Коэффициент мощности, что это такое?
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.
Оглавление
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:
P ” width=”” height=””> – активная мощность, 
Если коэффициент мощности увеличить до 90%, можно получить большую активную мощность при том же значении кажущейся мощности:
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.
Коэффициент мощности
Постараемся дать простое объяснение того, что такое коэффициент мощности, и ответить на наиболее часто встречающиеся вопросы:
1) что такое коэффициент мощности?
2) каковы причины низкого коэффициента мощности?
3) почему следует повышать коэффициент мощности?
4) каким образом можно скорректировать (повысить) коэффициент мощности?
5) когда окупаются инвестиции в коррекцию коэффициента мощности?
6) что делать дальше?
Что такое коэффициент мощности?
Чтобы лучше уяснить, что такое коэффициент мощности, нужно начать с нескольких основных понятий:
Активная мощность (кВт), также называемая полезной мощностью или действующей мощностью. Это мощность, которая реально приводит в действие оборудование и выполняет полезную работу.
Реактивная мощность (квар). Это мощность, необходимая устройствам, принцип действия которых основан на использовании электромагнитного поля (трансформаторов, электродвигателей, реле) для вырабатывания магнитного потока.
Полная мощность (кВА). Это векторная сумма активной и реактивной мощностей.
Рассмотрим простую аналогию, чтобы лучше уяснить эти понятия.
Допустим, вы находитесь на стадионе в жаркий день и заказываете кружку своего любимого пива. Та часть вашей порции, которая утоляет жажду, представляет активную мощность (рис. 1).
Увы, жизнь несовершенна. Вместе с этим вы получаете и пену. И давайте посмотрим правде в глаза – пена нисколько не утоляет жажду. Эта пена представляет реактивную мощность. Общее содержимое кружки является суммой активной мощности (пива), кВт, и реактивной мощности (пены), квар.
Теперь, после того как мы разобрались с основными понятиями, можно перейти к коэффициенту мощности.
Коэффициент мощности (КМ) – это отношение активной мощности к полной мощности:
КМ = кВт/(кВт + квар)
Если вернуться к нашей аналогии с кружкой пива, коэффициент мощности представляет собой отношение количества пива (кВт) к общему содержимому кружки, то есть к количеству пива с пеной (кВА).
КМ = кВт/(кВт + квар) = пиво/(пиво + пена)
Таким образом, при данной полной мощности:
· чем больше пены (чем выше процент реактивной мощности), тем меньше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной) и тем меньше коэффициент мощности;
· чем меньше пены (чем ниже процент реактивной мощности), тем выше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной). Если пена (реактивная мощность) приближается к нулю, коэффициент мощности приближается к единице.
Наша аналогия с пивной кружкой немного упрощена. В реальности необходимо определять векторную сумму реактивной и активной мощностей. Поэтому следующим шагом будет рассмотрение угла между этими векторами.
Рассмотрим другую аналогию.
Человек тянет тяжёлый груз (рис. 2). Мощность, которую он прикладывает в прямом направлении, то есть в том направлении, куда он хочет доставить груз, — это активная мощность (кВт).
К сожалению, человек не может тянуть груз строго горизонтально (он получит сильные боли в спине), поэтому высота его плеч добавляет некоторое количество реактивной мощности (квар).
Полная мощность, прикладываемая человеком (кВА), – это векторная сумма реактивной и активной мощностей.
Соотношение между активной, реактивной и полной мощностями, а также определение коэффициента мощности иллюстрируются треугольником мощностей, изображённым на рис. 3.
КМ = кВт/кВА = cosθ
кВА = кВт 2 + квар 2 = V х I х
.
Заметим, что в мире нашей мечты по аналогии с кружкой пива:
- реактивная мощность должна быть очень мала (количество пены стремится к нулю);
- активная мощность и полная мощность должны быть почти равны друг другу
(больше пива, меньше пены).
Аналогично в идеальном мире по аналогии с человеком, который тащит груз:
- реактивная мощность очень мала (стремится к нулю);
- активная мощность и полная мощность почти равны друг другу (человеку не нужно
- тратить энергию на усилие, направленное вдоль его тела);
- угол θ между векторами активной и полной мощности стремится к нулю;
- cosθ стремится к единице;
- коэффициент мощности стремится к единице.
Поэтому чтобы иметь эффективную систему (будь то кружка пива или человек, который тащит тяжёлый груз), мы должны иметь коэффициент мощности, как можно более близкий к 1,0.
Однако бывает, что система распределения электроэнергии имеет коэффициент мощности гораздо меньше 1,0. Далее мы увидим, к чему это приводит.
Каковы причины низкого коэффициента мощности?
Так как коэффициент мощности является отношением активной мощности к полной мощности, легко понять, что к низкому коэффициенту мощности приводит ситуация, когда активная мощность невелика по сравнению с полной мощностью. Вспоминая нашу аналогию с пивной кружкой, можем сказать, что это бывает, когда уровень реактивной мощности (пены, плеч работника) велик.
Что приводит к большой величине реактивной мощности?
Индуктивные нагрузки, которые являются причиной возникновения реактивной мощности, включают в себя:
- трансформаторы,
- асинхронные электродвигатели,
- асинхронные генераторы (ветряные электрогенераторы),
- системы освещения на разрядных лампах высокой интенсивности.
Такие индуктивные нагрузки потребляют основную часть мощности в производственных комплексах.
Реактивная мощность (квар), необходимая реактивным нагрузкам, увеличивает количество полной мощности (кВА) в системе распределения энергии (рис. 4). Это увеличение реактивной и полной мощности приводит к увеличению угла θ между активной и полной мощностью. Напомним, что cosθ (или коэффициент мощности) приувеличении θ уменьшается.
Таким образом, причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки с большой реактивной мощностью.
Почему следует повышать коэффициент мощности?
Есть несколько причин для увеличения коэффициента мощности. Вот некоторые преимущества, которые можно получить при улучшении коэффициента мощности.
1.Снижение платы поставщику электроэнергиив связи со следующими факторами:
a) Уменьшение величины максимальной мощности, предъявляемой к оплате.
Напомним, что причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки, которым нужна реактивная мощность. Увеличение реактивной мощности приводит к увеличению полной мощности, потребляемой от поставщика электроэнергии.
Таким образом, низкий коэффициент мощности предприятия вынуждает поставщика увеличивать мощность генерации и пропускную способность линии, чтобы справиться с дополнительным потреблением.
При увеличении коэффициента мощности используется меньше реактивной мощности. Это приводит к уменьшению активной мощности, то есть к снижению платы поставщику.
б) Исключение штрафа за коэффициент мощности.
Поставщики электроэнергии обычно выставляют дополнительный счёт потребителям, если их коэффициент мощности меньше 0,95 (если коэффициент мощности потребителя падает ниже 0,85, некоторые поставщики не гарантируют энергоснабжение). Таким образом, при увеличении коэффициента мощности можно избежать повышенных расходов на электроэнергию.
2.Увеличение пропускной способности системы энергоснабжения и уменьшение потерь электроэнергии
При добавлении в систему конденсаторов (являющихся источниками реактивной мощности) увеличивается коэффициент мощности и улучшается пропускная способность системы для активной мощности.
К примеру, трансформатор 1000 кВА с коэффициентом мощности 80% выдаёт мощность 800 кВт (600 квар):
1000 кВА =
Отсюда реактивная мощность – 600 квар.
При увеличении коэффициента мощности до 90% можно получить более высокую активную мощность при той же величине полной мощности:
1000 кВА =
Отсюда реактивная мощность – 436 квар.
Активная мощность системы увеличивается до 900 кВт, при этом потребляемая от поставщика реактивная мощность составляет только 436 квар.
Нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности системы распределения электроэнергии. При увеличении коэффициента мощности эти потери уменьшаются. В связи с продолжающимся ростом стоимости энергии повышение энергоэффективности предприятия имеет очень большое значение. При уменьшении потерь в системе появляется возможность подключения к ней дополнительной нагрузки.
3. Увеличение уровня напряжения в энергосистеме, уменьшение нагрева и более эффективная работа электродвигателей
Как уже говорилось, нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в системе распределения электроэнергии. При этом может снижаться уровень напряжения. Чрезмерное падение напряжения может стать причиной перегрева и преждевременного выхода из строя электродвигателей и других индуктивных устройств.
Поэтому при увеличении коэффициента мощности падение напряжения на фидерных кабелях и связанные с этим проблемы минимизируются. Двигатели будут меньше нагреваться и работать более эффективно, также несколько увеличатся их мощность и пусковой момент.
Как можно скорректировать (улучшить) коэффициент мощности?
Как упоминалось выше, источники реактивной мощности (индуктивные нагрузки) уменьшают коэффициент мощности. К таким нагрузкам относятся:
- трансформаторы
- асинхронные электродвигатели
- асинхронные генераторы (ветряные электрогенераторы)
- системы освещения на разрядных лампах высокой интенсивности.
Соответственно, потребители реактивной мощности увеличивают коэффициент мощности. К ним относятся:
- конденсаторы
- синхронные генераторы (энергоснабжения и аварийные)
- синхронные двигатели.
Поэтому нет ничего удивительного, что одним из методов увеличения коэффициента мощности является установка в систему конденсаторов. Этот и другие способы увеличения коэффициента мощности рассматриваются далее.
1. Установка конденсаторов (генераторов реактивной мощности).
При установке конденсаторов уменьшается величина реактивной мощности (пены из нашего примера), при этом увеличивается коэффициент мощности. На рис. 5 показан принцип действия этого метода.
Реактивная мощность (квар) индуктивных нагрузок всегда имеет сдвиг на 90º относительно активной мощности (кВт).
Индуктивность и ёмкость действуют со сдвигом на 180º относительно друг друга. Конденсаторы запасают реактивную энергию и затем её отдают со знаком, противоположным знаку реактивной энергии индуктивности. Наличие в цепи конденсатора и индуктивности приводит к постоянному поочерёдному перетеканию энергиимежду ними.
Поэтому, если схема сбалансирована, вся энергия, отдаваемая индуктивностью, поглощается конденсатором. Ниже приводится пример того, как конденсатор уменьшает влияние индуктивной нагрузки.
2. Минимизация работы двигателей на холостом ходу или с малой нагрузкой.
Мы уже говорили о том, что причиной низкого коэффициента мощности является наличие асинхронных двигателей. Но если говорить более конкретно, к низкому коэффициенту мощности приводит работа асинхронных двигателей с малой нагрузкой.
3. Недопущение работы оборудования при напряжении, превышающем его номинальное напряжение.
4. Замена стандартных двигателей по мере их выхода из строя на двигатели с повышенным кпд.
Даже у двигателей с повышенным кпд нагрузка сильно влияет на коэффициент мощности. Поэтому для реализации заложенного в его конструкцию высокого коэффициента мощности двигатель должен работать с нагрузкой, близкой к номинальной.
Когда окупаются инвестиции в коррекцию коэффициента мощности?
При установке конденсаторов на предприятии можно улучшить коэффициент мощности. Но установка конденсаторов стоит денег. Возникает вопрос: когда снижение платежей за электроэнергию окупит стоимость конденсаторов?
Можно провести расчёт окупаемости. В качестве примера рассмотрим часть энергосистемы предприятия, показанную на рис. 6. Коэффициент мощности составляет 0,65.
- нагрузка – 163 кВт;
- время работы — 730 часов в месяц;
- 480 В, 3 фазы;
- потери в системе — 5%;
- коэффициент мощности — 65%;
прейскурант тарифов на электроэнергию:
- тариф на электроэнергию — $4,08/кВт·ч;
- плата за мощность — $2,16/кВт;
- штраф за реактивную мощность — $0,15/квар.
Мы можем рассчитать общую величину ежемесячной платы за электроэнергию следующим образом.
Сначала рассчитаем плату за потреблённую энергию:
163 кВт х 730 ч/мес. х $4,08/кВт·ч = $4854,79/мес.
Затем определяем плату за мощность:
163 кВт х $2,16/кВт = $352,08/мес.
И, наконец, определяем штраф за реактивную мощность:
190 квар х 730 ч/мес. х $0,15/квар·ч = $208/мес.
Теперь предположим, что в систему установлена конденсаторная батарея (рис. 7). 190 квар конденсатора компенсируют 190 квар асинхронного двигателя икоэффициент мощности становится равным 1,0.
Параметры системы с конденсаторами:
- скорректированный КМ = 1,0
Можно рассчитать снижение потерь:
снижение потерь = 1- (0,65 2 / 1,00 2 ) = 0,58
Поэтому снижение потерь в системе составит:
снижение потерь в системе = 0,58 х 0,05 (потери) = 0,029
Уменьшение общей активной нагрузки составит:
163 кВт х 0,029 = 4,7 кВт
Теперь можно рассчитать экономию при оплате за потреблённую энергию:
4,7 кВт х 730 ч/мес. х $4,08/кВт·ч = $141,00/мес
Затем определяем экономию на плате за мощность:
4,7 кВт х $2,16/кВт = $10,15/мес
И, наконец, напомним, что штраф за реактивную мощность равен нулю.
Теперь определим срок окупаемости конденсаторной батареи.
- Стоимость конденсатора — $30,00/квар.
Месячная экономия составляет:
$ 141,00 – стоимость потреблённой энергии
$ 10,15 – плата за мощность
$ 208,00 – штраф за реактивную мощность
Время окупаемости затрат составляет:
$30,00/квар х 190 квар/$359/мес. = 16 мес.
Установка конденсаторов окупится через 16 месяцев.
Что делать дальше?
Нужно посмотреть какой коэффициент мощности на предприятии и что можно сделать, чтобы его улучшить.
«Хомов электро» может помочь в определении оптимального способа коррекции коэффициента мощности для вашего предприятия. Мы также можем помочь выбрать место установки и тип конденсаторов, устанавливаемых в системе энергоснабжения.
Вы всегда можете позвонить нам или отправить сообщение по факсу или электронной почте, а также обратиться через наш веб-сайт.
Мы всегда рады обсудить проблемы, связанные с конкретными условиями работы вашего предприятия.
Коэффициент мощности, что это такое?
Коэффициент мощности (cos φ — косинус фи) — это отношение активной мощности к полной. Чем ближе это значение к единицы, тем лучше, так как при значении cos φ = 1 — реактивная мощность равна нулю следовательно меньшая потребляемая мощность в целом.
cos φ = P/S
Активная мощность (P)
Измеряется в ваттах Вт
Активная (средняя) мощность — это среднее значение мощности за период.. Активная мощность используется только на активные сопротивления, то есть на выполнения полезной работы.
P = I*U*cos φ
Активное сопротивление
Как известно сопротивление проводника при переменном токе больше чем при постоянном, в следствии явлений поверхностного эффекта, эффекта близости, возникновение вихревых токов и излучение электромагнитной
энергии в пространство. Именно поэтому сопротивление проводника в постоянных цепях называют омическим, а в переменного тока называют активным сопротивлением.
Реактивная мощность (Q)
Измеряется в вар (вольт ампер реактивный)
Реактивная мощность является мерой потребления (или выработки реактивного тока). То есть это мощность которая сначала накапливается во внешней электрической цепи (в индуктивности и ёмкости), а потом отдаваемая обратно в сеть на протяжения 1/4 периода.
Реактивная мощность может быть как положительной так и отрицательной.
Появление реактивной мощности связанно с наличием в цепях индуктивной и ёмкостной нагрузки.
Q = I*U*sin φ
Реактивная мощность в отличии от активной не расходуется на прямые нужды (преобразование электрической энергии в другие виды энергии). Она как бы не несёт полезной нагрузки, но без неё невозможно осуществление полезной работы. В настоящий момент прилагается много усилий на уменьшение затрачиваемой реактивной мощности, так как это приводит к уменьшению потребления активной мощности.
Полная мощность (S)
Измеряется в вольт-амперах (BA)
Полная мощность (S) — это произведение действующего напряжения и тока на зажимах цепи. То есть полная мощность это вся мощность затраченная в электрической цепи. Полная мощность складывается из геометрической суммы активной и реактивной мощности.
Что такое коэффициент мощности, косинус фи и тангенс фи
Одной из важнейших характеристик электрических устройств является мощность. Поэтому желательно знать, что такое коэффициент мощности и как он рассчитывается. Это поможет не только оценить эффективность использования электрической энергии, но и правильно организовать работу электроприбора.
Виды мощности
В цепи переменного электротока возникают три мощности: активная, реактивная и полная. Активную называют полезной или действующей мощностью. Это связано с тем, что она тратится на осуществление полезной работы. Обычно при этом электрическая энергия преобразуется в другие виды.
Реактивная мощность в процессе работы электроприбора не тратится, а лишь переходит из одной формы в другую. В данной мощности нуждаются устройства, принцип действия которых основывается на использовании электромагнитного поля.
Одним из примеров таких устройств может служить колебательный контур, включающий в себя индуктивность и ёмкость в предположении, что активное сопротивление деталей пренебрежимо мало. Ещё одним можно считать трансформатор. В нём ток и напряжение передаются по сердечнику с помощью колебаний электромагнитного поля.
Полную мощность можно получить векторным сложением активной и реактивной составляющих.
Что такое коэффициент мощности
Иногда бывает важно понять, какая часть мощности уходит на выполнение полезной работы. Для этого необходимо узнать активную и реактивную мощность рассматриваемого электрического прибора. Далее на их основе определяют полную.
В электротехнике для определения мощности в сети постоянного тока используется следующее соотношение:
В цепи переменного тока вычисление искомой величины производится более сложным образом. При этом следует учитывать, что изменения напряжения и тока по времени совпадать не будут. Электроток в ёмкостной нагрузке опережает напряжение, а в индуктивной, наоборот, отстает.
Поэтому при вычислении мощности принято использовать эффективные значения тока и напряжения. При этом рассматривается такая постоянная величина тока и напряжения, которая на активном сопротивлении выделит то же количество тепла, что и рассматриваемые переменные величины.
Конечно, в таких случаях можно также вычислить мгновенную мощность. Для этого достаточно перемножить мгновенные значения тока и напряжения. Однако данная величина не учитывает сильную инерцию энергетических процессов, в связи с чем подобный расчет величин имеет ограниченное применение.
Чтобы определить коэффициент активной мощности нужно разделить активную мощность на полную. Данный коэффициент позволяет оценить эффективность использования рассматриваемого технического решения. Соотношение между реактивной и активной мощностью определяет тангенс «фи».
Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА). Для активной используют ватты (Вт). Для реактивной применяется единица измерения вольт-ампер реактивный (ВАР).
Поскольку сложение мощностей происходит по векторным правилам, то нужно учитывать, что векторы активной и реактивной составляющих перпендикулярны друг к другу. Результат вычислений представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника с указанными катетами. Формула полной мощности выглядит следующим образом:
Это следует из теоремы Пифагора. Здесь применяется правило для нахождения гипотенузы прямоугольного треугольника. Если выразить катеты через гипотенузу и угол «фи», то можно получить формулу для определения активной мощности:
Аналогичным образом выражается и реактивная:
Следовательно, из формулы для активной мощности можно найти cosφ:
Для трехфазного напряжения формула принимает следующий вид:
Поэтому следует понимать, что такое косинус «фи» в данной формуле. А это все тот же коэффициент мощности, который позволяет оценивать электроприемники при наличии реактивной составляющей в потребляемом токе.
Называется cosφ коэффициентом мощности в связи с тем, что при векторном сложении в прямоугольном треугольнике значение косинуса угла φ можно найти, разделив длину катета, соответствующего активной мощности, на длину гипотенузы, выражающей полную мощность. Следовательно, формула коэффициента мощности выглядит так:
Коэффициент активной мощности cosφ может иметь значение в диапазоне от 0 до 1. Иногда его выражают в процентах. В таком случае коэффициент обозначают греческой буквой «лямбда». Соотношение катетов в прямоугольном треугольнике определяет тангенс «фи».
Коэффициент мощности является низким в тех случаях, когда активная составляющая мала по сравнению с полной мощностью. Это говорит о неэффективности применяемого оборудования.
Для тока и напряжения синусоидальной формы cosφ соответствует косинусу угла отставания по фазе для этих параметров.
Выгода электрооборудования с высоким коэффициентом мощности
Это связано с наличием следующих факторов:
- Поставщики электроэнергии в некоторых случаях контролируют коэффициент мощности оборудования, используемого потребителями. Они могут выставлять дополнительный счёт, если он будет ниже 0.95. В том случае, когда коэффициент меньше 0.85, поставка электроэнергии может быть ограничена.
- Низкий коэффициент приводит к тому, что при относительно небольшом объёме полезной работы происходят повышенные траты электроэнергии. Таким образом, за определённый объём полезной работы потребителю приходится переплачивать.
- В линиях электропередач наличие высоких показателей указывает на незначительные потери при передаче энергии.
- Низкий коэффициент в системе электроснабжения может приводить к уменьшению напряжения в сети. Это часто становится причиной перегрева используемых потребителем устройств.
При рассмотрении работы электрических устройств нужно учитывать, что часть из них генерирует реактивную мощность, а другие являются потребителями. Следовательно, применение первых приводит к возрастанию реактивной мощности, а использование вторых — к её уменьшению.
Реактивная мощность генерируется при работе асинхронного электродвигателя, трансформаторов, ветряных генераторов, систем освещения на разрядных лампах. Наличие реактивной нагрузки ухудшает эффективность работы оборудования. В качестве потребителей рассматриваются конденсаторы, синхронные двигатели и генераторы.
Для уменьшения реактивной мощности можно использовать следующие способы:
- В цепи устанавливаются конденсаторы. При их использовании совместно с индуктивностью они образуют колебательный контур. В нём мощность от индуктивности будет потребляться ёмкостью.
- Следует избегать работы асинхронных двигателей вхолостую или с малой мощностью.
- Нужно исключить возможность работы оборудования при напряжении, которое превышает номинальное.
- Рекомендуется по мере замены двигателей переходить на те, которые имеют более высокий коэффициент полезного действия.
Оптимальной нагрузкой является номинальная. Если используется нагрузка, значение которой меньше или больше номинальной, то это существенно снижает эффективность работы оборудования.
Как узнать коэффициент мощности
Значение рассматриваемого коэффициента указывается в сопроводительной технической документации к приобретаемому промышленному оборудованию или бытовому прибору. Однако при этом речь идёт о номинальном значении.
Более точно коэффициент измеряется с помощью специализированного прибора, который называется фазометром.
Такие приборы могут быть электродинамическими или цифровыми. С помощью измерений можно достаточно просто и с большой точностью узнать чему равен cosφ и какова эффективность использования прибора.
Если фазометра нет в распоряжении, следует воспользоваться амперметром, вольтметром и ваттметром, с помощью которых измеряются такие физические величины, как сила тока, напряжение и мощность, а затем с помощью соответствующих формул вычислить коэффициент мощности.
Значения коэффициента для различных случаев
При измерении или вычислении коэффициента мощности необходимо знать характерные значения для различных видов оборудования:
- При использовании нагревательных устройств, несмотря на возможное присутствие индуктивных элементов, считается, что вся используемая мощность является активной. В таких случаях принимают косинус «фи» равный единице.
- Для перфораторов и ударных дрелей этот коэффициент составляет 0.95-0.97.
- Сварочные трансформаторы в значительной степени используют индуктивную нагрузку. Поэтому коэффициент мощности трансформатора обычно находится в диапазоне от 0.5 до 0.85.
Когда значения коэффициента являются широко известными, их могут не указывать в сопроводительной документации. Нужно помнить, что хотя в большинстве случаев напряжение меняется синусоидально, иногда оно может существенно отклоняться от этой формы. В такой ситуации говорят о присутствии высших гармоник в колебаниях.
Их появление ведёт к дополнительным затратам мощности, а также снижает компенсацию реактивной мощности, если она применялась. Подобное явление наблюдается при работе с дуговыми сталеплавильными печами, установками дуговой сварки, газоразрядными лампами.