Повернення до основних факторів потужності та чому ми це виправляємо Силова електроніка
Інженерам-конструкторам потрібно враховувати коефіцієнт потужності для будь-якого обладнання, яке отримує значну потужність від електромережі. Досягнення бажаного коефіцієнта потужності вимагає знання законодавства про коефіцієнт потужності, вартості компонентів, вимог до ефективності та обмежень фізичного простору виробу.
Коефіцієнт потужності (pf) - це відношення між реальною потужністю (P), що надходить до навантаження, і видимою потужністю (S) в ланцюзі: pf = P/S. Це синусоїдальна форма сигналу, тому вона виражається у вигляді безрозмірного числа від -1 до 1.
Реальна потужність вимірюється у ватах (Вт), а видима потужність - у вольт-амперах (ВА). Для чисто резистивного навантаження два коефіцієнти потужності однакові; для реактивного навантаження арифметика для уявної потужності дає той самий показник, тобто добуток середньоквадратичних значень напруги та струму. Однак, щоб знайти фактичну (реальну) потужність, що подається до навантаження, миттєвий добуток напруги та струму повинен бути інтегрований протягом повного циклу синусоїди.
Коли струм є провідною або відстаючою напругою, значення цього інтеграла завжди буде менше значення для фазного випадку за той самий інтервал. Це відображає властивість індуктора або конденсатора діяти як накопичувач енергії; в різних точках циклу змінного струму реактивний компонент або накопичує енергію, або повертає її в систему.
Як показано на рис. 1, уявна потужність є векторною сумою дійсної потужності та реактивної потужності (Q), виміряної в реактивних вольт-амперах (ВА); умовно, ця залежність виражається як:
P = S cosÆ ? або P 2 + Q 2 = S 2 (1)
Зв'язок умовно візуалізується на векторній діаграмі прямокутного трикутника:
Це основне визначення і працює для чистих синусоїд; несинусоїдальні форми сигналів є більш складними, але можуть бути представлені низкою гармонійних синусоїд, і тому застосовуються ті самі основні принципи.
Наслідки
Інженерні мережі та органи, що виробляють електроенергію, вимагають від своїх споживачів навантаження на енергосистему, яке максимально наближається до коефіцієнта потужності одиниці. Основною, але не єдиною причиною є фіскальна. Клієнт розраховує заплатити за "справжню" роботу, виконану в його приміщенні - іншими словами, величину W вище.
Електричні мережі повинні забезпечити подачу пікових значень напруги та струму у формі хвилі в будь-який час. Коефіцієнт потужності менше одиниці - це фактично збільшення їхніх витрат, і той, який вони повертають споживачам, вводячи підвищений тариф для споживачів з низьким коефіцієнтом навантаження. Отже, досягнення максимального коефіцієнта потужності є "безпрограшним" для всіх зацікавлених сторін.
Рис. 2. Форма хвилі низької якості з коефіцієнтом відставання 0,71.
2 показує залежність між напругою та струмом для коефіцієнта потужності 0,71.
Є й інші ефекти, з якими повинні боротися генератори енергії, які роблять навантаження з коефіцієнтом потужності одиниці надзвичайно кращим. Обертовою електростанцією, що виробляє електроенергію, важче керувати та підтримувати її стабільність при подачі низького коефіцієнта потужності, і в трансформаторних мережах може існувати небезпека нагрівання або перевантаження для трансформаторів та обладнання для передачі; Стабільність мережі також важче підтримувати за допомогою навантажень із низьким коефіцієнтом потужності, приєднаних до системи. Низький коефіцієнт потужності також, як правило, пов'язаний з іншими негативними властивостями належного електричного навантаження. Сильно спотворені форми струму, відведені від електромережі, можуть вводити гармоніки високого порядку назад в мережу живлення.
Трансмісійне обладнання має більші втрати на більш високих частотах, що призводить до проблем з опаленням; якщо більш високі частоти присутні в навантаженні, що знаходиться безпосередньо на генераторній установці, вони можуть проявлятися як руйнівні вібрації, що призводять до надмірного зносу таких компонентів, як підшипники. Спотворення струму може призвести до порушення рівноваги струмів на нейтральних лініях трифазних розподільчих мереж, що, в свою чергу, може відвести нейтраль від землі (напруги) і спричинити безліч проблем.