую (как минимум) из реактивной и мощности искажения (зависит от коэффициента искажения кривой тока).PF большинства потребителей меняется в зависимости от их режима работы (как правило он меньше на холостом ходу и выше при номинальной нагрузке)Источники информации:Электрические системы и сети: Учебник для вузов.— М.: Энергоатомиздат, 1989, — 592 с: ил. Идельчик В. И. Основы современной энергетики Курс лекций для менеджеров энергетических компаний Под общей редакцией чл.-корр. РАН Е. В. АметистоваЭлектротехника/Ю. М. Борисов, Д. Н. Липатов, Ю. Н. Зорин. Учебник для вузов. — 2-е изд., пере-раб. и доп.—М.: Энергоатомиздат, 1985.— 552 с.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D1%81%D1%83%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5:%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BC%D0%BE%D1%89%D0%BD%D0%BE%D1­%81%D1%82%D0%B8http://meandr.org/archives/26309http://www.thg.ru/howto/kak_rabotaet_blok_pitaniya/kak_rabotaet_blok_pitaniya-02.htmlhttps://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BC%D0%BE%D1%89%D0%BD­%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8http://tel-spb.ru/pf/http://rateli.ru/books/item/f00/s00/z0000008/st090.shtml с примерами рассчета лишних потерьhttp://www.elec.ru/articles/koefficient-moshnosti-v-setyah-s-nelinejnymi-nagru/http://www.tensy.ru/article08.htmlhttp://www.tensy.ru/article06.htmlhttp://electricalschool.info/main/elsnabg/260-vlijanie-vysshikh-garmonik.html

Просмотров:23755

Активная и пассивная компенсация

Коррекция косинуса фи в электротехнике – это любая техника увеличения коэффициента мощности до 1. В общем случае cos(φ) может варьироваться от 0 до 1. Чем выше коэффициент мощности, тем эффективнее используется электричество. Причинами несовершенства являются искажения и фазовый сдвиг между гармониками напряжения и тока той же частоты. Поэтому существуют две основные категории методов коррекции коэффициента мощности.

Гармонические искажения вызваны нелинейными компонентами, такими как мост выпрямителя в источниках питания постоянного тока, который подключается непосредственно к большому накопительному конденсатору. Их можно скорректировать на этапе проектирования источника питания путем введения различных пассивных или активных схем компенсации. Основным источником фазового сдвига U-I являются промышленные асинхронные двигатели, которые с точки зрения схемы имеют индуктивную нагрузку. Косинус фи двигателя (который на холостом ходу падает до 0,1) можно увеличить, добавив внешние компенсирующие конденсаторы. При этом их необходимо установить как можно ближе к нагрузке, чтобы избежать циркуляции реактивной мощности до места их размещения.

Коэффициент мощности

Активная компенсация реактивной мощности использует активные электронные схемы с обратной связью, которые сглаживают форму кривой выпрямленного тока.

Нелинейные устройства генерируют гармонические колебания с частотой ƒ=1/(2π√LC). Если она совпадает с одной из гармоник, то будет усиливаться, что может привести к различным последствиям, в т. ч. катастрофическим. Во избежание этого, последовательно с компенсирующим конденсатором подсоединяют небольшой индуктор, что образует т. н. шунтирующий фильтр подавления гармоник.

Отрицательный косинус

Из школьного курса геометрии известно, что cos (φ) = cos (-φ), то есть косинус любого угла будет положительной величиной. Но как же отличить индуктивную нагрузку от емкостной? Всё просто – электрики всех стран условились, что при емкостной нагрузке перед знаком косинуса ставится минус!

В практике пользования прибором анализа напряжения HIOKI у меня были случаи, когда значение косинуса было отрицательным. В последствии выяснилось, что была неправильно включена компенсаторная установка и произошла перекомпенсация. То есть cos φ < 0, что и должно быть, но конденсаторные установки используются неправильно, и возможны ситуации, когда напряжение в сети из-за этого может подняться.

Когда ток отстает от напряжения

Предположим перед вами есть 2 проводника. Один из этих проводников имеет потенциал

Не суть важно какой именно — отрицательный (минус) или положительный (плюс)

Коэффициент мощности

У другого провода вообще нет никакого потенциала. Соответственно между этими двумя проводниками будет разность потенциалов, т.к. у одного он есть, а у другого его нет.

Эту разность потенциалов как раз таки и принято называть напряжением.

Коэффициент мощности

Если вы соедините кончики двух проводов не непосредственно между собой, а через лампочку накаливания, то через ее вольфрамовую нить начнет протекать ток. От одного провода к другому.

На первый взгляд может показаться, что лампочка загорается моментально. Однако это не так. Ток проходя через нить накала, будет нарастать от своего нулевого значения до номинального, какое-то определенное время.

Коэффициент мощности

В какой-то момент он его достигает и держится на этом уровне постоянно. То же самое будет, если подключить не одну, а две, три лампочки и т.д.

Коэффициент мощности

А что случится, если вместе с лампой последовательно включить катушку, намотанную из множества витков проволоки?

Коэффициент мощности

Изменится ли как-то процесс нарастания тока? Конечно, да.

Данная катушка индуктивности, заметно затормозит время увеличения тока от нуля до максимума. Фактически получится, что максимальное напряжение (разность потенциалов) на лампе уже есть, а вот ток поспевать за ним не будет.

Коэффициент мощности

Его нарастание слишком медленное. Из-за чего это происходит и кто виноват? Виноваты витки катушки, которые оказывают влияние друг на друга и тормозят ток.

Если у вас напряжение постоянное, например как в аккумуляторах или в батарейках, ток относительно медленно, но все-таки успеет дорасти до своего номинального значения.

Коэффициент мощности

А далее, ток будет вместе с напряжением идти, что называется «нога в ногу».

Коэффициент мощности

А вот если взять напряжение из розетки, с переменной синусоидой, то здесь оно не постоянно и будет меняться. Сначала U какое-то время положительная величина, а потом — отрицательная, причем одинаковое по амплитуде. На рисунке это изображается в виде волны.

Коэффициент мощности

Эти постоянные колебания не дают нашему току, проходящему сквозь катушку, достигнуть своего установившегося значения и догнать таки напряжение. Только он будет подбираться к этой величине, а напряжение уже начинает падать.

Коэффициент мощности

Поэтому в этом случае и говорят, что ток отстает от напряжения.

Причем, чем больше в катушке намотано витков, тем большим будет это самое запаздывание.

Коэффициент мощности

Как же это все связано с косинусом фи — cos ϕ?