Коэффициент мощности, что это такое?

P = I*U*cos φ

Содержание

Коэффициент мощности (cos φ – косинус фи) – это отношение активной мощности к полной мощности. Чем ближе это значение к один, тем лучше, потому что при значении cos φ = 1 — реактивная мощность равна нулю и, следовательно, общее потребление энергии меньше.

cos φ = P/S

коэффициент мощности – это безразмерная физическая величина, которая описывает нагрузку переменного тока с точки зрения реактивной составляющей в нагрузке. Коэффициент мощности характеризует степень сдвига фаз переменного тока, протекающего через нагрузку, по отношению к приложенному к ней напряжению.

Коэффициент мощности должен учитываться при проектировании электрической сети. Низкий коэффициент мощности приводит к более высокой доле потерь электроэнергии в сети в процентах от общих потерь. Для увеличения коэффициента мощности используются компенсирующие устройства. Неправильно рассчитанный коэффициент мощности может привести к чрезмерному потреблению энергии и снижению эффективности работы электрооборудования, питающегося от этой сети.

Для расчетов в случае гармонических переменных U (напряжение) и I (ток) используются следующие математические формулы:

$cos varphi = frac<P><S>” width=”” height=””></li><li><img decoding=$
Каковы причины низкого коэффициента мощности?
Поскольку коэффициент мощности представляет собой отношение активной мощности к кажущейся мощности, легко понять, что низкий коэффициент мощности возникает, когда активная мощность мала по сравнению с кажущейся мощностью. Возвращаясь к нашей аналогии с пивной кружкой, можно сказать, что это происходит, когда уровень реактивной мощности (пена, руки рабочего) высок.

Что вызывает высокий уровень реактивной мощности?

К индуктивным нагрузкам, вызывающим реактивную мощность, относятся:
- трансформаторы,
- асинхронные двигатели,
- Асинхронные генераторы (ветряные турбины)
- осветительные системы из газоразрядных ламп высокой интенсивности.
Эти индуктивные нагрузки потребляют большую часть энергии на производственных предприятиях.

Реактивная мощность (квар), требуемая реактивными нагрузками, увеличивает величину кажущейся мощности (кВА) в системе распределения электроэнергии (Рисунок 4). Это увеличение реактивной и кажущейся мощности приводит к увеличению угла θ между активной и кажущейся мощностью. Напомним, что cosθ (или коэффициент мощности) уменьшается с увеличением θ.

Таким образом, индуктивные нагрузки с высокой реактивной мощностью являются причиной низкого коэффициента мощности.

Единицей измерения является вольт-ампер реактивности (VAR).

Коэффициент мощности (cos φ). Понятие, физический смысл, измерение.

Коэффициент мощности (cos φ) – это параметр, характеризующий искажение формы тока, потребляемого из сети переменного тока. Это важный показатель для потребителя энергии. В значительной степени это определяет требования, предъявляемые к сетям поставок. Он определяет потери в проводниках и внутреннее сопротивление сети.

В цепях постоянного тока мощность, как и все другие параметры, не меняет своего значения за определенное время. Поэтому в постоянном токе существует только мощность как произведение величин тока и напряжения.

В переменном токе значения тока и напряжения постоянно меняются с течением времени. Мощность также меняется. Поэтому вводится понятие мгновенной мощности.

Мгновенная мощность.

Мгновенная мощность – это произведение мгновенного напряжения в цепи и мгновенного тока. На практике мощность ассоциируется с выработкой тепла, механической работой и т.д. И эти явления инерционны по своей природе. Поэтому понятие мгновенной мощности не имеет практического значения, а используется для расчета и понимания происходящих процессов.

Эффективные значения тока и напряжения.

Эффективные значения тока и напряжения используются для оценки и расчета цепей переменного тока.

Среднеквадратичное значение переменного тока определяется как значение эквивалентного постоянного тока, который, протекая через то же сопротивление, что и переменный ток, производит такое же количество тепла за определенный период времени. Математически среднеквадратичное значение определяется как эффективное значение за определенный период времени.

Вольтметры и амперметры переменного тока точно показывают среднеквадратичные значения. Все тепловые расчеты выполняются так же, как и для постоянного тока, только используются среднеквадратичные значения. Но это не всегда верно.

Общая мощность.

Кажущаяся мощность рассчитывается как произведение среднеквадратичных значений тока и напряжения в цепи.

При синусоидальных токах и напряжениях и отсутствии сдвига фаз полная мощность распределяется на нагрузку. Расчеты для цепей переменного тока такие же, как и для цепей постоянного тока, только используются действующие значения тока и напряжения.

Суммарная мощность определяет потребность электрической сети. Он измеряется в В-А, а не в ваттах.

Реактивная мощность.

Как только в цепь переменного тока вводятся реактивные элементы (индуктивность и емкость), все меняется. Реактивные элементы обладают способностью накапливать энергию и отдавать ее обратно в цепь. Появляется реактивная мощность.

Реактивная мощность недоступна для нагрузки и не производит никакой полезной работы. Он накапливается в реактивных элементах нагрузки (конденсаторах, индукторах), а затем возвращается в сеть. Само собой разумеется, что это возвращается с потерями в проводниках, внутренним сопротивлением электросети и т.д. Поэтому в любой энергосистеме целью является снижение реактивной мощности до минимума.

Реактивная мощность может быть положительной (для индуктивных цепей) или отрицательной (для емкостных элементов).

Единицей измерения является вольт-ампер реактивности (VAR).

Активная мощность.

Активная мощность остается на нагрузке. Это то, что делает полезную работу. Активная мощность – это среднее значение мгновенной мощности за определенный период.

Основные взаимосвязи между параметрами.

Полная мощность в цепи переменного тока равна квадратному корню из суммы квадратов активной и реактивной мощности.

Активная мощность рассчитывается как:

I и U – среднеквадратичные значения тока и напряжения.

Это означает, что активная и кажущаяся мощность связаны коэффициентом – cos φ.

cos φ – косинус угла между напряжением сети и током, потребляемым нагрузкой. Это соотношение справедливо только для синусоидальных токов и напряжений. Когда cos φ = 1, активная мощность, подводимая к нагрузке, является полной. Вся энергия, содержащаяся в питающей сети, используется для полезной работы. Это справедливо только для чисто активной нагрузки без реактивной составляющей.

cos φ – коэффициент мощности (КМ) для переменных цепей с синусоидальными током и напряжением.

Однако многие потребители электроэнергии не только сдвигают фазу, но и искажают форму тока. Примером может служить источник питания с бестрансформаторным входом. Это эквивалентная схема для подключения к электросети.

В таких устройствах сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается конденсатором большой емкости. Полученное постоянное напряжение с низкой пульсацией используется для дальнейшего преобразования.

Для сетевого питания эта схема представляет собой активно-емкостную нагрузку. Однако диоды выпрямительного моста имеют нелинейные характеристики. В начале и конце периода они закрываются, и нагрузка отключается. В середине периода диоды открываются и в дополнение к активной нагрузке подключают к сети значительную сглаживающую емкость фильтра. В результате ток имеет искаженную форму, показанную на рисунке.

Это один из самых неприятных видов нагрузки, но и самый распространенный. Все бытовые приборы (телевизоры, компьютеры … ) относятся к этому типу нагрузки.

Коэффициент мощности (КМ) в искаженных цепях переменного тока определяется как отношение активной мощности к кажущейся мощности.

Следующие диаграммы иллюстрируют, как КМ влияет на производительность электрических нагрузок.

На этом рисунке показаны осциллограммы для чисто активной нагрузки. Фазовый сдвиг отсутствует, cos φ = 1, вся энергия из сети преобразуется в активную мощность на нагрузке.

На втором рисунке показан крайне неблагоприятный сценарий.

Сдвиг фаз между током и напряжением составляет 90°, cos φ = 0. Видно, что график мгновенной мощности симметричен относительно 0. Средняя активная мощность равна 0. Конечно, устройства с cos φ = 0 на практике не встречаются, но существует множество промежуточных вариантов. Например, бестрансформаторный источник питания, приведенный в качестве примера выше, имеет КМ от 0,6 до 0,7.

Важность КМ можно продемонстрировать с помощью простого расчета.

Два потребителя электроэнергии с одинаковой активной (полезной) мощностью. У первого cos φ = 1, а у второго cos φ = 0,5. Это означает, что второй потребитель потребляет из сети в два раза больше тока, чем первый. Поскольку потери тока в проводниках квадратичны (P = I 2 * R), потери сопротивления во втором случае в 4 раза больше. Требуются проводники большего сечения.

Для тяжелых грузов, длинных линий электропередач особенно важна высокая мощность.

Измерение коэффициента мощности.

Для измерения cos φ используются специальные приборы, называемые фазометрами. Они используются в сетях, где потребляемый ток имеет синусоидальную форму без искажений.

Для измерения коэффициента мощности для искажающих нагрузок обычно используется следующая процедура.

Схема измерения коэффициента мощности.

Общая мощность должна быть рассчитана как произведение показаний вольтметра и амперметра.

Теперь активную мощность (показания ваттметра) нужно разделить на кажущуюся мощность.

Если у вас нет ваттметра, вы можете использовать счетчик электроэнергии.

Для этого измерьте время 10 калибровочных импульсов (миганий светодиода на корпусе измерителя). Вычислите время периода одного импульса (разделите на 10). Зная коэффициент счетчика (обычно 3200 импульсов на кВт), можно рассчитать активную мощность нагрузки. Учитывая, что счетчики электроэнергии имеют класс точности 1,0, измерение будет достаточно точным.

Коррекция коэффициента мощности.

Существуют специальные устройства – корректоры коэффициента мощности (ККМ) – которые увеличивают КМ. Они могут быть пассивными или активными.

При пассивной коррекции коэффициента мощности дроссель подключается последовательно с цепью питания. Это решение часто используется в станциях катодной защиты трансформаторов. Однако это отчаянное решение. Другого решения для трансформаторных подстанций не существует. Дроссель должен иметь огромные размеры, не меньше, чем трансформатор, питающий станцию. Размер, вес, цена подстанции увеличиваются почти вдвое, а коэффициент мощности можно поднять только до 0,85.

В инверторных станциях катодной защиты без корректора мощности (выпрямительно-конденсаторная нагрузка, пример выше) КМ составляет около 0,6 – 0,7. Для его повышения используются специальные электронные модули – активные корректоры коэффициента мощности. Их схема основана на принципе повышающего импульсного преобразователя. Специальные схемы управления отслеживают форму потребляемого тока и управляют ключом преобразователя так, чтобы он стал синусоидальным. На выходе активного КРМ создается постоянное напряжение 380 – 400 В. Поэтому их нельзя использовать с трансформаторами.

Активные ККМ увеличивают КМ до 0,95 – 0,99.

Пример активной ККМ мощностью 2000 Вт для инверторной станции катодной защиты серии TIELLA.

Коэффициент мощности – это безразмерная физическая величина.

Как рассчитать коэффициент мощности

Коэффициент мощности рассчитывается как отношение активной мощности (P) к кажущейся мощности (S)

Где – реактивная мощность.

Коэффициент мощности для трехфазного асинхронного двигателя рассчитывается по формуле:

Коэффициент мощности может быть определен, например, с помощью треугольника сопротивления (рис.1a) или треугольника мощности (рис.1b).

Треугольники на рисунке 1(a и b) подобны, потому что их стороны пропорциональны.

Посмотрите на треугольник власти. Вспомните тригонометрию (это что-то из математики) – она пригодится здесь.

Что такое косинус Фи (cos φ) – “коэффициент мощности”

Косинус фи (cos φ) косинус угла между фазой напряжения и фазой тока.
При активной нагрузке фаза напряжения совпадает с фазой тока, φ (между фазами) равен 0 (нулю). А как мы знаем, cos0=1. Другими словами, для активной нагрузки коэффициент мощности равно 1 или 100%.

Активная нагрузка

В емкостной или индуктивной нагрузке фаза тока не совпадает с фазой напряжения. Это приводит к “сдвигу фаз”.
Для индуктивных или активно-индуктивных нагрузок (с катушками: двигатели, дроссели, трансформаторы) фаза тока задерживается по отношению к фазе напряжения.
При емкостной нагрузке (конденсатор) фаза тока предшествует фазе напряжения
Так почему косинус фи (cos φ) то же самое, что коэффициент мощностиэто потому, что S=U*I.
Посмотрите на приведенные ниже графики. Здесь φ равен 90 косинусу phi (cosφ)=0 (ноль).

Емкостная нагрузка

Индуктивная нагрузка

Попробуем для простоты рассчитать мощность, приняв максимальное напряжение за 1 (100%), в этот момент ток равен 0 (нулю). И наоборот, когда ток максимален, напряжение равно нулю.
Оказывается, что эффективная мощность равна 0 (нулю).

Коэффициент мощности это отношение полезной активной мощности к кажущейся мощности, т.е. cosφ=P/S.

Треугольник власти

Взгляните на треугольник власти. Вспомните тригонометрию (это что-то из математики), она пригодится здесь.

Q =U x I x sin φ.

На практике. Если подключить асинхронный двигатель к сети без нагрузки, на холостом ходу. Напряжение вроде бы присутствует, ток тоже присутствует, если его измерить, но никакой полезной работы не происходит. Поэтому активная мощность минимальна.
Если нагрузка на двигатель увеличивается, сдвиг фаз начинает уменьшаться и, следовательно, косинус фи (cos φ) увеличивается, а вместе с ним и активная мощность.

К счастью, измерители активной мощности регистрируют только активную мощность соответственно. Поэтому вам не придется переплачивать за общую мощность.

Однако реактивная мощность имеет большой недостаток, поскольку она создает ненужную нагрузку на энергосистему, что в свою очередь приводит к потерям.
Читайте далее: