Увеличение косинуса фи

Что такое коэффициент мощности

Увеличение косинуса фи

При проектировании электрических сетей для расчета различных значимых показателей используют коэффициенты. В частности, электрику необходимо знать, что такое коэффициент мощности (косинус фи), с опорой на какие параметры определяют его значение, и в чем его физический смысл.

Фазометр – прибор для определения коэффициента

Что такое коэффициент мощности (косинус фи)

Что такое коэффициент мощности? В электротехнике косинус фи – это параметр, характеризующий потребителя электротока в роли реактивного компонента сетевой нагрузки.

Этот показатель, равный косинусу от сдвига фазы относительно прикладываемого напряжения, используется только применительно к переменному току.

В случае отставания его от напряжения значение сдвига считается положительным, в обратной ситуации – отрицательным.

Формула коэффициента мощности

Отношение, выражающее коэффициент, считается по следующей формуле:

cos φ f = P/UI,

где Р – усредненная мощность переменного тока, U и I – эффективные показатели, соответственно, напряжения и силы электротока.

Практическое значение

Что такое измерение сопротивления изоляции и почему это важно

В электроэнергетике при проектировании сетей cos коэффициент фи стремятся повысить как можно больше.

Соотношение cos угла fi подразумевает, что в случае его малого показателя для обеспечения нужной мощности цепи потребуется использовать электрический ток очень большой силы.

Существует корреляция между применением высокого тока и потерями энергии в подводящих кабелях: если показания электросчетчика заметно выше ожидаемых, всегда проверяют правильность расчетов угла фи.

Показатель может быть выяснен с помощью специального прибора – фазометра. При недостаточности коэффициента в дело идут усилители и другие установки, призванные скомпенсировать энергетические потери. Если угол фи рассчитан неправильно, будут иметь место снижение эффективности работы электрооборудования и рост энергопотребления.

Сдвиг фаз между напряжением и током

Что такое электрическое сопротивление

Фазовый сдвиг – показатель, описывающий разность исходных фаз двух параметров, имеющих свойство меняться во времени с одинаковыми скоростями и периодами. Именно сдвиг между силой и напряжением определяет, сколько будет значение угла фи.

В радиотехнической промышленности используются цепочки для получения асинхронного хода. Одна RC-цепь создает 60-градусный сдвиг, для получения 180-градусного для трехфазной структуры организуют последовательное соединение трех цепочек.

При трансформации электродвижущей силы во вторичных обмотках прибора для всех вариаций тока ее значение идентично по фазе таковому для первичной обмотки. Если обмотки трансформатора включить в противофазе, значение напряжения получает обратный знак. Если напряжение идет по синусоиде, происходит сдвиг на 180 градусов.

В простом случае (к примеру, включение электрического чайника) фазы двух показателей совпадают, и они в одно и то же время достигают пиковых значений. Тогда при расчете потребительской мощности применять угол фи не требуется.

Когда к переменному току подключен электродвигатель с составной нагрузкой, содержащей активный и индуктивный компоненты (двигатель стиральной машинки и т.д.), напряжение сразу подается на обмотки, а ток отстает вследствие действия индуктивности. Таким образом, между ними возникает сдвиг.

Если индуктивный компонент (обмотки) подменен использованием достижений химии в виде емкостного аккумулятора, отстающей величиной, напротив, оказывается напряжение.

Косинус фи не следует путать с другим показателем, рассчитываемым для комплексных нагрузок, – коэффициентом демпфирования. Он широко используется в усилителях мощности и равен частному номинального сопротивлению прибора и выходному – усилка.

Треугольник мощностей

Рассматриваемый коэффициент может быть измерен так же, как частное полезного активного значения мощности к общей (S=I*U). Для иллюстрации влияния фазового сдвига на косинус фи применяется прямоугольный треугольник мощностей.

Катеты, образующие прямо угол, представляют реактивное и активное значение, гипотенуза – общее. Косинус выделенного угла равен частному активной и общей мощностей, то есть он является коэффициентом, демонстрирующим, какой процент от полной мощности требуется для нагрузки, имеющей место в данный момент.

Чем меньший вес имеет реактивный компонент, тем больше полезная мощность.

Важно! Строго говоря, данный параметр полностью соответствует коэффициенту мощности только при идеально синусоидальном движении тока в электросети.

Для получения максимально точной цифры требуется анализ искажений нелинейного характера, присущих переменным току и напряжению.

В практических подсчетах эти искажения чаще всего игнорируют и полагают показатель cos fi примерно равным требуемому коэффициенту.

Усредненные значения коэффициента мощности

ГОСТы указывают на необходимость корректного указания данной цифры. Для разных типов электроприборов характерные значения находятся в определенных границах:

  • Нагревательные компоненты и лампы накаливания, несмотря на присутствие в составе катушек, рассматриваются как строго активная нагрузка, несущественную индуктивную составляющую в этом случае принято игнорировать. Косинус фи для них берут за единицу.
  • У ударных и обычных дрелей, перфораторов и подобных ручных инструментов, работающих от электричества, индуктивная нагрузка выражена слабо, индикатор примерно равен 0,95-0,97. Обычно эту цифру не указывают в инструкциях из-за очевидного пренебрежимо малого значения индукции.
  • Сварочные трансформаторы, высокомощные двигатели, люминесцентные лампочки несут существенную индуктивную нагрузку. Цифра может иметь значения в диапазоне 0,5-0,85. Ее надо правильно определить и учитывать при эксплуатации, к примеру, при выборе сечения кабелей питания (они не должны перегреваться).

Сварочный трансформатор – прибор, требующий повышенного внимания к показателю cos fi

Низкий коэффициент мощности, его последствия

Из-за низких значений угла фи возможны следующие неприятные явления:

  • возрастание трат на электроэнергию примерно на 20%;
  • необходимость использовать более толстые провода из-за энергопотерь, что ведет к еще большим потерям;
  • выделение тепла влечет за собой потребность в изоляционных материалах, более стойких к воздействию высоких температур.

Способы расчета

Данный параметр можно представить, как отношение мощностей: полезной нагрузочной и общей. В формульном виде это записывается так:

cos fi = P/S,

где:

  • S (полная мощность) = I*U=√P2¯+¯Q¯2¯;
  • Q (реактивная мощность) = I*U*sin fi.

У асинхронного электродвигателя с тремя фазами можно посчитать коэффициент так:

cos fi=P/(U*I*√3).

Помимо этого, для вычисления показателя можно применять мощностный треугольник.

Единицы измерения

Иногда встает вопрос, в чем измеряется данный коэффициент, если его описывают, как безразмерную величину. Его обычно указывают в процентах или в сотых долях, во втором случае значения находятся в диапазоне от 0 до 1.

Чтобы приборы, подсоединенные к электрической сети, эксплуатировались возможно более долгий срок, необходимо знать, что такое показатель cos f в электричестве, и как его правильно определять. Его значение нужно учитывать в процессе подключения устройств и их дальнейшей эксплуатации.

Что такое косинус фи в электрике

Увеличение косинуса фи

23 августа 2018.
Категория: Освещение.

Допустим, вы купили компрессор для полива растений или электродвигатель для циркулярной пилы. В инструкции по эксплуатации помимо основных технических характеристик (таких, как потребляемый ток, рабочее напряжение, частота вращения) вы можете обнаружить такой непонятный показатель, как косинус фи (cos ϕ).

Данная информация может быть указана и на пластинке (шильдике), закрепленной на корпусе прибора.

В нашей статье мы постараемся объяснить простым и доступным языком  всем, даже пользователям далеким от электротехнических тонкостей, как тригонометрическая функция (знакомая нам со школьной скамьи) влияет на работу всем нам привычных электробытовых приборов, и почему ее называют коэффициентом мощности.

Важно! Все нижесказанное касается только сетей переменного тока.

Далекий от электротехники, но весьма наглядный пример

Чтобы объяснить, каким образом угол ϕ (а точнее его косинус) влияет на мощность, рассмотрим пример, не имеющий никакого отношения к электротехнике. Допустим нам необходимо передвинуть тележку, стоящую на рельсах. Чтобы удобнее было производить данную операцию, к ее передней части прикрепляем канат.

Если мы будем тянуть за веревку прямо вперед по направлению движения, то для перемещения тележки нам понадобится приложить достаточно небольшое усилие.

Однако если находиться сбоку от рельсов и тянуть за канат в сторону, то для движения тележки с такой же скоростью необходимо будет приложить значительно большее усилие.

Причем чем больше угол (ϕ) между направлением движения и прикладываемым усилием, тем больше «мощности» потребуется от нас.

Вывод! То есть, увеличение угла ϕ ведет к увеличению расходуемой нами энергии (при одной и той же выполненной работе).

На что влияет низкий коэффициент мощности

К чему могут привести низкие показатели коэффициента мощности:

  • При низком PF возрастает потребляемый нагрузкой ток. cos ϕ=P/S=P/(U•I), следовательно I=P/(U•cos ϕ). Допустим, для конкретной нагрузки необходима активная мощность P=10000 ВА при напряжении U=220 В. В идеальном варианте PF=cos ϕ=1. Тогда ток нагрузки: I=10000/(220•1)≈45 А. При PF=0,8  I=10000/(220•0,8)≈57 А. То есть при снижении PF с 1 до 0,8 ток возрастет приблизительно на 20%. Значит, это приведет к излишним затратам на электроэнергию.
  • Снижение коэффициента мощности, и как следствие увеличение тока приводит к значительным энергетическим потерям в проводах, которые по закону Ома равны I•R², где R – активное сопротивление проводников. Для уменьшения этих потерь приходится увеличивать диаметр проводов, что опять же приводит к излишним экономическим затратам.
  • Вышеуказанные потери расходуются на выделение тепла. В этом случае придется применять более термостойкие, а следовательно, и более дорогие изоляционные материалы).

В заключении

Смело можно утверждать, что чем ближе значение PF к единице, тем эффективнее используется электроэнергия. В некоторых мощных приборах производители устанавливают специальные приспособления, которые позволяют осуществлять коррекцию коэффициента мощности.

Коэффициент мощности двигателя: определение, способы увеличения «косинуса фи»

Увеличение косинуса фи

Показатель коэффициента мощности двигателя, который обозначается как «косинус фи», обычно стараются сделать как можно больше. Чем меньше будет значение, тем большую силу должен иметь ток, чтобы выделить в цепи нужную мощность. Если при расчетах в чем-то ошибиться, то неизбежно увеличится потребление электроэнергии, а коэффициент полезного действия при этом, наоборот, уменьшится.

Косинус фи — показатель приборов, работающих от электротока. Это параметр, который характеризует искажения формы переменного тока. Если говорить математическим языком, этот показатель можно охарактеризовать как отношение активной мощности к полной. Чем выше это значение, тем эффективнее устройство расходует электроэнергию.

Для объяснения физического значения коэффициента в пример можно взять расчет других связанных с ним параметров для одного из устройств. Допустим:

  1. В сеть переменного тока был включен идеальный конденсатор.
  2. Поскольку переменное напряжение периодически меняет свою полярность, устройство будет то заряжаться, то вновь возвращать сохраненную энергию к источнику.
  3. В итоге будет происходить циркуляция электронов.

В электросетях с постоянным током мощность, как и другие ключевые параметры, остается неизменной в течение некоторого периода. Для таких случаев применимо понятие мощности, представляющей собой произведение двух важных параметров тока — его силы и напряжения.

Однако это нельзя сказать о токе переменном, ведь его параметры постоянно меняются. Именно поэтому нельзя просто определить значение по той формуле коэффициента мощности, которая используется для ее определения в случае с электросетью с постоянным током.

По этой причине было введено такое понятие, как мгновенная мощность.

Мгновенная мощность

Этот показатель имеет непосредственное отношение к выделению энергии и к механической работе: то есть к тем явлениям, которые имеют инерционный характер. Применяется он исключительно для расчетов. В оценке расчетов различных показателей электрических сетей применяются также действующие значения силы тока и напряжения.

Измерительные приборы, знакомые со школьной скамьи — вольт- и амперметр — предназначены для измерения этих значений. Такой показатель, как полная мощность, по сути представляет собой произведение действующих силы тока и напряжения: достаточно их лишь перемножить.

Этот показатель используют при определении требований электросети. Измеряется не в ваттах, для этого существует специальная единица измерения с названием, которое прямо указывает на то, что именно нужно перемножить для определения значения — вольт-ампер.

Активная и реактивная

С появлением в электросети реактивных элементов начинают происходить изменения. Эти элементы могут накапливать энергию и затем возвращать ее. В итоге образуется так называемая реактивная мощность.

Впрочем, она не выполняет никакую полезную работу. Разумеется, возвращается энергия уже с некоторыми потерями, поэтому в любой электросети реактивное значение пытаются свести к минимуму.

Активная мощность — это усредненное значение мгновенной за определенный временной отрезок. Она способна выполнять полезную работу. Для определения полной нужно активную и реактивную возвести в квадрат и затем из суммы этих квадратов извлечь квадратный корень.

Активную можно узнать, перемножив силу тока, напряжение и косинус фи. Если он будет равен единице, то активная мощность будет полностью соответствовать полной. Это будет означать, что потерь энергии нет вообще, и любая работа является полезной.

Коэффициент полезного действия в этом случае будет равен 100%. Случается это лишь на активной нагрузке, в сети, где нет реактивных элементов. Следовательно, при реактивной мощности не выполняется работа, однако, происходят потери, которые имеют обратно пропорциональную зависимость от косинуса фи. Чем ближе значение к единице, тем меньше потеря.

Увеличение значения

Косинус фи можно увеличить либо с помощью специальных компенсирующих устройств, либо без них. Первый способ подразумевает упорядочение процесса, которое улучшает энергетический режим. Определить коэффициент помогают специальные электроизмерительные приборы, называемые фазометрами.

Увеличивая значение косинуса фи в электрике, пытаются достичь трех главных целей:

  1. Таким способом хотят сэкономить электроэнергию.
  2. Увеличение косинуса фи способствует также экономии материала, который используется для изготовления проводников. Это тоже является экономией.
  3. Высокое значение показателя говорит о высоком коэффициенте полезного действия.

Показатель косинус фи обязательно нужно принимать во внимание при создании электросетей. Если он будет недостаточно высоким, это неизбежно приведет к огромным потерям энергии.

Увеличение косинуса фи

Увеличение косинуса фи

25 апреля 2015.
Категория: Электротехника.

Недозагрузка электродвигателей переменного тока

При недозагрузке электродвигателя потребляемая им активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке. В то же время реактивная мощность изменяется меньше. Поэтому чем меньше нагрузка двигателя, тем с меньшим коэффициентом мощности он работает.

Так, например, асинхронный двигатель в 400 кВт при 1000 оборотах в минуту имеет “косинус фи”, равный при полной нагрузке 0,83. При ¾ нагрузки тот же двигатель имеет cos φ = 0,8. При ½ нагрузке cos φ = 0,7 и при ¼ нагрузки cos φ = 0,5.

Двигатели, работающие вхолостую, имеют “косинус фи”, равный от 0,1 до 0,3 в зависимости от типа, мощности и скорости вращения.

Неправильный выбор типа электродвигателя

Двигатели быстроходные и большой мощности имеют более высокий “косинус фи”, чем тихоходные и маломощные двигатели. Двигатели закрытого типа имеют cos φ ниже, чем двигатели открытого типа. Двигатели, неправильно выбранные по типу, мощности и скорости, понижают cos φ.

Повышение напряжения в сети

В часы малых нагрузок, обеденных перерывов и тому подобного напряжение сети на предприятии увеличивается на несколько вольт. Это ведет к увеличению намагничивающего тока индивидуальных потребителей (реактивной составляющей их полного тока), что в свою очередь вызывает уменьшение cos φ предприятия.

Неправильный ремонт двигателя

При перемотке электродвигателей обмотчики вследствие неправильного подбора проводов иногда не заполняют пазы машины тем количеством проводников, которое было в фабричной обмотке. При работе такого двигателя, вышедшего из ремонта, увеличивается магнитный поток рассеяния, что приводит к уменьшению cos φ двигателя.

При сильном износе подшипников ротор двигателя может задевать при вращении за статор. Вместо того чтобы сменить подшипники, обслуживающий персонал иногда идет по неправильному и вредному пути и подвергает ротор обточке.

Увеличение воздушного зазора между ротором и статором вызывает увеличение намагничивающего тока и уменьшение cos φ двигателя.

Способы увеличения “косинуса фи”

Вышеперечисленные последствия низкого cos φ с достаточной убедительностью говорят о том, что необходимо вести борьбу за высокий cos φ. К мерам увеличения cos φ относятся:

  1. Правильный выбор типа, мощности и скорости вновь устанавливаемых двигателей;
  2. Увеличение загрузки двигателей;
  3. Недопущение работы двигателей вхолостую продолжительное время;
  4. Правильный и высококачественный ремонт двигателей;
  5. Применение статических (то есть неподвижных, невращающихся) конденсаторов.

Малый вес конденсаторов, отсутствие вращающихся частей, незначительные потери энергии в них, легкость обслуживания, безопасность и надежность в работе дают возможность широкого применения статических конденсаторов для повышения cos φ двигателей.

Подбирая величину емкости при параллельном соединении и емкости, можно добиться уменьшения угла сдвига фаз между напряжением и общим током при неизменной активной и реактивной мощности, потребляемой ветвью с индуктивностью. Этот угол можно сделать равным нулю. Тогда ток, текущий на общем участке цепи, будет иметь наименьшую величину и совпадать по фазе с напряжением сети.

Это явление называется компенсацией сдвига фаз и широко используется на практике.
По экономическим соображениям невыгодно доводить угол φ до нуля, практически целесообразно иметь cos φ = 0,9 – 0,95.

Рассмотрим расчет емкости конденсаторов, которые нужно включить параллельно индуктивной нагрузке, чтобы повысить cos φ до заданной величины.

На рисунке 1, а изображена схема включения индуктивной нагрузки в сеть переменного тока. Для увеличения коэффициента мощности параллельно потребителю включена батарея конденсаторов. Векторная диаграмма начинается с построения вектора напряжения U.

Ток I1 вследствие индуктивного характера нагрузки отстает по фазе от напряжения сети на угол φ1. Необходимо уменьшить угол сдвига фаз между напряжением U и общим током до величины φ.

Иначе говоря, увеличить коэффициент мощности от значения cos φ1 до значения cos φ.

Рисунок 1. Увеличение cos φ при помощи статических конденсаторов:
а – схема включения; б – векторная диаграмма

Отрезок ос, представляющий активную слагающую тока I1, равен:

ос = I1 × cos φ1 = оа × cos φ1 .

Пользуясь выражением мощности переменного тока

P = U × I × cos φ ,

отрезок ос выразим так:

Ток на общем участке цепи I равен геометрической сумме тока нагрузки I1 и тока конденсатора IC.

Из треугольника оас и овс имеем:

ас = ос × tg φ1 ;
bс = ос × tg φ .

Из диаграммы получаем:

ab = od – ac – bc = ос × tg φ1 – ос × tg φ = oc × (tg φ1 – tg φ) .

Так как и ab = IC , то

Вместе с этим, как было указано выше,

IC = U × ω × C .

Следовательно,

Пример 1. Электрические двигатели шахты потребляют мощность 2000 кВт при напряжении 6 кВ и cos φ1 = 0,6. Требуется найти емкость конденсаторов, которую нужно подключить на шины установки, чтобы увеличить cos φ до 0,9 при f = 50 Гц.

Решение.

cos φ1 = 0,6;     φ1 = 53°10’;     tg φ1 = 1,335;

cos φ = 0,9;     φ = 25°50’;     tg φ = 0,484;

Источник: Кузнецов М. И., “Основы электротехники” – 9-е издание, исправленное – Москва: Высшая школа, 1964 – 560 с.

Коэффициент мощности преобразователя частоты. Способы повышения

Увеличение косинуса фи

Нет уже надобности лишний раз описывать, что такое экономия электроэнергии, да и энергии вообще, и насколько это плохо.

Даже, если это не так плохо на самом деле, как расписывают политики или придворные ученые, в любом случае, зачем жечь лишние киловатты? Зачем пропадать добру? Повышать экономичность энергопотребляющих машин, устройств и приборов – это одна из обязанностей тех, кто их создает.

Электроэнергия неизбежно теряется в процессе передачи от источника к потребителю. это справедливо как для переменного тока, так и для постоянного. Часть активной мощности, на величину падения напряжения сети, бесполезно греет воздух и землю.

Эта проблема, насколько возможно, решается оптимальным подбором сечения проводников линий электропередач и повышением напряжения, до тех пор, пока это возможно. На первый взгляд, на этом можно успокоиться. На самом деле не все так просто и вопрос упирается в деньги.

Рассмотрим эту ситуацию на примере.

На предприятии нагревают воду и платят по счетчику активной энергии. Продавец, скажем, электростанция, с учетом точно рассчитанных потерь на передачу в линии, смотрит на свой счетчик и видит баланс.

Затем предприятие покупает электромоторы и начинает интенсивно использовать их с насосами, что-то качать. Через некоторое время продавец электроэнергии начинает замечать, что ему приходится вырабатывать больше энергии чем он продает за деньги.

У клиента все в порядке, пломбы на счетчиках целые. Убедившись, что никто не ворует, обращаются к электротехникам за консультацией.

Те объясняют, что за счет индуктивности электромоторов в цепи появляется реактивный ток (берущийся взаймы) и соответствующая ему мощность. Энергия, запасенная в магнитном поле моторов, по законам физики сохраняется, но не вся она переходит в механическую работу. Потому, что не успевает сделать это вовремя.

И возвращается в цепь обратно. Этот бесполезный ток только зря нагревает провода, и совсем не учитывается счетчиками активной энергии. Что делать? Есть два выхода.

Первый: это скомпенсировать реактивный ток, поставив на подстанции предприятия батареи конденсаторов; и второй: установить счетчик реактивной энергии и брать за нее деньги.

Продавец электроэнергии выбирает второй путь – брать деньги, а кто бы сделал не так? Тогда предприятие, узнав о конденсаторах, делает в них инвестицию и со временем они окупаются, поскольку реактивный счетчик крутит уже не так быстро. Примерно так и было в истории развития промышленной электроэнергетики. “Частный сектор” тогда пользовался еще спиральными электроплитками и лампочками накаливания и платил аккуратно.

Со временем, мощность бытовых приборов в развитых странах сильно выросла. Любой современный бытовой прибор может содержать электромоторы и трансформаторы: холодильник, стиральная машина. Даже блок питания компьютеров содержит элементы, искажающие форму потребляемого тока. А это означает появление реактивного тока и реактивную мощность.

Продавцы энергии снова почувствовали убытки, да и экологи шумят. Но не ставить же в частном секторе и офисах счетчики реактивной энергии! Поэтому высокоразвитые страны, под давлением заинтересованных сторон, выработали обязательные стандарты для всех производителей современного энергопотребляющего оборудования.

Сегодня даже маломощный компьютерный блок питания оснащен корректором коэффициента мощности и его к.п.д. перевалил за 99%.

Полная мощность цепи переменного тока складывается из суммы активной мощности и реактивной мощности. Коэффициент мощности равен отношению активной мощности к полной мощности, следовательно, чем меньше реактивная мощность, тем выше коэффициент мощности.

В общем случае, для несинусоидальных токов и напряжений, их функции необходимо разложить в ряд Фурье и для каждой гармоники мы получим свой коэффициент мощности в виде тригонометрической функции ее фазового угла, а также и свои амплитуды тока и напряжения. Функция синус проще всего раскладывается в ряд Фурье – это и есть сам синус.

Любое преобразование энергии по закону синуса аналогично равномерному круговому движению в механике с центром масс на оси вращения. Это самый экономичный режим.

Энергетиков на предприятиях, да и бытовых потребителей, волнует, главным образом, первая гармоника напряжения сети – 50 Гц, для которой  коэффициент мощности с высокой точностью для практики равен cos φ.

Энергетиков крупных энергетических компаний уже интересуют высшие гармоники, потому, что для их компаний это ощутимые рубли, которые проявляются не столько в потере энергии, сколько в помехах управляющей, сигнальной и связной аппаратуре.

Обычно интересуются 5, 7 и 11-ми гармониками (это простые числа, осложняющие расчеты). Для их подавления у мощных потребителей используют контуры с последовательным резонансом.

Повышение коэффициента мощности

Кроме упомянутых уже конденсаторов (или дросселей для нагрузки с емкостным характером), коэффициент мощности можно повысить избегая работы мощных двигателей и трансформаторов с недостаточной нагрузкой. Это увеличит “косинус”.

Отдельный вопрос – как повысить коэффициент для несинусоидальных токов, то есть, бороться с гармоническими искажениями переменного тока в линии, идущей к поставщику энергии.

Особенно это актуально для небольших потребителей с импульсными источниками питания, а также любого прибора содержащего силовую электронику, например, для преобразователя частоты. Здесь либо можно использовать дроссели, либо активные корректоры мощности.

По нынешним временам дроссель – слишком большая роскошь, это много стали и меди. Активный корректор – это управляемый силовым ключом дроссель, изготовленный из недорогого феррита с небольшим числом витков медного провода.

Электропривод переменного тока

Особенное значение в технике приобретают управляемые приводы переменного тока с использованием асинхронного электродвигателя. Если бы инженер тридцатых годов прошлого века увидел, что теперь вытворяют с помощью этих простых, дешевых и “к сожалению неуправляемых” двигателей, он бы лопнул от зависти.

Единственный способ эффективно изменять скорость вращения такого двигателя – изменять частоту напряжения на нем. В тридцатые годы прошлого века изменять частоту можно было только на электростанции, глядя на язычковый частотомер, в пределах нескольких Гц. Все, что надо было тогда делать – это держать его на номинале, посередине шкалы.

Все остальное было еще в теории.

Частотные преобразователи

Сегодня асинхронным двигателем управляют с помощью преобразователя частоты. Частотный преобразователь прошел определенную историю развития. Сначала использовались тиристорные схемы.

Эти схемы имели множество недостатков, которые сдерживали развитие преобразователей, хотя довольно активно применялись, особенно для мощных двигателей. Когда появились MOSFET, а затем и IGBT транзисторы, рынок преобразователей, как принято говорить “взорвался”.

Средняя стоимость преобразователя частоты начала падать и сегодня частотник можно купить даже для бытовых целей за несколько тысяч рублей.

К моменту появления IGBT было предложено и испытано множество топологий силовой части и способов управления для преобразователя частоты. Преобразователи делятся на прямые и двухзвенные ДПЧ.

Прямые – непосредственно передают энергию к двигателю: например, циклоконвертор, матричный конвертор. Большим недостатком этих преобразователей является значительное число ключей и большая сложность управления ими.

Они применялись, в основном, в тиристорную  эпоху.

Двухзвенная схема преобразователя частоты содержит трехфазный инвертор, получающий питание от источника постоянного тока или напряжения. Следовательно, она требует выпрямитель, каковой и является еще одним звеном.

Эти преобразователи более перспективные, так как позволяют осуществить рекуперацию на переменном токе, а это, пожалуй, было бы окончательным решением проблемы электропривода.

Этот важный вопрос поясняет следующий рисунок:

На рисунке показан инвертор тока. Он питает двигатель и конденсаторы в его цепи. Дроссели в звене постоянного тока ограничивают помехи. Конденсаторы сглаживают пульсации тока ШИМ.

Инвертору тока требуется управляемое выпрямляющее звено для регулирования напряжения и управления током в промежуточном звене. В выходном инверторе используются запираемые тиристоры IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor).

Это довольно новый вид приборов, промышленность еще не имеет большого опыта их применения, но разработчики интересуются их возможностями.  IGCT – довольно сложная штука:

так как содержит драйвер непосредственно рядом с прибором. На рисунке показан прижимной вариант.

Можно заметить множество конденсаторов на плате – это требуется для повышения быстродействия управляющего электрода. Частота переключения – порядка единиц кГц.

Это уже подходит для преобразователя частоты. Инвертор тока может не гасить энергию на тормозных резисторах, а возвращать ее в питающую сеть.

Но наиболее часто используются инверторы напряжения. Их выпрямляющее звено выполняется на диодах, а инвертор – на транзисторах IGBT, зашунтированными диодами, включенными в обратном направлении. Звено постоянного тока содержит конденсаторы и дроссель для сглаживания пульсаций.

Инвертор напряжения имеет довольно много вариантов.

Дело в том, что для эффективного регулирования мощных двигателей в звене постоянного тока преобразователя частоты приходится использовать высокое напряжение, а для этого приходится использовать многоуровневые схемы инверторов, чтобы поделить напряжение между приборами и избежать их пробоя.

Существуют схемы: трехуровневая, с фиксированной средней точкой; каскадные с большим, чем три, числом уровней; схемы с плавающими конденсаторами. Большинство продаваемых преобразователей выпускают по простой схеме для трехфазных двигателей малой и средней мощности, работающих в сетях 50-60 Гц 0,4 кВ.

Схема частотного преобразователя помещается в небольшой коробке, размером с обувную, для преобразователей частоты небольшой мощности, а мощные высоковольтные преобразователи для больших двигателей могут занимать несколько металлических шкафов.

Экономия энергии с частотным преобразователем

Использование преобразователя частоты для питания и плавного пуска асинхронного электродвигателя позволяет экономить до от 30 до 60%. Это происходит за счет оптимизации режима работы двигателя с помощью частотного преобразователя. При малой нагрузке можно уменьшить напряжение на двигателе, а управляя частотой выходного напряжения, поддерживать требуемую скорость.

Фильтр в звене постоянного тока частотного преобразователя хорошо справляется с реактивным током на первой гармонике, а остальные могут успешно подавляться фильтрами, включаемыми как в цепи переменного напряжения преобразователя частоты со стороны сети, так и в цепи переменного напряжения после преобразователя, на стороне двигателя.

Способность преобразователя частоты заряжать конденсаторы звена постоянного тока до некоторой степени тоже экономит энергию. Если механизм движется по инерции непродолжительное время, то выходной инвертор может быть использован как выпрямитель и заряжать емкость звена постоянного тока.

Длительно это происходить не может, так как заряд конденсатора ограничен его номинальным напряжением и это как раз величина выходного напряжения инвертора частотного преобразователя в режиме торможения.

  для этих целей в схему преобразователя частоты добавляют тормозной резистор, делается это внешним образом, так как этот резистор будет выделять много тепла и корпус преобразователя частоты может его не выдержать.

Использование преобразователя частоты “из коробки” никак не гарантирует беспроблемность с экономией энергии. Потребитель должен вникнуть в условия эксплуатации каждого экземпляра преобразователя частоты, который он приобрел и устанавливает на своем производстве.

В цепи переменного тока для повышения кпд необходимо правильно подбирать мощности двигателя и преобразователя. Если нагрузка на двигатель не достигает его номинальной мощности, то можно использовать марку преобразователя частоты для двигателя меньшей мощности.

Необходимая величина выходного напряжения будет при этом обеспечена, скорость вращения также. Но это не самый экономный вариант для частотного преобразователя. И частотник, и двигатель должны соответствовать по мощности друг другу.

Можно подключать несколько двигателей параллельно, при условии, что они работают в одинаковых условиях и в сумме имеют номинальную мощность как у преобразователя. В этом случае не обязательно покупать преобразователи по отдельности для каждого двигателя.

Коэффициент мощности частотного преобразователя довольно близок к 1, не меньше 0,98 в худшем случае. Вся реактивная мощность двигателя поглощается в звене постоянного тока на любых режимах его работы. Все оставшееся, это только влияние нелинейности выпрямителя.

Для мощных двигателей, а значит, и больших токов во входной сети преобразователя, будут заметны импульсные помехи. Так что коэффициент мощности частотника это вопрос не энергетический, а электромагнитной совместимости.

чтобы избавиться от помех, может понадобиться экранирование кабелей или прокладка их в трубах, при заземлении экранов или труб. Важно не нарушать также и те правила заземления, которые указаны в инструкции на каждый преобразователь.

Каждый преобразователь должен напрямую соединяться с шиной заземления и никак иначе. Иначе образуются контуры, которые будут создавать помехи чувствительному оборудованию.

Корректоры коэффициента мощности. PFC. (ч.1)

Косинус фи в электротехнике – это коэффициент мощности

Увеличение косинуса фи

На бирках (шильдиках) электродвигателей обязательно указана его мощность, измеряемая в ваттах, и вот такой значок «cosφ». Что обозначает косинус фи в электротехнике – это коэффициент мощности.

И определяется он соотношением мощности активной к полной. При этом чем выше данный коэффициент, то есть приближается к единице, тем лучше.

Потому что в данном случае реактивная мощность будет равна нулю, а, значит, будет уменьшаться потребляемое значение, что приведет к экономии электроэнергии.

Поэтому чтобы разобраться в косинусе фи, необходимо сначала разобраться со всеми этими мощностями.

Мощности в электродвигателе

Итак, полная мощность с единицей измерения вольт-ампер (ВА) – это комплексная величина, состоящая из активной мощности (действительной) и реактивной (мнимой). Если рассматривать полный показатель по формуле, то можно это отобразить вот так:

N=√Nа²+Nр²

Или вот так:

N=IxU.

Теперь рассмотрим составляющие первой формулы. Активная мощность действует только на активных сопротивлениях, то есть она присутствует при определенных нагрузках, а, точнее сказать, когда электрический двигатель работает. Вычисляется она вот по этой формуле:

Nа=IxUxcosφ.

Что значит активное сопротивление? Здесь необходимо понимать, что в цепях переменного тока сопротивление выше, чем в цепях постоянного тока. Это связано со многими факторами.

К примеру, это вихревые токи, которые образуются в цепи, это электромагнитное поле, это близость расположения проводников и так далее.

Именно поэтому сопротивление в сетях переменного тока называют активным, а в сетях постоянного тока омическим.

Теперь, что касается реактивной мощностной составляющей. Во-первых, эта величина измеряется в вольт ампер реактивный (вар). Во-вторых, это своеобразная накопительная мощность, которая накапливается в проводниковых сетях, а потом отдается обратно в сеть. Кстати, эта величина может быть положительной или отрицательной.

Причинами появления реактивной составляющей могут быть приборы, которые выдают емкостную или индуктивную нагрузку. Рассчитывают этот показатель вот по этой формуле:

Nр=IxUx sinφ.

Если рассматривать полезность реактивной мощности, то она не расходуется на прямые нужды потребителя. К примеру, в электрических двигателях она не преобразуется из электрической в механическую.

И хотя полезной нагрузки эта мощность не несет, без нее не может быть осуществлена полезная работа.

И все же производители стараются данный показатель уменьшить, потому что повышение активной составляющей приводит к снижению реактивной, отсюда и низкий КПД оборудования или сети.

Косинус фи

Как уже было сказано выше, значение косинуса фи в электротехнике – это величина, характеризующая степень линейности нагрузки. Для нее тоже существует формула:

cosφ = Nа / (√3*U*I).

Что касается величины «cosφ», то ее увеличение преследует несколько целей.

  • Основная цель – экономия потребления электрического тока.
  • Соответственно экономия цветных металлов, которые используются в обмотках электромотора.
  • Максимальное использование полезной мощности агрегата.

Хотелось бы отметить вот какой момент – производственные электрические сети всегда находятся в недогруженном состоянии. Почему? Все дело в том, что не все электродвигатели постоянно работают под нагрузкой. Любой асинхронный двигатель на холостом ходе имеет косинус фи, равный приблизительно значению 0,2. При нагрузке косинус фи увеличивается до 0,85.

Почему так происходит? Все опять упирается в активную и реактивную мощности. Первая при холостом ходе мотора приблизительно составляет 30%, вторая 15%. Как только нагрузка на электрический двигатель увеличивается, тут же поднимается активная составляющая, а реактивная снижается практически до нуля.

Поэтому основное требование увеличения «cosφ» – это работа предприятия с полной нагрузкой.

Мероприятия по увеличению косинуса фи

Чтобы увеличить косинус фи, можно воспользоваться двумя способами:

  • Естественным путем без установки компенсирующих приборов и устройств.
  • Искусственным путем с установкой компенсирующих агрегатов.

В первом случае необходимо использовать мероприятия, с помощью которых регулируются технологические процессы. Таким методом добивается оптимальный режим расходования потребляемой электроэнергии. Ко вторым, к примеру, можно отнести замену асинхронных электродвигателей синхронными, в которых реактивная мощность практически равна нулю. Она присутствует, но только на стадии запуска мотора.

Коэффициент мощности косинус фи — наглядное объяснение простыми словами

Увеличение косинуса фи

Многие из вас наверняка видели на электроинструментах, двигателях, а также люминесцентных лампах, лампах ДРЛ, ДНАТ и других, такие надписи как косинус фи — cos ϕ.

Однако люди далекие от электротехники и позабывшие школьные уроки физики, не совсем понимают, что же означает данный параметр и зачем он вообще нужен.
Давайте рассмотрим и объясним этот косинус, как можно более простыми словами, исключая всякие непонятные научные определения, типа электромагнитная индукция. В двух словах про него конечно не расскажешь, а вот в трех можно попробовать.

Когда ток отстает от напряжения

Предположим перед вами есть 2 проводника. Один из этих проводников имеет потенциал. Не суть важно какой именно — отрицательный (минус) или положительный (плюс).

У другого провода вообще нет никакого потенциала. Соответственно между этими двумя проводниками будет разность потенциалов, т.к. у одного он есть, а у другого его нет.

Эту разность потенциалов как раз таки и принято называть напряжением.

Если вы соедините кончики двух проводов не непосредственно между собой, а через лампочку накаливания, то через ее вольфрамовую нить начнет протекать ток. От одного провода к другому.

На первый взгляд может показаться, что лампочка загорается моментально. Однако это не так.

Ток проходя через нить накала, будет нарастать от своего нулевого значения до номинального, какое-то определенное время.

В какой-то момент он его достигает и держится на этом уровне постоянно. То же самое будет, если подключить не одну, а две, три лампочки и т.д.

А что случится, если вместе с лампой последовательно включить катушку, намотанную из множества витков проволоки?

Изменится ли как-то процесс нарастания тока? Конечно, да.

Данная катушка индуктивности, заметно затормозит время увеличения тока от нуля до максимума. Фактически получится, что максимальное напряжение (разность потенциалов) на лампе уже есть, а вот ток поспевать за ним не будет.

Его нарастание слишком медленное. Из-за чего это происходит и кто виноват? Виноваты витки катушки, которые оказывают влияние друг на друга и тормозят ток.

Если у вас напряжение постоянное, например как в аккумуляторах или в батарейках, ток относительно медленно, но все-таки успеет дорасти до своего номинального значения.

А далее, ток будет вместе с напряжением идти, что называется «нога в ногу».

А вот если взять напряжение из розетки, с переменной синусоидой, то здесь оно не постоянно и будет меняться. Сначала U какое-то время положительная величина, а потом — отрицательная, причем одинаковое по амплитуде. На рисунке это изображается в виде волны.

Эти постоянные колебания не дают нашему току, проходящему сквозь катушку, достигнуть своего установившегося значения и догнать таки напряжение. Только он будет подбираться к этой величине, а напряжение уже начинает падать.

Поэтому в этом случае и говорят, что ток отстает от напряжения.

Причем, чем больше в катушке намотано витков, тем большим будет это самое запаздывание.

Как же это все связано с косинусом фи — cos ϕ?

Что такое коэффициент мощности

А связано это таким образом, что данное отставание тока измеряется углом поворота. Полный цикл синусоиды или волны, который она проходит от нуля до нуля, вместив в себя максимальное и минимальное значение, измеряется в градусах. И один такой цикл равен 360 градусов.

А вот угол отставания тока от напряжения, как раз таки и обозначается греческой буквой фи. Значение косинуса этого угла опаздывания и есть тот самый cos ϕ.

Таким образом, чем больше ток отстает от напряжения, тем большим будет этот угол. Соответственно косинус фи будет уменьшаться.

По научному, ток сдвинутый от напряжения называется фазовым сдвигом. При этом почему-то многие уверены, что синусоида всегда идеальна. Хотя это далеко не так.

В качестве примера можно взять импульсные блоки питания.

Не идеальность синусоиды выражается коэфф. нелинейных искажений — КНИ. Если сложить две эти величины — cos ϕ и КНИ, то вы получите коэффициент мощности.

Однако, чтобы все не усложнять, чаще всего под понятием коэфф. мощности имеют в виду только лишь один косинус фи.

На практике, данный коэффициент мощности рассчитывают не при помощи угла сдвига фаз, а отношением активной мощности к полной.

Активная и реактивная мощность

Существует такое понятие как треугольник мощностей. Сам косинус — это тригонометрическая функция, которая и появилась при изучении свойств прямоугольных треугольников.

Она здорово помогает производить определенные вычисления с ними. Например, наглядно показывает отношение длин прилежащего катета (P-активная мощность) к гипотенузе (S-полная мощность).

То есть, зная угол сдвига, можно узнать, сколько активной мощности содержится в полной. Чем меньше этот угол, тем меньше реактивной составляющей находится в сети, и наоборот.

Только не путайте cos ϕ с КПД. Это разные понятия. Реактивная составляющая не расходуется, а «возвращается» на подстанцию в сеть, т.е. фактически потери ее нет.

Только небольшая ее часть может тратиться на нагрев проводов.

В КПД все более четко — полезная мощность используется на нагрев — охлаждение — механическую работу, остальное уходит безвозвратно. Эта разница и показывается в КПД.

Более подробно, с графиками, рисунками и простыми словами, без особых научных формулировок обо всем этом говорится в ролике ниже.

Низкий коэффициент мощности и его последствия

Рассмотренное запаздывание тока относительно напряжения — это не хорошее явление. Как оно может сказаться на ваших лампочках или проводке?

  • во-первых, это повышенное потребление электроэнергии

Часть энергии будет просто “болтаться” в катушке, при этом не принося никакой пользы. Правда не пугайтесь, ваш бытовой счетчик реактивную энергию не считает и платить вы за нее не будете.

Например, если вы включите в розетку инструмент или светильник с полной мощностью 100Ва, на блоке питания которого будет указано cos ϕ=0,5. То прибор учета накрутит вам только на половину от этой величины, то есть 50Вт.

Зато по проводам питания будет проходить вся нагрузка, разогревая их бесполезной работой.

  • величина тока в проводке увеличится

Вот известное наглядное видео, демонстрирующее последствия этого для проводки.

  • для эл.станций и трансформаторов оно вредно перегрузкой

Казалось бы, выбрось катушку и вся проблема исчезнет. Однако делать этого нельзя.

В большинстве светильников, лампы работают не отдельно, а в паре с источниками питания. И в этих самых источниках, как раз таки присутствуют разнообразные катушки.

Катушки просто необходимы как функциональная часть всей схемы и избавиться от них не получится. Например в тех же дроссельных лампах ДРЛ, ДНАТ, люминесцентных и т.п.

Поэтому характеристика коэфф. мощности, здесь больше относится к блоку питания, нежели к самой лампе. Данный cos ϕ может принимать значение от ноля до единицы.

Ноль означает, что полезная работа не совершается. Единица – вся энергия идет на совершение полезной работы.

Чем выше коэффициент мощности, тем ниже потери электроэнергии. Вот таблица косинуса фи для различных потребителей:

Как измерить коэффициент мощности

Если вы не знаете точный коэфф. мощности своего прибора, или его нет на бирке, можно ли измерить косинус фи в домашних условиях, не прибегая к различным формулам и вычислениям? Конечно можно.

Для этого достаточно приобрести широко распространенный инструмент – цифровой ваттметр в розетку.

Подключая любое оборудование через него, можно легко без замеров и сложных вычислений, узнать фактический cos ϕ.

Зачастую, фактические данные могут быть даже точнее, чем написанные на шильдике, которые рассчитаны для идеальных условий.

Если он слишком низкий, что делать, чтобы привести его значение как можно ближе к единице? Можно это дело определенным образом компенсировать. Например, с помощью конденсаторов.

Однако это тема совсем другой статьи.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.