Cosinul lui phi în ingineria electrică este ... Factorul de putere

Factorul de putere sau cosinusul în ingineria electrică este raportul puterii active P (W) la S (VA) total: cos (phi-) = P / S. Indică modul în care acest dispozitiv utilizează în mod eficient energie electrică.

Sarcina ideală

Pentru a explica valoarea fizică a factorului de putere, luați în considerare un exemplu de calcul al cosinusului unui fi pentru diferiți consumatori. Să presupunem că un condensator ideal este conectat la linia AC. Deoarece tensiunea alternativă își schimbă continuu polaritatea, condensatorul va fi jumătate încărcat și jumătate va readuce energia stocată înapoi la sursă. Ca urmare, electronii vor circula în mod constant pe linie, dar nu va exista transfer de energie netă. Deci, va exista tensiune și curent în conductor, dar nu va fi nici o putere activă. Produsul U pe I se numește putere imaginară, deoarece este pur și simplu un număr matematic care nu are un sens fizic real. În acest exemplu, factorul de putere este 0.

În mod similar, calculul pentru cosinusul phi singur ideală inductor duce la cos (phi-) = 0, cu excepția faptului că curentul său va rămâne în tensiune.

Acum, luați în considerare cazul extrem de opus al unei sarcini rezistive. În acest caz, toată energia electrică furnizată este consumată și transformată în alte tipuri de energie, cum ar fi căldura. Acesta este un exemplu în care cosinusul phi al unui electrician este 1. Toate circuitele reale funcționează undeva între cele două extreme.

Vector matematica

În analiza lanțurilor, un semnal sinusoidal poate fi reprezentat de un număr complex (numit vector) al cărui modul este proporțional cu magnitudinea semnalului, iar unghiul este egal cu faza sa în raport cu unele referințe. În schemele liniare, factorul de putere este cosinus cos. În ingineria electrică, acesta este unghiul dintre fazele de tensiune și curent. Acești vectori și componentele lor active active și reactive pot fi reprezentate sub forma unui triunghi dreptunghiular. Desigur, tensiunea este un câmp electric, iar curentul este fluxul de electroni, așa că așa-numitul unghi între vectorii lor nu este nimic mai mult decât o valoare matematică. Am convenit ca sarcina inductivă să creeze un rezultat pozitiv putere reactivă Q (măsurat în volt-amperi-reactivi, VAp). Acest lucru se datorează așa-numitului coeficient de "întârziere", deoarece curentul este înclinat la tensiune. În mod similar, sarcina capacitivă creează un Q negativ și un "lider" lambda-.

Deformarea neliniară

Inductorii și condensatorii nu sunt singurele motive pentru cosinusul scăzut al phi. În ingineria electrică, acest lucru este obișnuit atunci când (cu excepția celor ideale R, L și C) circuitele electrice sunt neliniare, mai ales datorită prezenței unor componente active, cum ar fi redresoarele. În astfel de circuite, curentul I (t) nu este proporțional cu tensiunea V (t), chiar dacă acesta din urmă este sinusoid pur, deoarece I (t) va fi periodic, dar nu sinusoidal. Conform teoremei lui Fourier, orice funcție periodică este o sumă a undelor sinusoidale ale căror frecvențe sunt multipli de original. Aceste valuri sunt numite armonici. Se poate demonstra că acestea nu contribuie la transmiterea energiei curate, ci măresc curentul și reduc coeficientul lambda-. Când tensiunea este sinusoidală, numai prima armonică I₁ va furniza o putere reală. Cu toate acestea, magnitudinea acestuia depinde de schimbarea de fază dintre curent și tensiune. Aceste fapte sunt reflectate în formula generală de calcul al factorului de putere: lambda- = (I.₁/ I) x cos (phi-). Primul termen din această ecuație este denaturarea, iar al doilea termen este părtinire.

Compensare activă și pasivă

Corectarea cosinusului phi în ingineria electrică este orice tehnică de creștere a factorului de putere la 1. În general cos (phi-) poate varia de la 0 la 1. Cu cât este mai mare factorul de putere, cu atât este mai eficientă energia electrică. Cauzele imperfecțiunii sunt distorsiuni și o schimbare de fază între armonicile de tensiune și curent de aceeași frecvență. Prin urmare, există două categorii principale de metode de corecție a factorului de putere.

distorsiuni armonice cauzate de componente neliniare, cum ar fi un redresor punte la sursa de curent continuu, care este conectat direct la un condensator de stocare mare. Ele pot fi ajustate la etapa de proiectare a sursei de alimentare prin introducerea diferitelor circuite pasive sau active de compensare. Principala sursă de defazare de U-I sunt motoare asincrone industriale, care, în ceea ce privește circuitele au o sarcină inductivă. Cos phi a motorului (mers în gol, care scade la 0,1) poate fi crescută prin adăugarea de condensatori compensatoare externe. Astfel, acestea trebuie să fie instalate cât mai aproape de sarcină, pentru a evita circulația puterii reactive în locațiile lor.

Compensarea puterii reactive active utilizează circuite electronice active cu feedback, care netezesc forma curbei actuale rectificate.

Dispozitivele neliniare generează oscilații armonice cu frecvența ƒ = 1 / (2pi-radic-LC). Dacă coincide cu una dintre armonici, atunci se va intensifica, ceea ce poate duce la diverse consecințe, inclusiv catastrofale. Pentru a evita acest lucru, un inductor mic este conectat în serie cu condensatorul compensator, care formează așa-numitul. filtru armonic de manevră.

Pentru ce creșteți raportul putere?

Există mai multe motive pentru ajustarea cosului de fi pentru diferiți consumatori. Se știe că atunci când lambda- < 1, curenții alternativi care circulă pe linie, care nu transmit puterea activă, dar care determină disiparea căldurii în cablare, creează sarcini suplimentare asupra generatoarelor și necesită un echipament de generare a energiei electrice de dimensiuni mai mari. De aceea, companiile din domeniul energiei electrice pot percepe taxe suplimentare mari clienților mari. lambda- < 0,95, facturat pentru capacitate maximă sau amendat pentru depășirea reactivului. Astfel, pentru o instalație industrială, compensarea componentei imaginare poate fi benefică.

corecție lambda - în casă

În ceea ce privește electronica, există reguli care limitează armonicile aduse de către aparatele de uz casnic (PC-uri, televizoare etc.) la rețea. În ciuda absenței standardelor internaționale, care reglează direct factorul de putere, corecția sa reduce automat distorsiunea armonică. Astfel, pentru dezvoltatorii de surse de alimentare, principalul motiv pentru creșterea cosinusului unui transformator este de a satisface o cerință specifică pentru conținutul armonicelor, chiar dacă nu poate oferi niciun avantaj direct producătorului sau utilizatorului.

În viața de zi cu zi este scăzută lambda - reduce debitul de conductoare și întrerupătoare de circuit. În plus, spre deosebire de concepția greșită larg răspândită a persoanelor care nu cunosc elementele de bază ale ingineriei electrice, proprietarii de case și consumatorii nu beneficiază de corectarea factorului de putere.

Imaginar beneficii

Un număr de "dispozitive" sunt oferite prin intermediul internetului, vânzătorii cărora pretind că vor reduce facturile la energie electrică prin ajustarea factorului de putere în rețeaua electrică de origine. Acestea sunt publicate sub diferite nume. În acest sens, consumatorii se întreabă adesea dacă va fi redusă compensarea puterii reactive pentru facturile de energie electrică? Într-adevăr, corectarea lambda - reduce consumul curentului total și, prin urmare, reduce Q. Cu toate acestea, în prezent în casele rezidențiale, energia reactivă nu este încărcată. Cunoscând elementele de bază ale ingineriei electrice evită soarta victimelor unei astfel de înșelări.

Trebuie să compensez pentru Q?

Consumatorii plătesc numai pentru energia activă, adică pentru kilowați-oră și acesta este singurul lucru pe care contoarele de rotație vechi pot să le măsoare. Din punct de vedere tehnic, o scădere a componentei reactive va reduce ușor pierderea de cabluri între contorul de utilități și punctul de conectare al compensatorului puterii imaginare, dar acest efect este neglijabil. În ansamblu, îmbunătățirea coeficientului lambda - și o scădere a curentului imaginar practic nu afectează citirea contorului. Teoretic, situația se va schimba dacă tarifele interne includ o taxă pentru kilovolt-ampere-ore, măsurată prin contoare moderne, dar acest lucru este puțin probabil. Desigur, este avantajos pentru companiile electrice să reducă Q, dar mai întâi trebuie să determinați indicatorii încărcăturii la domiciliu, pentru a nu face mai mult rău decât bine.

Aveți nevoie de îmbinări de dilatare integrate?

Din aceleași motive, nu are sens să cumpărați o tehnică cu o corecție a factorului de putere încorporată. De fapt, un sistem de compensare activă mărește chiar și costurile datorită adăugării treptei de conversie. Astfel, cu alte lucruri egale, consumul de energie electrică poate crește. Cu toate acestea, corectarea factorului de putere în electronică oferă anumite avantaje tehnice. În special, aceasta crește numărul de wați care pot fi extrași din priză. Un alt avantaj este că dispozitivele pot funcționa la orice tensiune (115 sau 230 V). Dar merită taxa suplimentară?