Фактор силы

Отношение активной мощности к полной мощности

В электротехнике коэффициент мощности системы переменного тока определяется как отношение активной мощности, потребляемой нагрузкой , к полной мощности , протекающей в цепи. Реальная мощность представляет собой среднее мгновенного произведения напряжения и тока и представляет собой способность электричества выполнять работу. Полная мощность представляет собой произведение среднеквадратического (RMS) тока и напряжения. Из-за энергии, накопленной в нагрузке и возвращаемой к источнику, или из-за нелинейной нагрузки, которая искажает форму волны тока, потребляемого от источника, полная мощность может быть больше, чем реальная мощность, поэтому внутрь протекает больший ток. цепь, чем потребуется для передачи только реальной мощности. Величина коэффициента мощности меньше единицы указывает на то, что напряжение и ток не совпадают по фазе, что снижает среднее произведение этих двух значений. Отрицательный коэффициент мощности возникает, когда устройство (которое обычно является нагрузкой) генерирует активную мощность, которая затем течет обратно к источнику.

В электроэнергетической системе нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больший ток, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности при том же количестве передаваемой полезной мощности. Большие токи увеличивают потери энергии в распределительной системе и требуют проводов большего диаметра и другого оборудования. Из-за стоимости более крупного оборудования и потерь энергии электроэнергетические компании обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей, где коэффициент мощности низкий.

Коррекция коэффициента мощности увеличивает коэффициент мощности нагрузки, повышая эффективность распределительной системы, к которой она подключена. Линейные нагрузки с низким коэффициентом мощности (например, асинхронные двигатели ) можно корректировать с помощью пассивной сети конденсаторов или индукторов . Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители , искажают ток, потребляемый из системы. В таких случаях можно использовать активную или пассивную коррекцию коэффициента мощности для противодействия искажениям и повышения коэффициента мощности. Устройства коррекции коэффициента мощности могут находиться на центральной подстанции , разбросаны по распределительной системе или встроены в энергопотребляющее оборудование.

Общий случай

Схема, показывающая, как рассчитывается коэффициент мощности

Общее выражение для коэффициента мощности определяется выражением

${\displaystyle {\mbox{power factor}}=P/P_{a}}$

${\displaystyle P_{a}=I_{rms}V_{rms}}$

где - действительная мощность, измеренная идеальным ваттметром , - среднеквадратичное значение тока, измеренное идеальным амперметром , и - среднеквадратичное напряжение, измеренное идеальным вольтметром . Полная мощность представляет собой произведение действующего тока и действующего напряжения. ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle I_{rms}}$ ${\displaystyle V_{rms}}$ ${\displaystyle P_{a}}$

Если нагрузка подает мощность обратно на генератор, тогда и будет отрицательным. ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle {\mbox{power factor}}}$

Периодические сигналы

Если сигналы являются периодическими с одинаковым периодом, который намного короче, чем время усреднения физических счетчиков, то коэффициент мощности можно вычислить по следующей формуле:

${\displaystyle {\mbox{power factor}}=P/P_{a}}$

${\displaystyle P_{a}=I_{rms}V_{rms}}$

${\displaystyle P={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}i(t)v(t)dt}$

${\displaystyle I_{rms}^{2}={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}{i(t)}^{2}dt}$

${\displaystyle V_{rms}^{2}={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}{v(t)}^{2}dt}$

где – мгновенный ток, – мгновенное напряжение, – произвольное время запуска и – период сигналов. ${\displaystyle i(t)}$ ${\displaystyle v(t)}$ ${\displaystyle t'}$ ${\displaystyle T}$

Непериодические сигналы

Если формы сигналов не являются периодическими и физические счетчики имеют одинаковое время усреднения, то можно использовать уравнения для периодического случая, за исключением того, что вместо периода сигнала используется время усреднения счетчиков. ${\displaystyle T}$

Линейные нестационарные схемы

Поток мощности рассчитывается по переменному напряжению и току, поступающим на нагрузку с нулевым коэффициентом мощности ( φ  = 90°, cos( φ ) = 0). Синяя линия показывает мгновенную мощность, поступающую в нагрузку: вся энергия, полученная в течение первой (или третьей) четверти цикла, возвращается в сеть во время второй (или четвертой) четверти цикла, что приводит к среднему потоку мощности (голубая линия ) нуля.

Мгновенная и средняя мощность, рассчитанная по переменному напряжению и току для нагрузки с запаздывающим коэффициентом мощности ( φ  = 45°, cos( φ ) ≈ 0,71). Синяя линия (мгновенная мощность) показывает, что часть энергии, полученной нагрузкой, возвращается в сеть в течение части цикла, обозначенной φ .

Линейные, не зависящие от времени схемы ( далее в этой статье называемые просто линейными цепями ), например, схемы, состоящие из комбинаций резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, имеют синусоидальную реакцию на синусоидальное линейное напряжение. ^[1] Линейная нагрузка не меняет форму входного сигнала, но может изменить относительную синхронизацию (фазу) между напряжением и током из-за своей индуктивности или емкости.

В чисто резистивной цепи переменного тока формы сигналов напряжения и тока совпадают (или синфазны ), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле. Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется (или рассеивается).

Там, где присутствуют реактивные нагрузки, например, конденсаторы или катушки индуктивности , накопление энергии в нагрузках приводит к разнице фаз между формами сигналов тока и напряжения. Во время каждого цикла переменного напряжения дополнительная энергия, в дополнение к любой энергии, потребляемой нагрузкой, временно сохраняется в нагрузке в электрических или магнитных полях , а затем возвращается в энергосистему через некоторое время.

Электрические цепи, содержащие преимущественно резистивные нагрузки (лампы накаливания, нагревательные элементы), имеют коэффициент мощности почти 1, а вот цепи, содержащие индуктивные или емкостные нагрузки (электродвигатели, электромагнитные клапаны, трансформаторы, балласты люминесцентных ламп и др.), могут иметь коэффициент мощности хорошо ниже 1.

В электроэнергетической сети реактивные нагрузки вызывают непрерывные приливы и отливы непроизводительной мощности. Схема с низким коэффициентом мощности будет использовать больший ток для передачи заданного количества активной мощности, чем схема с высоким коэффициентом мощности, что приводит к увеличению потерь из-за резистивного нагрева в линиях электропередачи и требует использования проводники и трансформаторы.

Определение и расчет

Мощность переменного тока состоит из двух компонентов:

• Реальная мощность или активная мощность ( ) (иногда называемая средней мощностью ^[2] ), выраженная в ваттах (Вт) ${\displaystyle P}$
• Реактивная мощность ( ), обычно выражаемая в реактивных вольт-амперах (вар) ^[3] ${\displaystyle Q}$

Вместе они образуют комплексную мощность ( ), выраженную в вольт-амперах (ВА). Величина комплексной мощности представляет собой полную мощность ( ), также выражаемую в вольт-амперах (ВА). ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle |S|}$

ВА и вар — это единицы, не входящие в систему СИ, математически идентичные ваттам, но они используются в инженерной практике вместо ватта, чтобы указать, какая величина выражается. СИ явно запрещает использование единиц для этой цели или в качестве единственного источника информации об используемой физической величине. ^[4]

Коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности. Поскольку мощность передается по линии передачи, она состоит не только из активной мощности, которая может совершить работу после передачи нагрузке, а скорее состоит из комбинации активной и реактивной мощности, называемой полной мощностью. Коэффициент мощности описывает количество активной мощности, передаваемой по линии передачи, относительно общей полной мощности, проходящей по линии. ^{[5] [6]}

Коэффициент мощности также можно рассчитать как косинус угла θ, на который форма сигнала тока отстает или опережает форму сигнала напряжения. ^[7]

Силовой треугольник

Можно связать различные компоненты мощности переменного тока, используя треугольник мощности в векторном пространстве. Реальная мощность простирается горизонтально по действительной оси, а реактивная мощность — в направлении мнимой оси. Комплексная мощность (и ее величина, полная мощность) представляет собой комбинацию активной и реактивной мощности и, следовательно, может быть рассчитана с использованием векторной суммы этих двух компонентов. Можно сделать вывод, что математическая связь между этими компонентами такова:

${\displaystyle {\begin{aligned}S&=P+jQ\\|S|&={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}}\\{\text{pf}}&=\cos {\theta }={\frac {P}{|S|}}=\cos {\left(\arctan {\left({\frac {Q}{P}}\right)}\right)}\\Q&=P\,\tan(\arccos({\text{pf}}))\end{aligned}}}$

По мере увеличения угла θ при фиксированной полной полной мощности ток и напряжение еще больше не совпадают по фазе друг с другом. Реальная мощность уменьшается, а реактивная мощность увеличивается.

Коэффициенты мощности запаздывания, опережения и единицы

Коэффициент мощности считается опережающим , если форма сигнала тока опережает по фазе относительно напряжения, или запаздывающим, если форма сигнала тока отстает от формы сигнала напряжения. Запаздывающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является индуктивной, поскольку нагрузка будет потреблять реактивную мощность. Реактивная составляющая положительна, поскольку реактивная мощность проходит через цепь и потребляется индуктивной нагрузкой. Опережающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является емкостной, поскольку нагрузка обеспечивает реактивную мощность, и, следовательно, реактивная составляющая отрицательна, поскольку реактивная мощность подается в цепь. ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$

Если θ — фазовый угол между током и напряжением, то коэффициент мощности равен косинусу угла : ${\displaystyle \cos \theta }$

${\displaystyle |P|=|S|\cos \theta }$

Поскольку единицы измерения согласованы, коэффициент мощности по определению представляет собой безразмерное число от -1 до 1. Когда коэффициент мощности равен 0, поток энергии является полностью реактивным, и накопленная энергия в нагрузке возвращается к источнику в каждом цикле. Когда коэффициент мощности равен 1, что называется коэффициентом мощности единицы , вся энергия, подаваемая источником, потребляется нагрузкой. Коэффициенты мощности обычно указываются как опережающие или запаздывающие , чтобы показать знак фазового угла. Емкостные нагрузки опережают (ток приводит к напряжению), а индуктивные нагрузки отстают (ток отстает от напряжения).

Если к источнику питания подключена чисто резистивная нагрузка, ток и напряжение будут ступенчато менять полярность, коэффициент мощности будет равен 1, и электрическая энергия течет по сети в одном направлении в каждом цикле. Индуктивные нагрузки, такие как асинхронные двигатели (любой тип катушки с обмоткой), потребляют реактивную мощность, при этом форма волны тока отстает от напряжения. Емкостные нагрузки, такие как батареи конденсаторов или подземные кабели, генерируют реактивную мощность, причем фаза тока опережает напряжение. Оба типа нагрузок будут поглощать энергию в течение части цикла переменного тока, которая сохраняется в магнитном или электрическом поле устройства, только для того, чтобы вернуть эту энергию обратно источнику в течение оставшейся части цикла.

Например, чтобы получить 1 кВт реальной мощности, если коэффициент мощности равен единице, необходимо передать 1 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 1 = 1 кВА). При низких значениях коэффициента мощности необходимо передать больше полной мощности, чтобы получить ту же реальную мощность. Чтобы получить 1 кВт активной мощности при коэффициенте мощности 0,2, необходимо передать 5 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 0,2 = 5 кВА). Эта полная мощность должна быть произведена и передана на нагрузку, и она подвержена потерям в процессах производства и передачи.

Электрические нагрузки, потребляющие мощность переменного тока, потребляют как активную, так и реактивную мощность. Векторная сумма активной и реактивной мощности представляет собой комплексную мощность, а ее величина — полную мощность. Наличие реактивной мощности приводит к тому, что активная мощность становится меньше полной мощности, поэтому электрическая нагрузка имеет коэффициент мощности менее 1.

Отрицательный коэффициент мощности (от 0 до –1) может возникнуть в результате возврата активной мощности к источнику, например, в случае здания, оснащенного солнечными батареями, когда избыточная мощность возвращается в источник питания. ^{[8] [9] [10]}

Коррекция коэффициента мощности линейных нагрузок

Коррекция коэффициента мощности линейной нагрузки

В системе подачи электроэнергии обычно желателен высокий коэффициент мощности, чтобы уменьшить потери и улучшить регулирование напряжения на нагрузке. Компенсирующие элементы рядом с электрической нагрузкой снизят полную потребляемую мощность в системе электроснабжения. Коррекция коэффициента мощности может применяться предприятием по передаче электроэнергии для повышения стабильности и эффективности сети. Отдельные потребители электроэнергии, с которых коммунальное предприятие взимает плату за низкий коэффициент мощности, могут установить корректирующее оборудование для увеличения коэффициента мощности и снижения затрат.

Коррекция коэффициента мощности приближает коэффициент мощности силовой цепи переменного тока к 1 за счет подачи или поглощения реактивной мощности, добавления конденсаторов или катушек индуктивности, которые подавляют индуктивное или емкостное воздействие нагрузки соответственно. В случае компенсации индуктивного воздействия нагрузок двигателя конденсаторы можно подключать локально. Эти конденсаторы помогают генерировать реактивную мощность для удовлетворения потребностей индуктивных нагрузок. Это предотвратит протекание реактивной мощности от генератора к нагрузке. Говорят, что в электроэнергетике катушки индуктивности потребляют реактивную мощность, а конденсаторы ее поставляют, хотя реактивная мощность — это просто энергия, перемещающаяся вперед и назад в каждом цикле переменного тока.

Реактивные элементы в устройствах коррекции коэффициента мощности могут создавать колебания напряжения и гармонические шумы при включении или выключении. Они будут подавать или поглощать реактивную мощность независимо от того, работает ли поблизости соответствующая нагрузка, увеличивая потери системы на холостом ходу. В худшем случае реактивные элементы могут взаимодействовать с системой и друг с другом, создавая резонансные условия, что приводит к нестабильности системы и серьезным колебаниям перенапряжения . Таким образом, реактивные элементы невозможно применять без инженерного анализа.

1. Реле контроля реактивной мощности ; 2. Точки подключения к сети; 3. Инерционные предохранители ; 4. Контакторы ограничения бросков тока ; 5. Конденсаторы (однофазные или трехфазные, соединение треугольником); 6. Трансформатор (для органов управления и вентиляторов)

Блок автоматической коррекции коэффициента мощности состоит из ряда конденсаторов , которые переключаются посредством контакторов . Эти контакторы управляются регулятором, измеряющим коэффициент мощности в электрической сети. В зависимости от нагрузки и коэффициента мощности сети контроллер коэффициента мощности будет поэтапно переключать необходимые блоки конденсаторов, чтобы коэффициент мощности оставался выше выбранного значения.

Вместо набора переключаемых конденсаторов реактивную мощность может передавать ненагруженный синхронный двигатель . Реактивная мощность , потребляемая синхронным двигателем, является функцией возбуждения его поля. Его называют синхронным конденсатором . Он запускается и подключается к электрической сети . Он работает с ведущим коэффициентом мощности и подает в сеть переменную , необходимую для поддержания напряжения системы или поддержания коэффициента мощности системы на заданном уровне.

Установка и работа синхронного конденсатора аналогичны работе больших электродвигателей . Его основным преимуществом является легкость регулировки величины коррекции; он ведет себя как переменный конденсатор. В отличие от конденсаторов, количество вырабатываемой реактивной мощности пропорционально напряжению, а не квадрату напряжения; это улучшает стабильность напряжения в крупных сетях. Синхронные конденсаторы часто используются в проектах по передаче высокого напряжения постоянного тока или на крупных промышленных предприятиях, таких как сталелитейные заводы .

Для коррекции коэффициента мощности высоковольтных энергосистем или крупных нестабильных промышленных нагрузок все чаще используются силовые электронные устройства, такие как статический компенсатор реактивной мощности или STATCOM . Эти системы способны компенсировать внезапные изменения коэффициента мощности гораздо быстрее, чем конденсаторные батареи с контакторным управлением, и, поскольку они являются полупроводниковыми, требуют меньшего обслуживания, чем синхронные конденсаторы.

Нелинейные нагрузки

Примерами нелинейных нагрузок в энергосистеме являются выпрямители (например, используемые в источниках питания) и устройства дугового разряда, такие как люминесцентные лампы , электросварочные аппараты или дуговые печи . Поскольку ток в этих системах прерывается в результате переключения, ток содержит частотные составляющие, кратные частоте энергосистемы. Коэффициент мощности искажений — это мера того, насколько гармонические искажения тока нагрузки уменьшают среднюю мощность, передаваемую в нагрузку.

Синусоидальное напряжение и несинусоидальный ток дают коэффициент мощности искажений 0,75 для этой нагрузки блока питания компьютера.

Несинусоидальные компоненты

В линейных цепях, имеющих только синусоидальные токи и напряжения одной частоты, коэффициент мощности возникает только из-за разности фаз между током и напряжением. Это коэффициент смещения мощности . ^[11]

Нелинейные нагрузки изменяют форму сигнала тока с синусоидальной на другую форму. Нелинейные нагрузки создают гармонические токи в дополнение к исходному переменному току (основная частота). Это имеет важное значение в практических энергосистемах, содержащих нелинейные нагрузки, таких как выпрямители , некоторые виды электрического освещения, электродуговые печи , сварочное оборудование, импульсные источники питания , приводы с регулируемой скоростью и другие устройства. Фильтры, состоящие из линейных конденсаторов и катушек индуктивности, могут предотвратить попадание гармонических токов в питающую систему.

Для измерения активной мощности или реактивной мощности необходимо использовать ваттметр , предназначенный для правильной работы с несинусоидальными токами.

Коэффициент мощности искажений

Коэффициент мощности искажений — это составляющая искажений, связанная с гармоническими напряжениями и токами, присутствующими в системе.

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mbox{distortion power factor}}&={\frac {I_{1}}{I_{rms}}}\\&={\frac {I_{1}}{\sqrt {I_{1}^{2}+I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }{I_{1}^{2}}}}}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}\\\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\mbox{THD}}_{i}}$– полное гармоническое искажение тока нагрузки.

${\displaystyle THD_{i}={\frac {\sqrt {\displaystyle \sum _{h=2}^{\infty }I_{h}^{2}}}{I_{1}}}={\frac {\sqrt {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}{I_{1}}}}$

${\displaystyle I_{1}}$является основной составляющей тока и является общим током – оба являются среднеквадратичными значениями (коэффициент мощности искажений также можно использовать для описания гармоник отдельного порядка, используя соответствующий ток вместо общего тока). Это определение общих гармонических искажений предполагает, что напряжение остается неискаженным (синусоидальным, без гармоник). Это упрощение часто является хорошим приближением для источников с жестким напряжением (на которые не влияют изменения нагрузки на выходе в распределительной сети). Общие гармонические искажения типичных генераторов из-за искажений тока в сети составляют порядка 1–2%, что может иметь более масштабные последствия, но в обычной практике их можно игнорировать. ^[12] ${\displaystyle I_{\mbox{rms}}}$

Результат, умноженный на коэффициент мощности смещения, представляет собой общий, истинный коэффициент мощности или просто коэффициент мощности (PF):

${\displaystyle {\mbox{PF}}={\frac {\cos {\varphi }}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}}$

Искажения в трехфазных сетях

На практике локальное воздействие тока искажений на устройства в трехфазной распределительной сети зависит от величины гармоник определенного порядка, а не от общего гармонического искажения.

Например, тройные гармоники или гармоники нулевой последовательности (3-я, 9-я, 15-я и т. д.) обладают свойством синфазности при построчном сравнении. В трансформаторе с соединением треугольником эти гармоники могут привести к возникновению циркулирующих токов в обмотках треугольника и к большему резистивному нагреву . В конфигурации трансформатора со звездой тройные гармоники не будут создавать эти токи, но они приведут к ненулевому току в нейтральном проводе . В некоторых случаях это может привести к перегрузке нейтрального провода и вызвать ошибки в системах учета киловатт-часов и выставлении счетов. ^{[13] [14]} Наличие гармоник тока в трансформаторе также приводит к увеличению вихревых токов в магнитном сердечнике трансформатора. Потери на вихревые токи обычно увеличиваются пропорционально квадрату частоты, снижая эффективность трансформатора, рассеивая дополнительное тепло и сокращая срок его службы. ^[15]

Гармоники обратной последовательности (5-я, 11-я, 17-я и т. д.) объединяются со сдвигом по фазе на 120 градусов, аналогично основной гармонике, но в обратной последовательности. В генераторах и двигателях эти токи создают магнитные поля, которые препятствуют вращению вала и иногда приводят к разрушительным механическим вибрациям. ^[16]

Импульсные источники питания

Особенно важным классом нелинейных нагрузок являются миллионы персональных компьютеров, которые обычно оснащены импульсными источниками питания (ИМП) с номинальной выходной мощностью от нескольких ватт до более 1 кВт. Исторически сложилось так, что эти очень недорогие источники питания включали в себя простой двухполупериодный выпрямитель, который проводил ток только тогда, когда мгновенное напряжение сети превышало напряжение на входных конденсаторах. Это приводит к очень высокому отношению пикового и среднего входного тока, что также приводит к низкому коэффициенту мощности искажений и потенциально серьезным проблемам с нагрузкой на фазу и нейтраль.

Типичный импульсный источник питания сначала преобразует сеть переменного тока в шину постоянного тока с помощью мостового выпрямителя . Выходное напряжение затем извлекается из этой шины постоянного тока. Проблема в том, что выпрямитель является нелинейным устройством, поэтому входной ток сильно нелинейен. Это означает, что входной ток имеет энергию на гармониках частоты напряжения. Это представляет проблему для энергетических компаний, поскольку они не могут компенсировать гармонический ток путем добавления простых конденсаторов или катушек индуктивности, как они могли бы компенсировать реактивную мощность, потребляемую линейной нагрузкой. Во многих юрисдикциях начинают требовать коррекции коэффициента мощности для всех источников питания, мощность которых превышает определенный уровень.

Регулирующие органы, такие как ЕС, установили пределы гармоник как метод улучшения коэффициента мощности. Снижение стоимости компонентов ускорило внедрение двух разных методов. Чтобы соответствовать действующему стандарту ЕС EN61000-3-2, все импульсные источники питания с выходной мощностью более 75 Вт должны иметь как минимум пассивную коррекцию коэффициента мощности. Для сертификации источника питания 80 Plus требуется коэффициент мощности 0,9 или более.

Коррекция коэффициента мощности (PFC) при нелинейных нагрузках

Пассивный PFC

Самый простой способ контролировать гармонический ток — использовать фильтр , пропускающий ток только с частотой сети (50 или 60 Гц). Фильтр состоит из конденсаторов или катушек индуктивности и делает нелинейное устройство больше похожим на линейную нагрузку. Примером пассивной коррекции коэффициента мощности является схема с заполнением долины .

Недостатком пассивного PFC является то, что для него требуются катушки индуктивности или конденсаторы большего размера, чем для активной схемы PFC эквивалентной мощности. ^{[17] [18] [19]} Кроме того, на практике пассивная коррекция коэффициента мощности зачастую менее эффективна для улучшения коэффициента мощности. ^{[20] [21] [22] [23] [24]}

Активный PFC

Характеристики взяты с упаковки блока питания для ПК мощностью 610 Вт с указанием активной коррекции коэффициента мощности.

Активная коррекция коэффициента мощности — это использование силовой электроники для изменения формы тока, потребляемого нагрузкой, для улучшения коэффициента мощности. ^[25] Некоторые типы активной коррекции коэффициента мощности: понижающий , повышающий , повышающе-понижающий и синхронный конденсаторный . Коррекция коэффициента активной мощности может быть одноступенчатой ​​или многоступенчатой.

В случае импульсного источника питания между мостовым выпрямителем и основными входными конденсаторами вставляется повышающий преобразователь . Повышающий преобразователь пытается поддерживать постоянное напряжение на своем выходе, потребляя при этом ток, который всегда синфазен по фазе и имеет ту же частоту, что и линейное напряжение. Другой импульсный преобразователь внутри блока питания вырабатывает необходимое выходное напряжение из шины постоянного тока. Этот подход требует дополнительных полупроводниковых переключателей и управляющей электроники, но позволяет использовать более дешевые и меньшие пассивные компоненты. Он часто используется на практике.

Для трехфазного ИИП можно использовать венскую конфигурацию выпрямителя для существенного улучшения коэффициента мощности.

ИИП с пассивной коррекцией коэффициента мощности могут достигать коэффициента мощности около 0,7–0,75, ИИП с активной коррекцией коэффициента мощности — до 0,99, тогда как ИИП без какой-либо коррекции коэффициента мощности имеют коэффициент мощности всего лишь около 0,55–0,65. ^[26]

Благодаря очень широкому диапазону входного напряжения многие источники питания с активной коррекцией коэффициента мощности могут автоматически настраиваться на работу от сети переменного тока с напряжением от 100 В (Япония) до 240 В (Европа). Эта особенность особенно приветствуется в блоках питания для ноутбуков.

Динамический PFC

Динамическая коррекция коэффициента мощности (DPFC), иногда называемая коррекцией коэффициента мощности в реальном времени, используется для электрической стабилизации в случаях быстрого изменения нагрузки (например, на крупных производственных площадках). DPFC полезен, когда стандартная коррекция коэффициента мощности может привести к чрезмерной или недостаточной коррекции. ^[27] В DPFC используются полупроводниковые переключатели, обычно тиристоры , для быстрого подключения и отключения конденсаторов или индукторов для улучшения коэффициента мощности.

Важность в системах распределения

Конденсаторная батарея 75 МВАр на подстанции 150 кВ

Коэффициент мощности ниже 1,0 требует, чтобы коммунальное предприятие вырабатывало напряжение, превышающее минимальное значение в вольт-амперах, необходимое для обеспечения реальной мощности (ватт). Это увеличивает затраты на производство и передачу электроэнергии. Например, если бы коэффициент мощности нагрузки был всего 0,7, полная мощность была бы в 1,4 раза больше реальной мощности, потребляемой нагрузкой. Линейный ток в цепи также будет в 1,4 раза больше тока, необходимого при коэффициенте мощности 1,0, поэтому потери в цепи увеличатся вдвое (поскольку они пропорциональны квадрату тока). Альтернативно, все компоненты системы, такие как генераторы, проводники, трансформаторы и распределительные устройства, будут увеличены в размерах (и стоимости), чтобы выдерживать дополнительный ток. Когда коэффициент мощности близок к единице, при той же номинальной мощности трансформатора можно подавать больший ток нагрузки. ^[28]

Коммунальные предприятия обычно взимают дополнительные расходы с коммерческих потребителей, у которых коэффициент мощности ниже определенного предела, который обычно составляет от 0,9 до 0,95. Инженеров часто интересует коэффициент мощности нагрузки как один из факторов, влияющих на эффективность передачи мощности.

С ростом стоимости энергии и опасениями по поводу ее эффективной подачи активная коррекция коэффициента мощности стала более распространенной в бытовой электронике. ^[29] Действующие рекомендации Energy Star для компьютеров ^[30] предусматривают коэффициент мощности ≥ 0,9 при 100 % номинальной мощности источника питания ПК . Согласно официальному документу, подготовленному Intel и Агентством по охране окружающей среды США , ПК с внутренними источниками питания потребуют использования активной коррекции коэффициента мощности для соответствия требованиям программы ENERGY STAR 5.0 для компьютеров. ^[31]

В Европе стандарт EN 61000-3-2 требует включения коррекции коэффициента мощности в потребительские товары.

Небольшим потребителям, таким как домашние хозяйства, обычно не взимается плата за реактивную мощность, поэтому для таких потребителей не устанавливается оборудование для измерения коэффициента мощности.

Методы измерения

Коэффициент мощности в однофазной цепи (или симметричной трехфазной цепи) можно измерить методом ваттметр-амперметр-вольтметр, при котором мощность в ваттах делится на произведение измеренного напряжения и тока. Коэффициент мощности сбалансированной многофазной цепи такой же, как и у любой фазы. Коэффициент мощности несбалансированной многофазной цепи не определен однозначно.

Измеритель коэффициента мощности с прямым считыванием может быть изготовлен из счетчика с подвижной катушкой электродинамического типа, несущего две перпендикулярные катушки на подвижной части прибора. Поле прибора возбуждается током, протекающим в цепи. Две подвижные катушки A и B подключаются параллельно нагрузке цепи. Одна катушка A будет подключена через резистор, а вторая катушка B через катушку индуктивности, так что ток в катушке B задерживается по отношению к току в A. При коэффициенте мощности, равном единице, ток в A находится в фазе. с током цепи, а катушка А обеспечивает максимальный крутящий момент, перемещая указатель прибора к отметке 1,0 на шкале. При нулевом коэффициенте мощности ток в катушке B находится в фазе с током цепи, а катушка B обеспечивает крутящий момент, приводящий указатель к 0. При промежуточных значениях коэффициента мощности крутящие моменты, создаваемые двумя катушками, складываются, и указатель занимает промежуточное положение. позиции. ^[32]

Другой электромеханический инструмент - поляризованно-лопастной. ^[33] В этом приборе катушка постоянного поля создает вращающееся магнитное поле, как в многофазном двигателе. Катушки возбуждения подключаются либо непосредственно к источникам многофазного напряжения, либо к фазосдвигающему реактору в случае однофазного применения. Вторая катушка постоянного возбуждения, перпендикулярная катушкам напряжения, пропускает ток, пропорциональный току в одной фазе цепи. Подвижная система прибора состоит из двух лопастей, намагниченных токовой катушкой. В процессе работы подвижные лопатки занимают физический угол, эквивалентный электрическому углу между источником напряжения и источником тока. Этот тип прибора можно настроить для регистрации токов в обоих направлениях, обеспечивая четырехквадрантное отображение коэффициента мощности или фазового угла.

Существуют цифровые приборы, которые напрямую измеряют временную задержку между формами сигналов напряжения и тока. Недорогие инструменты этого типа измеряют пик формы сигнала. Более сложные версии измеряют только пик основной гармоники, что дает более точные показания фазового угла искаженных сигналов. Расчет коэффициента мощности по фазам напряжения и тока является точным только в том случае, если обе формы сигналов синусоидальные. ^[34]

Анализаторы качества электроэнергии, часто называемые анализаторами мощности, выполняют цифровую запись формы сигнала напряжения и тока (обычно однофазного или трехфазного) и точно рассчитывают истинную мощность (Вт), коэффициент мощности полной мощности (ВА), напряжение переменного тока, Переменный ток, постоянное напряжение, постоянный ток, частота, измерение гармоник IEC61000-3-2/3-12, измерение мерцания IEC61000-3-3/3-11, напряжение отдельных фаз в схеме треугольника, где нет нейтральной линии, общая гармоника искажения, фаза и амплитуда отдельных гармоник напряжения или тока и т. д. ^{[35] [36]}

Мнемоника

Англоязычным студентам-энергетикам рекомендуется запомнить: ELI the ICE man или ELI на ICE – напряжение E опережает ток I в индукторе L. Ток I опережает напряжение E в конденсаторе C.

Другая распространенная мнемоника — CIVIL — в конденсаторе (C) ток (I) опережает напряжение (V), напряжение (V) опережает ток (I) в катушке индуктивности (L).

Рекомендации

1. Дас, JC (2015). Гармоники энергосистемы и проектирование пассивных фильтров . Уайли, IEEE Press. п. 2. ISBN 978-1-118-86162-2. Чтобы различать линейные и нелинейные нагрузки, мы можем сказать, что линейные, не зависящие от времени нагрузки характеризуются тем, что приложение синусоидального напряжения приводит к синусоидальному протеканию тока.
2. Бойлестад, Роберт (4 марта 2002 г.). Вводный анализ цепей (10-е изд.). п. 857. ИСБН 978-0-13-097417-4.
3. «Единицы СИ - электричество и магнетизм» . CH : Международная электротехническая комиссия. Архивировано из оригинала 11 декабря 2007 г. Проверено 14 июня 2013 г.
4. Международная система единиц (СИ) [брошюра СИ] (PDF) . § 5.3.2 (стр. 132, 40 в PDF- файле): МБМВ . 2006. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.{{cite book}}: CS1 maint: location (link)
5. Авторитетный словарь стандартных терминов (7-е изд.), IEEE , 2000, ISBN 978-0-7381-2601-2, Стд. 100
6. Стандартные определения для пробного использования для измерения количества электроэнергии в синусоидальных, несинусоидальных, сбалансированных или несбалансированных условиях , IEEE, 2000, ISBN 978-0-7381-1963-2, Стд. 1459–2000 гг.. Примечание 1, раздел 3.1.1.1, при определении величин коэффициента мощности утверждает, что активная мощность поступает только в нагрузку и никогда не может быть отрицательной. По состоянию на 2013 год один из авторов признал, что это примечание неверно и пересматривается для следующего издания. См. http://powerstandards.com/Shymanski/draft.pdf. Архивировано 4 марта 2016 г. на Wayback Machine.
7. Суреш Кумар, Канзас (2013). Анализ электрических цепей . Пирсон. п. 8.10. ISBN 978-8-13-179155-4.
8. Дадделл, В. (1901), «О сопротивлении и электродвижущих силах электрической дуги», Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences , 203 (359–371): 512–15, doi : 10.1098/rsta.1904.0022 . Тот факт, что сплошная дуга имеет на низких частотах отрицательный коэффициент мощности, указывает на то, что дуга подает мощность на генератор…
9. Чжан, С. (июль 2006 г.), «Анализ некоторых проблем измерения при испытаниях коэффициента мощности вводов в полевых условиях», IEEE Transactions on Power Delivery , 21 (3): 1350–56, doi : 10.1109/tpwrd.2006.874616, S2CID  39895367, … (измерение) дает как отрицательный коэффициент мощности, так и отрицательный резистивный ток (потери мощности)
10. Альмаршуд, AF; и другие. (2004), «Производительность индукционного генератора, подключенного к сети, под управлением естественно коммутируемого контроллера напряжения переменного тока», Electric Power Components and Systems , 32 (7): 691–700, doi : 10.1080/15325000490461064, S2CID  110279940, Соответственно, генератор будет потреблять активная мощность из сети, что приводит к отрицательному коэффициенту мощности.
11. Эвальд Фукс; Мохаммад А.С. Масум (14 июля 2015 г.). Качество электроэнергии в энергосистемах и электрических машинах. Эльзевир Наука. стр. 432–. ISBN 978-0-12-800988-8. DPF — это косинус угла между этими двумя величинами.
12. Шанкаран, К. (1999), Влияние гармоник на энергосистемы, Электроиспытания, ... и соотношение напряжения и времени отклоняется от функции чистого синуса. Искажения в точке генерации очень малы (около 1–2%), но тем не менее они существуют.
13. «Гармоники однофазной нагрузки по сравнению с гармониками трехфазной нагрузки» ( PDF ) , Гармоники энергосистемы , Pacific Gas and Electric
14. «Гармонические эффекты» ( PDF ) , Гармоники и IEEE 519 , Калифорния : EnergyLogix Solutions
15. Шанкаран, К. (1999), «Трансформаторы», Влияние гармоник на энергосистемы, Электротест
16. Шанкаран, К. (1999), «Двигатели», Влияние гармоник на энергосистемы, Электротест. Взаимодействие между магнитными полями и токами положительной и отрицательной последовательности вызывает крутильные колебания вала двигателя. Эти колебания приводят к вибрации вала.
17. Шрамм, Бен (осень 2006 г.), «Принципы проектирования источников питания: методы и решения, часть 3», информационный бюллетень , Nuvation, заархивировано из оригинала 9 марта 2007 г.
18. Вольфл, WH; Херли, В.Г. (2003), «Квазиактивная коррекция коэффициента мощности с помощью переменного индуктивного фильтра: теория, проектирование и практика», Xplore , IEEE, vol. 18, нет. 1, стр. 248–255, Бибкод : 2003ITPE...18..248W, doi : 10.1109/TPEL.2002.807135
19. Вёльфле, WH; Херли, В.Г., «Квазиактивная коррекция коэффициента мощности: роль переменной индуктивности», Силовая электроника (проект), IE : Nuigalway
20. Обзор блоков питания ATX, xBit labs, заархивировано из оригинала 20 ноября 2008 г. Коэффициент мощности является мерой реактивной мощности. Это отношение активной мощности к сумме активной и реактивной мощности. У обычного БП он составляет около 0,65, но БП с активной коррекцией коэффициента мощности имеют коэффициент мощности 0,97–0,99. […] Рецензенты аппаратного обеспечения иногда не делают разницы между коэффициентом мощности и коэффициентом эффективности. Хотя оба этих термина описывают эффективность источника питания, путать их — грубая ошибка. […] Эффект от пассивного PFC очень мал – коэффициент мощности вырастает всего с 0,65 до 0,7–0,75.
21. Ожидается, что рынок активных PFC будет расти на 12,3% в год до 2011 г., Найдите статьи, 16 марта 2006 г., заархивировано из оригинала 1 сентября 2009 г., Продукты с более высокой мощностью также, вероятно, будут использовать активный PFC, поскольку это будет наиболее экономически эффективный способ привести продукцию в соответствие со стандартом EN.
22. Коррекция коэффициента мощности, TECHarp, Пассивная коррекция коэффициента мощности […] коэффициент мощности низкий и составляет 60–80%. […] Активная коррекция коэффициента мощности ... коэффициент мощности до 95 %
23. Зачем нам нужен PFC в блоке питания, Silverstone Technology, заархивировано из оригинала 22 декабря 2008 г. Обычно значение коэффициента мощности электронного устройства без коррекции коэффициента мощности составляет примерно 0,5. […] Пассивная коррекция коэффициента мощности […] 70–80 % […] Активная коррекция коэффициента мощности […] 90–99,9 %
24. Брукс, Том (март 2004 г.), «Варианты PFC для источников питания», Taiyo , Электронные продукты, заархивировано из оригинала 02 декабря 2008 г. Недостатками пассивных методов PFC является то, что они обычно дают коэффициент мощности всего 0,60. до 0,70 […] Двухступенчатая активная технология PFC [даёт] коэффициент мощности, обычно превышающий 0,98.
25. Основы коррекции коэффициента мощности (PFC) (PDF) (примечания по применению), Fairchild Semiconductor, 2004 г., заархивировано из оригинала (PDF) 11 июня 2014 г. , получено 29 ноября 2009 г.
26. Сугавара, И.; Сузуки, Ю.; Такеучи, А.; Тешима, Т. (19–23 октября 1997 г.), «Экспериментальные исследования активных и пассивных схем PFC», INTELEC 97, 19-я Международная конференция по телекоммуникациям и энергетике , стр. 571–78, doi : 10.1109/INTLEC.1997.646051, ISBN 978-0-7803-3996-5, S2CID  109885369
27. Чавес, К.; Хоудек, Дж. А. «Динамическое подавление гармоник и коррекция коэффициента мощности». EPQU'07 . 9-я Международная конференция «Качество и использование электроэнергии»: 9–11 октября 2007 г., Барселона, Испания. IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/EPQU.2007.4424144. ISBN 978-84-690-9441-9.
28. «Коэффициент мощности - важность, методы расчета и коррекции». 23 ноября 2018 г.
29. Справочник по коррекции коэффициента мощности (PDF) , ON Semiconductor, 2007 г.
30. Требования к программе для компьютеров (PDF) (изд. версии 5.0), США: Energy Star
31. Болиоли, Т.; Дуггирала, М.; Хейнс, Э.; Колаппан, Р.; Вонг, Х. (2009), Внедрение системы версии 5.0 (PDF) (информационный документ), Energy Star, заархивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
32. Финк, Дональд Г .; Бити, Х. Уэйн (1978), Стандартный справочник для инженеров-электриков (11-е изд.), Нью-Йорк: McGraw-Hill, стр. 3–29, абзац 80, ISBN 978-0-07-020974-9
33. Руководство по конструкции и принципам работы электрических приборов , Скенектади, Нью-Йорк: General Electric, Департамент счетчиков и приборов, 1949, стр. 66–68, GET-1087A
34. «Основы анализа и измерения сигналов на основе БПФ в LabVIEW и LabWindows/CVI». Национальная корпорация инструментов . Проверено 6 ноября 2017 г.
35. «Прецизионные анализаторы мощности серии WT3000E» (PDF) . Корпорация Йокогава . Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2017 года . Проверено 6 ноября 2017 г.
36. "Трехфазный регистратор качества электроэнергии Fluke 1760" (PDF) . Корпорация Флюк . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 6 ноября 2017 г.

Внешние ссылки

• Гармоники и их связь с коэффициентом мощности (PDF) , Техасский университет.