Коэффициент мощности

Отношение активной мощности к полной мощности

В электротехнике коэффициент мощности системы питания переменного тока определяется как отношение реальной мощности, потребляемой нагрузкой , к полной мощности, протекающей в цепи. Реальная мощность является средним значением мгновенного произведения напряжения и тока и представляет собой способность электричества выполнять работу. Полная мощность является произведением среднеквадратичного (RMS) тока и напряжения. Из-за энергии, запасенной в нагрузке и возвращаемой источнику, или из-за нелинейной нагрузки, которая искажает форму волны тока, потребляемого от источника, полная мощность может быть больше реальной мощности, поэтому в цепи протекает больше тока, чем потребовалось бы для передачи только реальной мощности. Величина коэффициента мощности меньше единицы указывает на то, что напряжение и ток не находятся в фазе, что уменьшает среднее произведение этих двух величин. Отрицательный коэффициент мощности возникает, когда устройство (обычно нагрузка) генерирует реальную мощность, которая затем течет обратно к источнику.

В системе электроснабжения нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности, при том же количестве передаваемой полезной мощности. Более высокие токи увеличивают потери энергии в системе распределения и требуют более крупных проводов и другого оборудования. Из-за стоимости более крупного оборудования и бесполезной траты энергии электростанции обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих клиентов с низким коэффициентом мощности.

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 скорректировать с помощью пассивной сети конденсаторов или индукторов . Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители , искажают ток, потребляемый от системы. В таких случаях активная или пассивная коррекция коэффициента мощности может использоваться для противодействия искажению и повышения коэффициента мощности. Устройства для коррекции коэффициента мощности могут находиться на центральной подстанции , распространяться по распределительной системе или встраиваться в энергопотребляющее оборудование.

Линейные цепи

Поток мощности, рассчитанный из переменного напряжения и тока, поступающих в 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 в течение второй (или четвертой) четверти цикла, в результате чего средний поток мощности (голубая линия) равен нулю.

Мгновенная и средняя мощность, рассчитанная по напряжению и току переменного тока для нагрузки с отстающим 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 .

В линейной цепи , состоящей из комбинаций резисторов, индукторов и конденсаторов, ток имеет синусоидальную реакцию на синусоидальное линейное напряжение. ^[1] Линейная нагрузка не изменяет 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 волн напряжения и тока находятся в такт (или в фазе ), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле. Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется (или рассеивается).

При наличии реактивных нагрузок, таких как конденсаторы или индукторы , накопление энергии в нагрузках приводит к разнице фаз между формами тока и напряжения. Во время каждого цикла напряжения переменного тока дополнительная энергия, в дополнение к любой энергии, потребляемой в нагрузке, временно сохраняется в нагрузке в электрических или магнитных полях, а затем возвращается в электросеть через часть периода.

Электрические цепи, содержащие преимущественно резистивные нагрузки ( лампы накаливания , устройства, использующие нагревательные элементы , такие как электрические тостеры и духовки ), имеют коэффициент мощности, близкий к 1, но цепи, содержащие индуктивные или емкостные нагрузки (электродвигатели, электромагнитные клапаны, трансформаторы, балласты люминесцентных ламп и другие), могут иметь коэффициент мощности значительно ниже 1.

Цепь с низким коэффициентом мощности будет использовать большее количество тока для передачи заданного количества активной мощности, чем цепь с высоким коэффициентом мощности, что приведет к увеличению потерь из-за резистивного нагрева в линиях электропередач и потребует использования проводников и трансформаторов с более высокими номинальными характеристиками.

Определение и расчет

Переменный ток 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 — это кажущаяся мощность ( ), также выраженная в вольт-амперах (ВА). ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle |S|}$

ВА и вар — не входящие в систему СИ единицы, по размерности схожие с ваттом, но используемые в инженерной практике вместо ватта для указания того, какая величина выражается. СИ явно запрещает использовать единицы для этой цели или как единственный источник информации об используемой физической величине. ^[4]

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

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

Треугольник власти

Можно связать различные компоненты мощности переменного тока, используя треугольник мощности в векторном пространстве. Действительная мощность простирается горизонтально по действительной оси, а реактивная мощность простирается в направлении мнимой оси. Комплексная мощность (и ее величина, кажущаяся мощность) представляет собой комбинацию как действительной, так и реактивной мощности, и поэтому может быть рассчитана с помощью векторной суммы этих двух компонентов. Мы можем заключить, что математическая связь между этими компонентами следующая:

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

По мере увеличения угла θ при фиксированной полной полной мощности ток и напряжение все больше расходятся по фазе. Активная мощность уменьшается, а реактивная мощность увеличивается.

Коэффициенты мощности отстающих, опережающих и единичных

Коэффициент мощности описывается как опережающий , если форма волны тока опережает по фазе относительно напряжения, или отстающий, когда форма волны тока отстает от формы волны напряжения. Отстающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является индуктивной, так как нагрузка будет потреблять реактивную мощность. Реактивная составляющая положительна, так как реактивная мощность проходит через цепь и потребляется индуктивной нагрузкой. Опережающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является емкостной, так как нагрузка поставляет реактивную мощность, и поэтому реактивная составляющая отрицательна, так как 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 является безразмерным числом от -1 до 1. Когда коэффициент мощности равен 0, поток энергии полностью реактивен, и накопленная в нагрузке энергия возвращается к источнику в каждом цикле. Когда коэффициент мощности равен 1, что называется единичным коэффициентом мощности, вся энергия, поставляемая источником, потребляется нагрузкой. Коэффициенты мощности обычно указываются как опережающие или отстающие , чтобы показать знак фазового угла. Емкостные нагрузки являются опережающими (ток опережает напряжение), а индуктивные нагрузки являются отстающими (ток отстает от напряжения).

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

Например, чтобы получить 1 кВт активной 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 активную 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 нагрузке и подвержена потерям в процессах производства и передачи.

Электрические нагрузки, потребляющие переменный ток, потребляют как активную, так и реактивную мощность. Векторная сумма активной и реактивной мощности — это комплексная мощность, а ее величина — это полная мощность. Наличие реактивной мощности приводит к тому, что активная мощность меньше полной мощности, и, таким образом, 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, оборудованного солнечными панелями, когда излишки мощности возвращаются в источник. ^{[8] [9] [10]}

Коррекция коэффициента мощности линейных нагрузок

Коррекция коэффициента мощности линейной нагрузки

Высокий коэффициент мощности обычно желателен в системе электроснабжения для снижения потерь и улучшения регулирования напряжения на нагрузке. Компенсирующие элементы вблизи электрической нагрузки уменьшат кажущуюся потребность в мощности в системе электроснабжения. Коррекция коэффициента мощности может применяться коммунальной службой по передаче электроэнергии для повышения стабильности и эффективности сети. Отдельные потребители электроэнергии, с которых коммунальная служба взимает плату за низкий коэффициент мощности, могут установить корректирующее оборудование для повышения коэффициента мощности и снижения затрат.

Коррекция коэффициента мощности приближает коэффициент мощности цепи переменного тока к 1 за счет подачи или поглощения реактивной мощности, добавления конденсаторов или индукторов, которые действуют для компенсации индуктивного или емкостного влияния нагрузки соответственно. В случае компенсации индуктивного влияния нагрузок двигателя конденсаторы могут быть подключены локально. Эти конденсаторы помогают генерировать реактивную мощность для удовлетворения спроса индуктивных нагрузок. Это предотвратит необходимость передачи этой реактивной мощности от генератора коммунальной сети к нагрузке. В электроэнергетике говорят, что индукторы потребляют реактивную мощность, а конденсаторы говорят, что они ее поставляют, хотя реактивная мощность — это просто энергия, движущаяся 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 поставлять или отводить реактивную мощность независимо от того, есть ли рядом соответствующая нагрузка, увеличивая потери холостого хода системы. В худшем случае реактивные элементы могут взаимодействовать с системой и друг с другом, создавая резонансные условия, что приводит к нестабильности системы и сильным колебаниям перенапряжения . Таким образом, реактивные элементы просто не могут применяться без инженерного анализа.

1. Реле управления реактивной мощностью ; 2. Точки подключения к сети; 3. Плавкие предохранители с задержкой срабатывания; 4. Контакторы ограничения пускового тока ; 5. Конденсаторы (однофазные или трехфазные блоки, соединение треугольником); 6. Трансформатор (для управления и вентиляторов)

Автоматический блок коррекции коэффициента мощности состоит из нескольких конденсаторов , которые переключаются с помощью контакторов . Эти контакторы управляются регулятором, который измеряет коэффициент мощности в электрической сети. В зависимости от нагрузки и коэффициента мощности сети контроллер коэффициента мощности будет переключать необходимые блоки конденсаторов пошагово, чтобы убедиться, что коэффициент мощности остается выше выбранного значения.

Вместо набора переключаемых конденсаторов ненагруженный синхронный двигатель может поставлять реактивную мощность. Реактивная мощность, потребляемая синхронным двигателем, является функцией его возбуждения поля. Он называется синхронным конденсатором . Он запускается и подключается к электрической сети . Он работает с опережающим коэффициентом мощности и выдает реактивную мощность в сеть по мере необходимости для поддержки напряжения системы или поддержания коэффициента мощности системы на заданном уровне.

Установка и эксплуатация синхронного конденсатора идентичны установке и эксплуатации больших электродвигателей . Его главным преимуществом является простота регулировки величины коррекции; он ведет себя как переменный конденсатор. В отличие от конденсаторов, величина выдаваемой реактивной мощности пропорциональна напряжению, а не квадрату напряжения; это улучшает стабильность напряжения в больших сетях. Синхронные конденсаторы часто используются в связи с проектами высоковольтной передачи постоянного тока или на крупных промышленных предприятиях, таких как сталелитейные заводы .

Для коррекции коэффициента мощности высоковольтных энергосистем или больших, колеблющихся промышленных нагрузок все чаще используются силовые электронные устройства, такие как статический компенсатор реактивной мощности или STATCOM . Эти системы способны компенсировать резкие изменения коэффициента мощности гораздо быстрее, чем конденсаторные батареи с контакторным переключением, и, будучи твердотельными, требуют меньшего обслуживания, чем синхронные конденсаторы.

Нелинейные нагрузки

Примерами нелинейных нагрузок в системе электропитания являются выпрямители (например, используемые в блоке питания) и устройства дугового разряда, такие как люминесцентные лампы , электросварочные аппараты или дуговые печи . Поскольку ток в этих системах прерывается коммутационным действием, ток содержит частотные компоненты, кратные частоте системы электропитания. Коэффициент мощности искажения является мерой того, насколько гармонические искажения тока нагрузки уменьшают среднюю мощность, передаваемую нагрузке.

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

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 мощности смещения . ^[11]

Нелинейные нагрузки изменяют форму волны тока с синусоиды на какую-либо другую форму. Нелинейные нагрузки создают гармонические токи в дополнение к исходному (основной частоте) переменному току. Это важно в практических энергосистемах, которые содержат нелинейные нагрузки, такие как выпрямители , некоторые формы электрического освещения, электродуговые печи , сварочное оборудование, импульсные источники питания , приводы с переменной скоростью и другие устройства. Фильтры, состоящие из линейных конденсаторов и индукторов, могут предотвратить попадание гармонических токов в систему питания.

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

Коэффициент мощности искажения

Коэффициент мощности искажений — это компонент искажений, связанный 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.

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

${\displaystyle I_{1}}$— фундаментальная составляющая тока, — полный ток, — ток на h ^-й гармонике; все они являются среднеквадратичными значениями (коэффициент мощности искажения также может использоваться для описания гармоник индивидуального порядка, используя соответствующий ток вместо полного тока). Это определение относительно полного гармонического искажения предполагает, что напряжение остается неискаженным (синусоидальным, без гармоник). Это упрощение часто является хорошим приближением для жестких источников напряжения (не подверженных изменениям нагрузки ниже по течению в распределительной сети). Полное гармоническое искажение типичных генераторов от искажения тока в сети составляет порядка 1–2%, что может иметь более масштабные последствия, но может игнорироваться в обычной практике. ^[12] ${\displaystyle I_{rms}}$ ${\displaystyle I_{h}}$

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 локальные эффекты искажения тока на устройствах в трехфазной распределительной сети зависят от величины гармоник определенного порядка, а не от общего коэффициента гармонических искажений.

Например, триплетные или нулевые последовательности гармоник (3-я, 9-я, 15-я и т. д.) обладают свойством быть в фазе по сравнению с линией к линии. В трансформаторе с соединением треугольником эти гармоники могут привести к циркулирующим токам в обмотках треугольника и вызвать больший резистивный нагрев . В конфигурации звезды трансформатора триплетные гармоники не будут создавать эти токи, но они приведут к ненулевому току в нейтральном проводе . Это может перегрузить нейтральный провод в некоторых случаях и создать ошибку в системах учета киловатт-часов и доходах от выставления счетов. ^{[13] [14]} Наличие гармоник тока в трансформаторе также приводит к большим вихревым токам в магнитном сердечнике трансформатора. Потери на вихревые токи обычно увеличиваются пропорционально квадрату частоты, снижая эффективность трансформатора, рассеивая дополнительное тепло и сокращая его срок службы. ^[15]

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

Коррекция коэффициента мощности (PFC) в нелинейных нагрузках

Пассивный PFC

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

Недостатком пассивной коррекции коэффициента мощности является то, что она требует больших индуктивностей или конденсаторов, чем эквивалентная схема активной коррекции коэффициента мощности. ^{[17] [18] [19]} Кроме того, на практике пассивная коррекция коэффициента мощности часто менее эффективна для улучшения коэффициента мощности. ^{[20] [21] [22] [23] [24]}

Активный ПФК

Технические характеристики взяты с упаковки блока питания ПК мощностью 610 Вт с указанием рейтинга активной коррекции коэффициента мощности

Активная коррекция коэффициента мощности — это использование силовой электроники для изменения формы волны тока, потребляемого нагрузкой, для улучшения коэффициента мощности. ^[25] Некоторые типы активной коррекции коэффициента мощности — это понижающие , повышающие , понижающе-повышающие и синхронные конденсаторные . Активная коррекция коэффициента 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, одновременно потребляя ток, который всегда находится в фазе и на той же частоте, что и напряжение сети. Другой импульсный преобразователь внутри источника питания вырабатывает желаемое 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 ИБП можно использовать венскую схему выпрямителя, что позволит существенно улучшить коэффициент мощности.

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

Благодаря очень широкому диапазону входного напряжения многие блоки питания с активным PFC могут автоматически подстраиваться под работу от сети переменного тока от 100 В (Япония) до 240 В (Европа). Эта функция особенно востребована 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 быстрых изменений нагрузки (например, на крупных производственных площадках). DPFC полезна, когда стандартная коррекция коэффициента мощности может привести к избыточной или недостаточной коррекции. ^[27] DPFC использует полупроводниковые переключатели, как правило, тиристоры , для быстрого подключения и отключения конденсаторов или индукторов для улучшения коэффициента мощности.

Значение в системах распределения

Конденсаторная батарея 75 МВар на подстанции 150 кВ

Конденсаторная батарея на опоре линии электропередач в Сан-Хосе, Калифорния, США

Коэффициенты мощности ниже 1,0 требуют, чтобы коммунальное предприятие генерировало больше, чем минимальные вольт-амперы, необходимые для подачи реальной мощности (ватт). Это увеличивает затраты на генерацию и передачу. Например, если коэффициент мощности нагрузки был бы всего 0,7, то кажущаяся мощность была бы в 1,4 раза больше реальной мощности, используемой нагрузкой. Линейный ток в цепи также был бы в 1,4 раза больше тока, необходимого при коэффициенте мощности 1,0, поэтому потери в цепи были бы удвоены (поскольку они пропорциональны квадрату тока). В качестве альтернативы, все компоненты системы, такие как генераторы, проводники, трансформаторы и распределительные устройства, были бы увеличены в размерах (и стоимости) для переноса дополнительного тока. Когда коэффициент мощности близок к единице, для той же номинальной мощности трансформатора в кВА может быть подан больший ток нагрузки. ^[28]

Коммунальные службы обычно взимают дополнительную плату с коммерческих клиентов, у которых коэффициент мощности ниже определенного предела, который обычно составляет от 0,9 до 0,95. Инженеры часто интересуются коэффициентом мощности нагрузки как одним из факторов, влияющих на эффективность передачи электроэнергии.

С ростом стоимости энергии и опасениями по поводу эффективной подачи питания активная коррекция коэффициента мощности стала более распространенной в потребительской электронике. ^[29] Текущие рекомендации Energy Star для компьютеров ^[30] требуют коэффициента мощности ≥ 0,9 при 100% номинальной мощности в блоке питания ПК . Согласно белой книге, подготовленной Intel и Агентством по охране окружающей среды США , ПК с внутренними блоками 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, чтобы в потребительских товарах была предусмотрена коррекция коэффициента мощности.

С мелких потребителей, таких как домохозяйства, обычно не взимается плата за реактивную мощность, поэтому оборудование для измерения коэффициента мощности для таких потребителей не устанавливается.

Методы измерения

Коэффициент мощности в однофазной цепи (или сбалансированной трехфазной цепи) можно измерить методом ваттметра-амперметра-вольтметра, где 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 показаний может быть изготовлен с помощью измерителя с подвижной катушкой электродинамического типа, несущего две перпендикулярные катушки на подвижной части прибора. Поле прибора возбуждается током цепи. Две подвижные катушки, A и B, подключены параллельно с нагрузкой цепи. Одна катушка, A, будет подключена через резистор, а вторая катушка, B, через индуктор, так что ток в катушке B будет задержан относительно тока в A. При единичном коэффициенте мощности ток в A находится в фазе с током цепи, и катушка A обеспечивает максимальный крутящий момент, перемещая стрелку прибора к отметке 1,0 на шкале. При нулевом коэффициенте мощности ток в катушке B находится в фазе с током цепи, и катушка B обеспечивает крутящий момент, перемещая стрелку к 0. При промежуточных значениях коэффициента мощности крутящие моменты, обеспечиваемые двумя катушками, складываются, и стрелка занимает промежуточные положения. ^[32]

Другой электромеханический прибор — поляризованный крыльчатый тип. ^[33] В этом приборе неподвижная катушка поля создает вращающееся магнитное поле, как и многофазный двигатель. Полевые катушки подключаются либо напрямую к многофазным источникам напряжения, либо к фазосдвигающему реактору, если это однофазное приложение. Вторая неподвижная катушка поля, перпендикулярная катушкам напряжения, несет ток, пропорциональный току в одной фазе цепи. Подвижная система прибора состоит из двух лопастей, которые намагничиваются токовой катушкой. Во время работы подвижные лопасти занимают физический угол, эквивалентный электрическому углу между источником напряжения и источником тока. Этот тип прибора может быть настроен на регистрацию токов в обоих направлениях, давая четырехквадрантное отображение коэффициента мощности или фазового угла.

Существуют цифровые приборы, которые напрямую измеряют временную задержку между формами напряжения и тока. Недорогие приборы этого типа измеряют пик форм волн. Более сложные версии измеряют пик только основной гармоники, тем самым давая более точные показания фазового угла на искаженных формах волн. Расчет коэффициента мощности из фаз напряжения и тока точен только в том случае, если обе формы волн синусоидальны. ^[34]

Анализаторы качества электроэнергии, часто называемые анализаторами мощности, выполняют цифровую запись формы волны напряжения и тока (обычно однофазной или трехфазной) и точно вычисляют истинную мощность (Вт), полную мощность (ВА), коэффициент мощности, напряжение переменного тока, переменный ток, постоянное напряжение, постоянный ток, частоту, измерение гармоник IEC61000-3-2/3-12, измерение мерцания IEC61000-3-3/3-11, отдельные фазные напряжения в дельта-приложениях, где нет нейтральной линии, полное гармоническое искажение, фазу и амплитуду отдельных гармоник напряжения или тока и т. д. ^{[35] [36]}

Мнемоника

Студентам англоговорящих специальностей, изучающим энергетику, рекомендуется запомнить: ELI the ICE man или ELI on ICE – напряжение E опережает ток I в катушке индуктивности 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).

Ссылки

1. Das, JC (2015). Гармоники энергосистемы и пассивная конструкция фильтра . Wiley, IEEE Press. стр. 2. ISBN 978-1-118-86162-2Чтобы различать линейные и нелинейные нагрузки , можно сказать, что линейные неизменяемые во времени нагрузки характеризуются тем, что приложение синусоидального напряжения приводит к синусоидальному потоку тока.
2. Бойлстед, Роберт (2002-03-04). Вводный анализ цепей (10-е изд.). С. 857. ISBN 978-0-13-097417-4.
3. "SI Units – Electricity and Magnetism". CH : International Electrotechnical Commission. Архивировано из оригинала 2007-12-11 . Получено 14 июня 2013 .
4. Международная система единиц (СИ) [брошюра СИ] (PDF) . § 5.3.2 (стр. 132, 40 в файле PDF ): BIPM . 2006. Архивировано (PDF) из оригинала 19.03.2022.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
5. Авторитетный словарь стандартных терминов (7-е изд.), IEEE , 2000, ISBN 978-0-7381-2601-2, Стандарт 100
6. Стандартные определения для пробного использования для измерения величин электрической мощности в синусоидальных, несинусоидальных, сбалансированных или несбалансированных условиях , IEEE, 2000, ISBN 978-0-7381-1963-2, Стд. 1459–2000. Примечание 1, раздел 3.1.1.1, при определении величин для коэффициента мощности, утверждает, что активная мощность только течет к нагрузке и никогда не может быть отрицательной. По состоянию на 2013 год один из авторов признал, что это примечание было неверным, и пересматривается для следующего издания. См. http://powerstandards.com/Shymanski/draft.pdf Архивировано 2016-03-04 на Wayback Machine
7. Суреш Кумар, KS (2013). Анализ электрических цепей . Pearson. стр. 8.10. ISBN 978-8-13-179155-4.
8. Дадделл, У. (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 питание на генератор переменного тока…
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. Almarshoud, AF; et al. (2004), «Производительность подключенного к сети индукционного генератора под управлением естественно коммутируемого контроллера переменного напряжения», Electric Power Components and Systems , 32 (7): 691–700, doi :10.1080/15325000490461064, S2CID  110279940, Соответственно, генератор будет потреблять активную 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. Elsevier Science. стр. 432–. ISBN 978-0-12-800988-8. DPF — это косинус угла между этими двумя величинами.
12. Sankaran, C. (1999), Влияние гармоник на энергосистемы, Electro-Test, ...и зависимость напряжения от времени отклоняется от функции чистого синуса. Искажение в точке генерации очень мало (около 1% - 2%), но тем не менее оно существует.
13. "Однофазные гармоники нагрузки против трехфазных гармоник нагрузки" (PDF) , Power System Harmonics , Pacific Gas and Electric, архивировано из оригинала ( PDF ) 24-09-2015 , извлечено 26-11-2013
14. "Гармонические эффекты" ( PDF ) , Гармоники и IEEE 519 , CA : EnergyLogix Solutions
15. Санкаран, К. (1999), «Трансформаторы», Влияние гармоник на энергосистемы, Electro-Test
16. Санкаран, К. (1999), "Двигатели", Влияние гармоник на энергосистемы, Electro-Test, Взаимодействие между положительными и отрицательными последовательными магнитными полями и токами производит 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, архивировано из оригинала 2007-03-09
18. Wolfle, WH; Hurley, WG (2003), «Квазиактивная коррекция коэффициента мощности с переменным индуктивным фильтром: теория, проектирование и практика», Xplore , т. 18, № 1, IEEE, стр. 248–255, Bibcode : 2003ITPE...18..248W, doi : 10.1109/TPEL.2002.807135
19. Wölfle, WH; Hurley, WG, «Квазиактивная коррекция коэффициента мощности: роль переменной индуктивности», Power electronics (проект), IE : Nuigalway, заархивировано из оригинала 2020-08-06 , извлечено 2008-11-05
20. Обзор блоков питания ATX, xBit labs, архивировано из оригинала 2008-11-20, Коэффициент мощности — это мера реактивной мощности. Это отношение активной мощности к сумме активной и реактивной мощности. Он составляет около 0,65 для обычного блока питания, но блоки питания с активной коррекцией коэффициента мощности имеют коэффициент мощности 0,97–0,99. […] Обозреватели оборудования иногда не делают разницы между коэффициентом мощности и коэффициентом эффективности. Хотя оба эти термина описывают эффективность блока питания, путать их — грубая ошибка. […] Пассивная коррекция коэффициента мощности дает очень небольшой эффект — коэффициент мощности увеличивается только с 0,65 до 0,7–0,75.
21. Ожидается, что рынок активных PFC будет расти на 12,3% в год до 2011 года. Найти статьи от 16 марта 2006 г., архивировано с оригинала от 1 сентября 2009 г. В более мощных изделиях также, скорее всего, будут использоваться активные PFC, поскольку это будет наиболее экономически эффективным способом приведения изделий в соответствие со стандартом EN.
22. Коррекция коэффициента мощности, TECHarp, Пассивный PFC […] коэффициент мощности низкий — 60–80%. […] Активный PFC... коэффициент мощности до 95%
23. Зачем нам нужен PFC в блоке питания, Silverstone Technology, архивировано из оригинала 2008-12-22, Обычно значение коэффициента мощности электронного устройства без коррекции коэффициента мощности составляет приблизительно 0,5. […] Пассивный PFC […] 70~80% […] Активный PFC […] 90~99,9%
24. Брукс, Том (март 2004 г.), «Варианты коррекции коэффициента мощности для источников питания», Taiyo , Электронные изделия, архивировано из оригинала 2008-12-02, Недостатки пассивных методов коррекции коэффициента мощности в том, что они обычно обеспечивают коэффициент мощности всего от 0,60 до 0,70 […] Двухступенчатая технология активной коррекции коэффициента мощности [обеспечивает] коэффициент мощности, обычно превышающий 0,98
25. Основы коррекции коэффициента мощности (PFC) (PDF) (приложение), Fairchild Semiconductor, 2004, архивировано из оригинала (PDF) 2014-06-11 , извлечено 2009-11-29
26. Сугавара, И.; Сузуки, И.; Такеучи, А.; Тешима, Т. (19–23 октября 1997 г.), «Экспериментальные исследования активных и пассивных цепей коррекции коэффициента мощности», 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, JA "Динамическое подавление гармоник и коррекция коэффициента мощности". EPQU'07 . 9-я международная конференция по качеству и использованию электроэнергии: 9–11 октября 2007 г., Барселона, Испания. IEEE. стр. 1–5. doi :10.1109/EPQU.2007.4424144. ISBN 978-84-690-9441-9.
28. "Коэффициент мощности – значение, методы расчета и коррекции". 23 ноября 2018 г.
29. Справочник по коррекции коэффициента мощности (PDF) , ON Semiconductor, 2007
30. Требования к программе для компьютеров (PDF) (версия 5.0 ред.), США: Energy Star
31. Болиоли, Т.; Дуггирала, М.; Хейнс, Э.; Колаппан, Р.; Вонг, Х. (2009), Реализация системы версии 5.0 (PDF) (белая книга), Energy Star, заархивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09
32. Финк, Дональд Г .; Бити, Х. Уэйн (1978), Стандартный справочник для инженеров-электриков (11-е изд.), Нью-Йорк: McGraw-Hill, стр. 3-29, параграф 80, ISBN 978-0-07-020974-9
33. Руководство по конструкции и принципам работы электрических приборов , Скенектади, Нью-Йорк: General Electric, Meter and Instrument Department, 1949, стр. 66–68, GET-1087A
34. "Основы анализа и измерения сигналов на основе БПФ в LabVIEW и LabWindows/CVI". National Instruments Corporation . Получено 6 ноября 2017 г.
35. "WT3000E Series Precision Power Analyzers" (PDF) . Yokogawa Corporation . Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2017 г. . Получено 6 ноября 2017 г. .
36. "Fluke 1760 Трехфазный регистратор качества электроэнергии" (PDF) . Fluke Corporation . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 6 ноября 2017 .

Внешние ссылки

• Гармоники и их связь с коэффициентом мощности (PDF) , Техасский университет, архивировано из оригинала (PDF) 27.09.2011 , извлечено 20.09.2010.