- 1. Ανθεκτικά φορτία
- 2. Αντιδραστικά φορτία
- Σημασία του συντελεστή ισχύος
- Βελτίωση του συντελεστή ισχύος
- Υπολογισμός συντελεστή ισχύος για το φορτίο σας
- Συντελεστής ισχύος Unity και γιατί δεν είναι πρακτικό
Εκτός από την ασφάλεια και την αξιοπιστία, αρκετοί άλλοι στόχοι, συμπεριλαμβανομένης της αποδοτικότητας, πρέπει να επιδιωχθούν στο σχεδιασμό και την εφαρμογή ηλεκτρικών συστημάτων. Ένα από τα μέτρα απόδοσης σε ένα ηλεκτρικό σύστημα είναι η αποδοτικότητα με την οποία το σύστημα μετατρέπει την ενέργεια που λαμβάνει σε χρήσιμη εργασία. Αυτή η αποδοτικότητα υποδεικνύεται από ένα στοιχείο ηλεκτρικών συστημάτων γνωστό ως Power Factor. Ο συντελεστής ισχύος δείχνει πόση ισχύς χρησιμοποιείται πραγματικά για την εκτέλεση χρήσιμης εργασίας από ένα φορτίο και πόση ισχύς «σπαταλά». Τόσο ασήμαντο όσο ακούγεται το όνομά του, είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες πίσω από τους υψηλούς λογαριασμούς ηλεκτρικής ενέργειας και τις διακοπές ρεύματος.
Για να μπορέσετε να περιγράψετε σωστά τον συντελεστή ισχύος και την πρακτική του σημασία, είναι σημαντικό να ανανεώσετε τη μνήμη σας σχετικά με τους διαφορετικούς τύπους ηλεκτρικών φορτίων και εξαρτημάτων ισχύος που υπάρχουν.
Από τις βασικές κατηγορίες ηλεκτρικής ενέργειας, τα ηλεκτρικά φορτία είναι συνήθως δύο τύπων.
- Ανθεκτικά φορτία
- Αντιδραστικά φορτία
1. Ανθεκτικά φορτία
Ανθεκτικά φορτία, όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτά τα φορτία αποτελούνται από καθαρά ανθεκτικά στοιχεία. Για αυτού του είδους τα φορτία (λαμβάνοντας υπόψη τις ιδανικές συνθήκες), όλη η ισχύς που παρέχεται σε αυτό διασκορπίζεται για εργασία λόγω του γεγονότος ότι το ρεύμα βρίσκεται σε φάση με την τάση. Ένα καλό παράδειγμα αντίστασης φορτίων περιλαμβάνει λαμπτήρες πυρακτώσεως και μπαταρίες.
Το εξάρτημα ισχύος που σχετίζεται με φορτία αντίστασης αναφέρεται ως Πραγματική ισχύς. Αυτή η πραγματική δύναμη ονομάζεται επίσης μερικές φορές ως Δύναμη Εργασίας, Πραγματική Δύναμη ή Πραγματική Ισχύς. Εάν είστε νέοι στην τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος και αισθάνεστε σύγχυση με όλες αυτές τις κυματομορφές, συνιστάται να διαβάσετε τα βασικά στοιχεία του AC για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί η ισχύς AC.
2. Αντιδραστικά φορτία
Τα αντιδραστικά φορτία από την άλλη πλευρά, είναι λίγο πιο περίπλοκα. Ενώ προκαλούν πτώση της τάσης και αντλούν ρεύμα από την πηγή, δεν καταστρέφουν καθόλου χρήσιμη ισχύ καθώς η ισχύς που αντλούν από την τροφοδοσία δεν λειτουργεί. Αυτό οφείλεται στη φύση των αντιδραστικών φορτίων.
Τα αντιδραστικά φορτία μπορούν είτε να είναι χωρητικά είτε επαγωγικά. Στα επαγωγικά φορτία, η ισχύς που καταναλώνεται χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της μαγνητικής ροής χωρίς να πραγματοποιείται οποιαδήποτε άμεση εργασία ενώ για χωρητικά φορτία, η ισχύς χρησιμοποιείται για τη φόρτιση του πυκνωτή και όχι για την απευθείας παραγωγή εργασίας. Η ισχύς που διαχέεται έτσι σε άεργα φορτία αναφέρεται ως άεργη ισχύς. Τα αντιδραστικά φορτία χαρακτηρίζονται από το ρεύμα που οδηγεί (Χωρητικά φορτία) ή που υστερεί (Επαγωγικά φορτία) πίσω από την τάση, ως τέτοια, συνήθως υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ του ρεύματος και της τάσης.
Τα παραπάνω δύο γραφήματα αντιπροσωπεύουν ένα επαγωγικό και χωρητικό φορτίο όπου ο συντελεστής ισχύος καθυστερεί και οδηγεί αντίστοιχα. Οι διακυμάνσεις σε αυτούς τους δύο τύπους φορτίου οδηγούν στην ύπαρξη τριών εξαρτημάτων ισχύος σε ηλεκτρικά συστήματα, δηλαδή:
- Πραγματική ισχύς
- Δύναμη αντίδρασης
- Προφανής δύναμη
1. Πραγματική ισχύς
Αυτή είναι η ισχύς που σχετίζεται με αντιστατικά φορτία. Είναι το εξάρτημα ισχύος που απορρίπτεται στην απόδοση της πραγματικής εργασίας σε ηλεκτρικά συστήματα. Από τη θέρμανση έως το φωτισμό, κ.λπ., εκφράζεται σε Watts (W) (μαζί με τους πολλαπλασιαστές του, kilo, Mega κ.λπ.) και συμβολίζεται με το γράμμα P.
2. Άεργη ισχύςΑυτή είναι η ισχύς που σχετίζεται με τα άεργα φορτία. Ως αποτέλεσμα της καθυστέρησης μεταξύ τάσης και ρεύματος σε αντιδραστικά φορτία, η ενέργεια που αντλείται σε αντιδραστική (είτε χωρητική είτε επαγωγική) δεν παράγει εργασία. Αναφέρεται ως άεργη ισχύς και η μονάδα του είναι άεργος βολτ-αμπέρ (VAR).
3. Φαινομενική ισχύςΤα τυπικά ηλεκτρικά συστήματα αποτελούνται τόσο από ανθεκτικά όσο και από επαγωγικά φορτία, σκεφτείτε τους λαμπτήρες και τους θερμαντήρες σας για αντιστατικά φορτία και τον εξοπλισμό με κινητήρες, συμπιεστές κ.λπ. ως επαγωγικά φορτία. Έτσι, σε ένα ηλεκτρικό σύστημα, η συνολική ισχύς είναι ένας συνδυασμός των πραγματικών και άεργων στοιχείων ισχύος, αυτή η συνολική ισχύς ονομάζεται επίσης ως φαινομενική ισχύς.
Η φαινομενική ισχύς δίνεται από το άθροισμα της πραγματικής ισχύος και της άεργης ισχύος. Η μονάδα της είναι volt-amp (VA) και αντιπροσωπεύεται μαθηματικά από την εξίσωση.
Φαινόμενη ισχύς = Πραγματική ισχύς + Άεργη ισχύ
Σε ιδανικές καταστάσεις, η πραγματική ισχύς που διαλύεται σε ένα ηλεκτρικό σύστημα είναι συνήθως μεγαλύτερη από την άεργη ισχύ. Η παρακάτω εικόνα δείχνει το διανυσματικό διάγραμμα που σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας τα τρία συστατικά ισχύος
Αυτό το διανυσματικό διάγραμμα μπορεί να μετατραπεί σε τρίγωνο ισχύος όπως φαίνεται παρακάτω.
Ο συντελεστής ισχύος μπορεί να υπολογιστεί λαμβάνοντας τη γωνία θήτα (ϴ) που φαίνεται παραπάνω. Εδώ είναι η γωνία μεταξύ της πραγματικής ισχύος και της φαινομενικής ισχύος. Στη συνέχεια, ακολουθώντας τον κανόνα του συνημίτονου (γειτονικά πάνω από την υπόταση), ο συντελεστής ισχύος μπορεί να εκτιμηθεί ως ο λόγος της πραγματικής ισχύος προς την φαινόμενη ισχύ. Οι τύποι υπολογισμού του συντελεστή ισχύος δίνονται παρακάτω
PF = Πραγματική ισχύς / Φαινόμενη ισχύς ή PF = Cosϴ
Κάνοντας αυτό δίπλα-δίπλα με την εξίσωση για τον προσδιορισμό της φαινομενικής ισχύος, είναι εύκολο να δούμε ότι η αύξηση της άεργης ισχύος (παρουσία μεγάλου αριθμού άεργων φορτίων), οδηγεί σε αύξηση της φαινόμενης ισχύος και μεγαλύτερη τιμή για τη γωνία ϴ, η οποία τελικά οδηγεί σε έναν συντελεστή χαμηλής ισχύος όταν λαμβάνεται το συνημίτονο (cos ϴ). Από την άλλη πλευρά, η μείωση των άεργων φορτίων (άεργη ισχύς) οδηγεί σε αυξημένο συντελεστή ισχύος, υποδεικνύοντας υψηλή απόδοση σε συστήματα με λιγότερο αντιδραστικά φορτία και αντίστροφα. Η τιμή του συντελεστή ισχύος θα είναι πάντα μεταξύ της τιμής 0 και 1, όσο πλησιάζει το ένα τόσο υψηλότερη θα είναι η αποδοτικότητα του συστήματος. Στην Ινδία, η ιδανική τιμή συντελεστή ισχύος θεωρείται 0,8. Η τιμή του συντελεστή ισχύος δεν έχει μονάδα.
Σημασία του συντελεστή ισχύος
Αν η τιμή του συντελεστή ισχύος είναι χαμηλή σημαίνει ότι η ενέργεια από το δίκτυο τροφοδοτείται καθώς ένα τεράστιο κομμάτι του δεν χρησιμοποιείται για ουσιαστική εργασία. Αυτό συμβαίνει επειδή το φορτίο εδώ καταναλώνει περισσότερη άεργη ισχύ σε σύγκριση με την πραγματική ισχύ. Αυτό δημιουργεί πίεση στο σύστημα τροφοδοσίας προκαλώντας υπερφόρτωση στο σύστημα διανομής, καθώς τόσο η πραγματική ισχύς που απαιτείται από το φορτίο όσο και η άεργη ισχύς που χρησιμοποιείται για την ικανοποίηση των αντιδραστικών φορτίων θα αντληθούν από το σύστημα.
Αυτή η πίεση και η «σπατάλη» συνήθως οδηγεί σε τεράστιους λογαριασμούς ηλεκτρικής ενέργειας για τους καταναλωτές (ειδικά στους βιομηχανικούς καταναλωτές), καθώς οι εταιρείες κοινής ωφελείας υπολογίζουν την κατανάλωση από την άποψη της φαινομενικής ισχύος, ως εκ τούτου, καταλήγουν να πληρώνουν για ενέργεια που δεν χρησιμοποιήθηκε για την επίτευξη οποιασδήποτε «ουσιαστικής» εργασίας. Ορισμένες εταιρείες επιβάλλουν επίσης πρόστιμο στους καταναλωτές τους εάν αντλούν περισσότερη άεργη ισχύ καθώς προκαλεί υπερφόρτωση στο σύστημα. Αυτό το πρόστιμο επιβάλλεται προκειμένου να μειωθεί ο συντελεστής χαμηλής ισχύος που προκαλεί φορτία που χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες.
Ακόμα και σε καταστάσεις όπου η τροφοδοσία παρέχεται από τις γεννήτριες της εταιρείας, τα χρήματα σπαταλούνται σε μεγαλύτερες γεννήτριες, καλώδια μεγαλύτερου μεγέθους κ.λπ. που απαιτούνται για την παροχή ισχύος όταν ένας καλός αριθμός απλώς πρόκειται να χαθεί. Για να το κατανοήσετε καλύτερα, σκεφτείτε το παρακάτω παράδειγμα
Ένα εργοστάσιο που λειτουργεί με φορτίο 70kW θα μπορούσε να τροφοδοτηθεί επιτυχώς από Γεννήτρια / Μετασχηματιστή και καλώδια ονομαστικής ισχύος για 70 kVA εάν το εργοστάσιο λειτουργεί με συντελεστή ισχύος 1. Αλλά, εάν ο συντελεστής ισχύος πέσει κάτω στο 0,6 τότε ακόμη και με το ίδιο φορτίο 70KW, απαιτείται μεγαλύτερη γεννήτρια ή μετασχηματιστής ονομαστικής ισχύος για 116,67 kVA (70 / 0,6), καθώς η γεννήτρια / μετασχηματιστής θα πρέπει να παρέχει την πρόσθετη ισχύ για το άεργο φορτίο. Εκτός από αυτήν τη μεγάλη αύξηση των απαιτήσεων ισχύος, το μέγεθος των καλωδίων που χρησιμοποιούνται θα πρέπει επίσης να αυξηθεί, οδηγώντας σε σημαντική αύξηση του κόστους του εξοπλισμού και αυξημένες απώλειες ισχύος ως αποτέλεσμα της αντίστασης κατά μήκος των αγωγών. Η τιμωρία για αυτό υπερβαίνει τους υψηλούς λογαριασμούς ηλεκτρικής ενέργειας σε ορισμένες χώρες, καθώς εταιρείες με χαμηλό συντελεστή ισχύος συνήθως επιβάλλουν πρόστιμα σε τεράστια ποσά για να ενθαρρύνουν τη διόρθωση.
Βελτίωση του συντελεστή ισχύος
Με όλα αυτά που έχουν ειπωθεί, θα συμφωνήσετε μαζί μου ότι είναι πιο οικονομικό να διορθώσουμε τον φτωχό συντελεστή ισχύος παρά να πληρώνουμε τεράστιους λογαριασμούς ηλεκτρικής ενέργειας, ειδικά για μεγάλες βιομηχανίες. Εκτιμάται επίσης ότι πάνω από 40% στους λογαριασμούς ηλεκτρικής ενέργειας μπορούν να εξοικονομηθούν σε τεράστιες βιομηχανίες και εργοστάσια παραγωγής εάν ο συντελεστής ισχύος διορθωθεί και διατηρηθεί χαμηλός.
Εκτός από τη μείωση του κόστους για τους καταναλωτές, η λειτουργία ενός αποτελεσματικού συστήματος συμβάλλει στη συνολική αξιοπιστία και αποδοτικότητα του ηλεκτρικού δικτύου, καθώς οι εταιρείες κοινής ωφελείας είναι σε θέση να μειώσουν τις απώλειες στις γραμμές και το κόστος συντήρησης, ενώ αντιμετωπίζουν επίσης μείωση της ποσότητας των μετασχηματιστών και παρόμοια υποδομή υποστήριξης που απαιτείται για τη λειτουργία τους.
Υπολογισμός συντελεστή ισχύος για το φορτίο σας
Το πρώτο βήμα για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος είναι ο προσδιορισμός του συντελεστή ισχύος για το φορτίο σας. Αυτό μπορεί να γίνει από:
1. Υπολογισμός της άεργης ισχύος χρησιμοποιώντας τις λεπτομέρειες αντίδρασης του φορτίου
2. Προσδιορισμός της πραγματικής ισχύος που διαλύεται από το φορτίο και συνδυασμός του με την φαινομενική ισχύ για την απόκτηση του συντελεστή ισχύος.
3. Η χρήση του μετρητή συντελεστή ισχύος.
Ο μετρητής συντελεστή ισχύος χρησιμοποιείται ως επί το πλείστον, καθώς βοηθάει εύκολα στην απόκτηση του συντελεστή ισχύος σε μεγάλες ρυθμίσεις συστήματος, όπου ο καθορισμός των λεπτομερειών αντίδρασης του φορτίου και της πραγματικής ισχύος που διασκορπίζεται, μπορεί να είναι μια δύσκολη διαδρομή.
Με γνωστό τον συντελεστή ισχύος, μπορείτε στη συνέχεια να προχωρήσετε στη διόρθωσή του, προσαρμόζοντάς τον όσο το δυνατόν πιο κοντά στο 1.nΟ συνιστώμενος συντελεστής ισχύος από εταιρείες παροχής ηλεκτρικού ρεύματος, είναι συνήθως μεταξύ 0,8 και 1 και αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο εάν χρησιμοποιείτε σχεδόν καθαρά Ανθεκτικό φορτίο ή η επαγωγική αντίδραση (φορτίο) στο σύστημα είναι ίση με την αντίσταση χωρητικότητας καθώς και οι δύο θα ακυρώσουν ο ένας τον άλλον.
Λόγω του γεγονότος ότι η χρήση επαγωγικών φορτίων είναι μια πιο συνηθισμένη αιτία για χαμηλό συντελεστή ισχύος, ειδικά σε βιομηχανικές ρυθμίσεις (λόγω της χρήσης βαρέων κινητήρων κ.λπ.), μία από τις απλούστερες μεθόδους διόρθωσης του συντελεστή ισχύος είναι η ακύρωση του επαγωγική αντίδραση μέσω της χρήσης διορθωτικών πυκνωτών που εισάγουν χωρητική αντίδραση στο σύστημα.
Οι πυκνωτές διόρθωσης συντελεστή ισχύος λειτουργούν ως γεννήτρια άεργου ρεύματος, αντισταθμίζοντας / αντισταθμίζοντας την ισχύ που «σπαταλάται» από επαγωγικά φορτία. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί προσεκτικά υπόψη ο σχεδιασμός κατά την εισαγωγή αυτών των πυκνωτών σε ρυθμίσεις για να διασφαλιστεί η ομαλή λειτουργία με εξοπλισμό όπως μονάδες μεταβλητής ταχύτητας και αποτελεσματική ισορροπία με το κόστος. Ανάλογα με την εγκατάσταση και την κατανομή φορτίου, ο σχεδιασμός θα μπορούσε να περιλαμβάνει πυκνωτές σταθερής τιμής εγκατεστημένους σε επαγωγικά σημεία φόρτωσης ή αυτόματες τράπεζες πυκνωτών διόρθωσης που είναι εγκατεστημένες στις ράβδους διαύλου των πινάκων διανομής για μια κεντρική διόρθωση η οποία συνήθως είναι πιο οικονομική απόδοσης σε μεγάλα συστήματα.
Η χρήση πυκνωτών διόρθωσης συντελεστή ισχύος έχει μειονεκτήματα, ειδικά όταν δεν χρησιμοποιούνται οι σωστοί πυκνωτές ή το σύστημα δεν έχει σχεδιαστεί σωστά. Η χρήση των πυκνωτών θα μπορούσε να παράγει κάποια σύντομη περίοδο «υπερ-τάσης», όταν είναι ενεργοποιημένη, η οποία θα μπορούσε να επηρεάσει τη σωστή λειτουργία του εξοπλισμού, όπως οι μεταβλητές ταχύτητες, προκαλώντας τους να σβήνουν κατά διαστήματα ή να ανατινάξουν τις ασφάλειες σε μερικούς από τους πυκνωτές. Θα μπορούσε, ωστόσο, να επιλυθεί προσπαθώντας να πραγματοποιήσει προσαρμογές στην ακολουθία ελέγχου μεταγωγής, στην περίπτωση κινήσεων ταχύτητας ή εξάλειψης αρμονικών ρευμάτων στην περίπτωση ασφαλειών.
Συντελεστής ισχύος Unity και γιατί δεν είναι πρακτικό
Όταν η τιμή του συντελεστή ισχύος σας είναι ίση με 1, τότε ο συντελεστής ισχύος λέγεται συντελεστής ισχύος ενότητας. Μπορεί να είναι δελεαστικό να επιτευχθεί ο βέλτιστος συντελεστής ισχύος 1, αλλά είναι σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί λόγω του γεγονότος ότι κανένα σύστημα δεν είναι πραγματικά ιδανικό. Υπό την έννοια, κανένα φορτίο δεν είναι καθαρά ανθεκτικό, χωρητικό ή επαγωγικό. Κάθε φορτίο περιλαμβάνει μερικά από τα στοιχεία του άλλου, ανεξάρτητα από το πόσο μικρό, καθώς ένα τέτοιο τυπικό εύρος συντελεστών ισχύος μπορεί να είναι συνήθως έως 0,9 / 0,95. Έχουμε ήδη μάθει για αυτές τις παρασιτικές ιδιότητες των στοιχείων RLC στα άρθρα μας ESR και ESL με Capacitors.
Ο συντελεστής ισχύος είναι καθοριστικός για το πόσο καλά χρησιμοποιείτε την ενέργεια και πόσο πληρώνετε στους λογαριασμούς ηλεκτρικής ενέργειας (ειδικά για τις βιομηχανίες). Κατ 'επέκταση, συμβάλλει σημαντικά στο λειτουργικό κόστος και μπορεί να είναι αυτός ο παράγοντας πίσω από τα μειωμένα περιθώρια κέρδους που δεν έχετε προσέξει. Η βελτίωση του συντελεστή ισχύος του ηλεκτρικού σας συστήματος θα μπορούσε να συμβάλει στη μείωση των λογαριασμών ηλεκτρικής ενέργειας και να διασφαλίσει τη μεγιστοποίηση της απόδοσης.