Вступ до схем корекції коефіцієнта потужності на основі конденсаторів - Блог пасивних компонентів
Джерело: конденсаторний факс-блог
Частина потужності змінного струму, споживаного індуктивними навантаженнями, використовується для підтримки магнітних реверсів через зсув фаз між струмом і напругою. Цю енергію можна вважати даремно витраченою енергією, оскільки вона не використовується при виконанні корисної роботи. Схеми корекції коефіцієнта потужності використовуються для мінімізації реактивної потужності та підвищення ефективності використання індуктивних навантажень потужності змінного струму. Конденсатори є важливими компонентами в схемах компенсації коефіцієнта потужності, і в цій статті будуть розглянуті деякі конструктивні міркування при використанні цих компонентів для корекції коефіцієнта потужності.
Реактивна потужність в індуктивних навантаженнях
Індуктивні навантаження, такі як дроселі, двигуни, індуктивне нагрівальне обладнання, генератори, трансформатори та обладнання для дугового зварювання, створюють електричне відставання, яке зазвичай називають індуктивністю. Ця індуктивність викликає різницю фаз між струмом і напругою. Фігура 1 показує форми хвилі струму та напруги для навантаження з нульовим запізненням (суто резистивне навантаження).
В результаті фазового зсуву внаслідок індуктивності бувають випадки, коли струм і напруга мають різні знаки. У такі часи негативна енергія генерується і подається назад в електромережу. Коли двоє повертають один і той же знак, для генерування магнітних полів потрібна подібна кількість енергії. Енергія, яка втрачається внаслідок магнітних реверсів в індуктивних навантаженнях, зазвичай називають реактивною потужністю.
Індуктивні навантаження змінного струму широко класифікуються на лінійні та нелінійні пристрої. Для лінійних навантажень форма сигналу струму та напруги мають відповідні синусоїдальні профілі. Малюнок 2 показує форми хвилі струму та напруги для типового лінійного навантаження. З іншого боку, оскільки нелінійні навантаження тягнуть струм на різних частотах, форми струму та напруги різні. Для більшості нелінійних навантажень форма струму, як правило, несинусоїдальна. Малюнок 3 показує форми сигналів струму та напруги для нелінійного навантаження.
Деякі приклади лінійних електричних навантажень включають опалювальне обладнання, двигуни та освітлювальні прилади розжарювання. До нелінійних приладів належать частотно-регульовані частотні пристрої, приводи постійного струму, програмовані контролери, дугові освітлювальні прилади, індукційні печі, джерела безперебійного живлення та персональні комп’ютери. Відомо, що нелінійні електричні навантаження є основною причиною гармонічних спотворень в системах розподілу електроенергії.
Коефіцієнт потужності
Ефективність використання електричних приладів чи установок змінного струму різниться. Деякі навантаження ефективно використовують енергію, тоді як інші витрачають значну частину споживаної енергії. Коефіцієнт потужності використовується для опису ефективності, з якою навантаження споживають потужність змінного струму. Ця безрозмірна величина коливається від 0 до 1.
Як показано в Малюнок 4 і Малюнок 5, загальна потужність змінного струму, також відома як очевидна потужність, яку споживає електричний пристрій або обладнання, залежить від двох компонентів: корисної потужності (активної потужності) та реактивної потужності. Корисна потужність відноситься до потужності, необхідної пристрою для виконання завдання. З іншого боку, реактивна потужність не приносить корисної роботи. Корисна потужність зазвичай вимірюється в кВт, тоді як реактивна потужність вимірюється в кВАР.
Як показано в Рівняння 1, коефіцієнт потужності дорівнює відношенню активної потужності (корисної потужності) до загальної потужності (видимої потужності), що витрачається електричним приладом або обладнанням. Можна математично показати, що коефіцієнт потужності дорівнює косинусу кута θ (Рівняння 2). Чим ближче це відношення до 1,0, тим вища ефективність пристрою чи обладнання.
Для ідеального електричного навантаження коефіцієнт потужності дорівнює 1,0 (коефіцієнт потужності одиниці). Це означає, що вся потужність, яку витрачає вантаж, використовується для корисної роботи. Однак фактичного електричного навантаження важко досягти цього. Опір навантаження, представлене Малюнок 5 задано рівнянням 3, де XL - індуктивний опір, а значення - Рівняння 4.
Чому електричному навантаженню важко досягти коефіцієнта потужності одиниці? Більшість електричних навантажень мають властиві реактивні властивості, що ускладнює досягнення ідеального коефіцієнта потужності. Для подолання цього обмеження в мережу додаються схеми корекції коефіцієнта потужності для компенсації реактивних характеристик навантаження.
Корекція коефіцієнта потужності (компенсація)
Електричні навантаження, що мають низький коефіцієнт потужності, споживають більше енергії, ніж це потрібно для виконання завдання. Це може призвести до значних втрат потужності в мережі та великих втрат трансформатора. Таке збільшення споживання енергії збільшує вартість експлуатаційного обладнання або установок. Погані фактори потужності також спричиняють збільшення падіння напруги в розподільчій мережі. Постачальники електроенергії зазвичай штрафують галузі, коефіцієнт потужності яких нижче заданого значення.
Постачальники електроенергії заохочують промислових споживачів покращувати коефіцієнт потужності з різних причин. Для початку покращення коефіцієнта потужності може допомогти значно скоротити рахунок за електроенергію. По-друге, високий коефіцієнт потужності допомагає мінімізувати втрати ефективності в трансформаторах споживача. По-третє, додавання системи корекції коефіцієнта потужності допомагає збільшити ефективну потужність електричної мережі споживача. Нарешті, високий коефіцієнт потужності допомагає збільшити термін служби електричного обладнання.
Мережа компенсації коефіцієнта потужності зменшує потужність, яку вимагає навантаження, таким чином покращуючи загальний коефіцієнт потужності. Компенсаційна мережа дозволяє електричним навантаженням досягти хорошого коефіцієнта потужності, як правило, від 0,95 до 0,98. Коефіцієнт потужності 0,85 і нижче, як правило, комунальними компаніями розглядається як поганий коефіцієнт потужності.
Схеми корекції коефіцієнта потужності на основі конденсатора
Існують різні методи підвищення коефіцієнта потужності навантаження або установки. Один із часто використовуваних методів включає додавання конденсаторів з корекцією коефіцієнта потужності до мережі. Малюнок 6 показує просту схему, що складається з джерела змінного струму та індуктивного навантаження.