Что такое коэффициент мощности

Коэффициент мощности и его значение

Источник генерирует полную мощность . которая транспортируется вдоль линии электропередач (ЛЭП) к приемнику. В ЛЭП часть мощности теряется в виде потерь в линии . На вход приемника поступает полная мощность . Вдоль линии имеет место падение напряжения и потеря напряжения .

В общем случае у потребителей преобладает активно-индуктивный характер нагрузки (электродвигатели переменного тока, трансформаторы и т.д.). Для нормальной работы предприятия требуется мощность, равная . где . . На входе предприятий или отдельных потребителей, необходимо устанавливать батарею конденсаторов. В этом случае коэффициент мощности на входе приемника увеличивается и можно добиться . Тогда приемника существенно уменьшиться и полная мощность будет соответственно равна . При неизменном напряжении в конце линии ток в линии уменьшится, что позволяет выбирать проводник линии меньшего сечения. В идеальном случае, при . вдоль линии электропередач будет передаваться только активная мощность, а следовательно, вдоль ЛЭП можно пропустить большую активную мощность.

Рассмотрим влияние коэффициента мощности на конкретном примере.

Пример 3.6. Два электродвигателя установки переменного тока Д1 и Д2 подключены параллельно к сети с напряжением U2. Вся установка работает с низким коэффициентом мощности cosφ. Измерительные приборы в цепи каждого электродвигателя показывают токи I1. I2 и мощности Р1. Р2 .

ЛЭП, снабжающая установку электроэнергией, имеет активное сопротивление R0 и индуктивное X0. Коэффициент мощности установки может быть повышен включению параллельно двигателю батареи конденсаторов.

а) Рассчитать заданную электрическую цепь и определить (до подключ. конденс.):

2) напряжение в начале линии

3) потерю или падение напряжения в линии

4) активную и реактивную мощности и потери мощности в проводах

5) коэффициент мощности установки

Пример 3.7. Двигатель мощность кВт работает при напряжении В и частоте Гц с . Определить емкость конденсатора, который нужно подключить параллельно двигателю, чтобы установки повысить до значения 0,9.

На рисунке 3.1 приведена схема замещения двигателя.

Рисунок 3._ – Схема замещения двигателя

1. Ток двигателя при коэффициенте мощности равен:

2. Реактивная составляющая тока двигателя

3. Если параллельно двигателю включен конденсатор при коэффициенте мощности . то ток в линии равен

4. Реактивная составляющая тока двигателя при включенном конденсаторе

5. Реактивная составляющая тока при включенном конденсаторе соответственно равна

6. Сопротивление конденсатора и его емкость соответственно равны:

Таким образом, параллельно двигателю должен быть включен конденсатор емкостью 460 мкФ.

5.189.137.82 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

*****

Подробности Категория: Электротехника Опубликовано: 24 мая 2016 Просмотров: 6667

Что такое коэффициент мощностиКоэффициент мощности – это скалярная физическая величина, показывающая насколько рационально потребителями расходуется электрическая энергия. Другими словами, коэффициент мощности описывает электроприемники с точки зрения присутствия в потребляемом токе реактивной составляющей.

Физическая сущность и основные методы определения

Математически cos φ определяется как отношение активной мощности к полной или равен отношению косинуса этих величин (отсюда и название параметра).

Величина коэффициента мощности может изменяться в интервале 0 - 1 (либо в диапазоне 0 - 100%). Чем ближе его величина к 1, тем лучше, поскольку при величине cos φ = 1 – потребителем реактивная мощность не потребляется (равняется 0), следовательно, меньше потребляемая полная мощность в общем. Низкий cos φ указывает на то, что на внутреннем сопротивлении потребителя выделяется повышенная реактивная мощность. Когда токи / напряжения являются идеальными сигналами синусоидальной формы, то коэффициент мощности составляет 1.

В энергетике для коэффициента мощности используются следующие обозначения cos φ либо λ. В случае если для определения коэффициента мощности используется λ, его значение выражают в %.

Геометрически коэффициент мощности можно изобразить, как косинус угла на векторной диаграмме между током, напряжением между током, напряжением. В связи с чем при синусоидальной форме токов и напряжений величина cos φ совпадает с косинусом угла, от которого отстают эти фазы.

Что такое коэффициент мощности

Повышение коэффициента мощности

Значение коэффициента мощности рассчитывают при проектировании сетей. Поскольку низкое его значение является следствием увеличения величины общих потерь электроэнергии. Для его увеличения в сетях используют различные способы коррекции, повышая его значение до 1.

Повышение cos φ преследует 3 основные задачи:

1) снижение потерь электроэнергии;

2) рациональное использование цветных металлов на создание электропроводящей аппаратуры;

3) оптимальное использование установленной мощности трансформаторов. генератор и прочих машин переменного тока.

Технически коррекция реализуется в виде введения различных дополнительных схем на вход устройств. Эта техника требуется для равномерного использования мощности фазы, устранения перегрузок нулевого провода 3-х-фазной сети, и является обязательной для импульсных источников питания, установленной мощностью 100 Вт и более. Помимо этого, компенсация позволяет обеспечить отсутствие всплесков потребляемого тока на пике синусоиды, равномерную нагрузку на питающую линию.

Что такое коэффициент мощности

Основные способы коррекции

1. Коррекция реактивной составляющей мощности производится путём включения реактивного элемента, имеющего противоположное действие. К примеру, для компенсации работы асинхронной машины, обладающей высокой индуктивной реактивной составляющей мощности, в параллель включается конденсатор.

2. Корректировка нелинейности электропотребления. При потреблении тока нагрузкой непропорционально основной гармонике напряжения, для повышения коэффициента мощности в схему вводят пассивный (активный) корректор коэффициента мощности. Наиболее простым примером пассивного корректора cos φ является дроссель с высокой индуктивностью, подключаемый последовательно с нагрузкой. Дроссель производит сглаживание импульсного потребления нагрузки и создание низшей, основной гармоники тока.

3. Корректировка естественным способом, не предусматривающая установку дополнительных устройств, предполагает упорядочение технологического процесса, рациональное распределение нагрузок, ведущее к улучшению режима потребления электроэнергии оборудованием, повышению коэффициента мощности.

Рекомендуйте эту статью другим!

*****

В общем случае активная мощность меньше полной мощности, т. е. у этой дроби числитель меньше знаменателя, и поэтому коэффициент мощности меньше единицы.

Только в случае чисто активной нагрузки, когда вся мощность является активной, числитель и знаменатель этой дроби равны между собой, и поэтому коэффициент мощности равен единице.

Чем большую часть полной мощности составляет активная мощность, тем меньше числитель отличается от знаменателя дроби и тем ближе коэффициент мощности к единице.

Величину cos φ можно косвенно определить по показаниям ваттметра, вольтметра и амперметра:

Коэффициент мощности можно также измерить особым прибором - фазометром.

Пример 14. Амперметр показывает ток 10 а, вольтметр - 120 в, ваттметр - 1 квт. Определить cos φ потребителя:

S = IU = 10 ⋅ 120 = 1200 ва,

Пример 15. Определить активную мощность, отдаваемую генератором однофазного переменного тока в сеть, если вольтметр на щите генератора показывает 220 в, амперметр - 20 а и фазометр - 0,8:

Р = IU cos φ = 20 ⋅ 220 ⋅ 0,8 = 3520 вт = 3,52 квт.

S = IU = 20 ⋅ 220 = 4400 ва = 4,4 ква.

Пример 16. Вольтметр, установленный на щитке электродвигателя, показывает 120 в, амперметр - 450 а, ваттметр - 50 квт. Определить z, r, xL. S, cos φ, Q:

Так как Р = I 2 ⋅ r, то

r = Р /I 2 = 50000 /450 2 = 0/247 ом;

xL = √(z 2 - r 2 ) = √(0,267 2 - 0,247 2 ) = √0,01 = 0,1 ом;

S = IU = 450 ⋅ 120 = 54000 ва = 54 ква;

Q = √(S 2 - Р 2 ) = √(54000 2 - 50000 2 ) = √416000000 = 20396 вар = 20,396 квар.

Из построения треугольников сопротивлений, напряжений и мощностей для определенной цепи видно, что эти треугольники подобны один другому, так как их стороны пропорциональны. Из каждого треугольника можно найти "косинус фи" цепи, как показано на рис. 168. Этим можно воспользоваться для решения самых разнообразных задач.

Что такое коэффициент мощности
Рис. 168. Определение коэффициента мощности из треугольников сопротивлений (а), напряжений (б) и мощностей (в)

Пример 17. Определить z, xL. U, Uа. UL. S, Р, Q, если I = 6 а, r = 3 ом, cos φ = 0,8 и ток отстает по фазе от напряжения.

Из треугольника сопротивлений известно, что

Q = √(S 2 - P 2 ) = √(135 2 - 108 2 ) = √6561 = 81 вар,

Q = I 2 xL = 6 2 ⋅ 2,24 = 81 вар.

Основными потребителями электрической энергии являются электрические двигатели, машины и электронагревательные устройства. Все они потребляют активную мощность, которую преобразуют в механическую работу и тепло. Электрические двигатели потребляют также реактивную мощность. Последняя, как известно, совершает колебательное движение от источника к двигателю и обратно.

У ламп и электрических печей сопротивления S = Р и cos φ = 1. У электрических двигателей S = √(P 2 + Q 2 ) и cos φ меньше 1.

При неизменной передаваемой активной мощности Р величина нагрузочного тока обратно пропорциональна значению cos φ:

Это означает, что при тех же значениях активной мощности Р и напряжения U нагрузочный ток электрических двигателей больше, чем у электрических ламп. Если, например, коэффициент мощности электрического двигателя равен 0,5, то он потребляет в 2 раза больший ток, чем электрическая печь сопротивления той же мощности Р.

Потери мощности на нагрев проводов линии пропорциональны квадрату тока (ΔР = I 2 r).

Таким образом, при cos φ = 0,5 потери мощности в линии, по которой энергия передается потребителям, больше в 4 раза, чем при cos φ = 1. Кроме того, генераторы и трансформаторы будут загружены током в 2 раза больше и в этом случае требуется примерно в 2 раза большее сечение проводов для обмоток.

Отсюда видно, какое важное значение имеет величина cos φ в электроэнергетических установках. Для повышения коэффициента мощности промышленных установок, на которых преобладающая часть потребителей - электрические двигатели, параллельно им включают конденсаторы, т. е. добиваются резонанса токов, при котором cos φ близок к 1.

© Сенченко Антонина Николаевна, Злыгостев Алексей Сергеевич, 2010-2017
При копировании обязательна установка активной ссылки:
http://rateli.ru/ 'rateli.ru: Радиотехника'

*****

Что такое коэффициент мощности (косинус фи)

Что такое коэффициент мощностиФизическая сущность коэффициента мощности (косинуса "фи") заключается в следующем. Как известно, в цепи переменного тока в общем случае имеются три вида нагрузки или три вида мощности (три вида тока, три вида сопротивлений). Активная Р, реактивная Q и полная S мощности соответственно ассоциируются с активным к, реактивным х и полным z сопротивлениями.

Из курса электротехники известно, что активным называется сопротивление, в котором при прохождении тока выделяется тепло. С активным сопротивлением связаны потери активной мощности Δ P п. равные квадрату тока, умноженному на сопротивление Δ P п = I 2 r Вт.

Реактивное сопротивление при прохождении по нему тока потерь не вызывает. Обусловливается это сопротивление индуктивностью L, а также емкостью С.

Что такое коэффициент мощности

Индуктивное и емкостное сопротивления являются двумя видами реактивного сопротивления и выражаются следующими формулами:

реактивное сопротивление индуктивности, или индуктивное сопротивление, xL = ω L = 2 πfL.

реактивное сопротивление емкости, или емкостное сопротивление, х c = 1/ (ωC) = 1/( 2 πfC).

Тогда х = хL - х c. Например, если в цепи хL = 12 Ом, хс = 7 Ом, то реактивное сопротивление цепи x = х L - хс = 12 - 7 = 5 Ом.

Что такое коэффициент мощности

Рис. 1. Иллюстрации к объяснению сущности косинуса "фи": а - схема последовательного включения r и L в цепи переменного тока, б - треугольник сопротивлений, в - треугольник мощностей, г — треугольник мощностей при различных значениях активной мощности.

Полное сопротивление z включает в себя активное и реактивное сопротивления. Для цепи последовательного соединения г и L (рис. 1. а) z = √(r 2 + х 2 ) графически изображается треугольником сопротивления.

Если стороны этого треугольника умножить на квадрат одного и того же тока, то соотношение сторон не изменится, но новый треугольник будет представлять собой треугольник мощностей (рис. 1,в).

Как видно из треугольника, в цепи переменного тока в общем случае возникают три мощности: активная Р, реактивная Q и полная S

P = I 2 r = UIcos φ Вт, Q = I 2 х = I 2 х L - I2xc = UIsin φ Вар, S = I 2 z = UI Ва.

Активная мощность может быть названа рабочей, т. е. она "греет" (выделение тепла), "светит" (электрическое освещение), "двигает" (электродвигатели приводят в движение механизмы) и т. д. Измеряется она так же, как и мощность на постоянном токе, в ваттах.

Выработанная активная мощност ь полностью без остатка расходуется в приемниках и подводящих проводах со скоростью света - практически мгновенно. Это является одной из характерных особенностей активной мощности: сколько вырабатывается, столько и расходуется.

Реактивная мощность Q не расходуется и представляет собой колебание электромагнитной энергии в электрической цепи. Переливание энергии из источника к приемнику и обратно связано с протеканием тока по проводам, а так как провода обладают активным сопротивлением, то в них имеются потери.

Таким образом, при реактивной мощности работа не совершается, но возникают потери, которые при одной и той же активной мощности тем больше, чем меньше коэффициент мощности (cos φ, косинус "фи").

Пример. Определить потери мощности в линии с сопротивлением r л = 1 ом, если по ней передается мощность Р = 10 кВт на напряжение 400 В один раз при cos φ1 = 0,5, а второй раз при cos φ 2 =0,9.

Решение. Ток в первом случае I1 = P/(Ucos φ1 ) = 10/(0 ,4 • 0,5) = 50 А.

Потери мощности ΔP1 = I1 2 r л = 50 2 •1 = 2500 Вт = 2,5 кВт.

Во втором случае ток I1 = P/(Ucos φ 2 ) = 10/(0 ,4 • 0,9) = 28 А

Потери мощности ΔP2 = I 2 2 r л = 28 2 •1 = 784 Вт = 0,784 кВт, т.е. во втором случае потери мощности в 2,5/0,784 = 3,2 раза меньше только потому, что выше значение cos φ.

Расчет наглядно показывает, что чем выше величина косинус "фи", тем меньше потери энергии и тем меньше нужно закладывать цветного металла при монтаже новых установок.

Что такое коэффициент мощности

Повышая косинус "фи", преследуем три основные цели:

1) экономию электрической энергии,

2) экономию цветных металлов,

3) максимальное использование установленной мощности генераторов, трансформаторов и вообще электродвигателей переменного тока.

Последнее обстоятельство подтверждается тем, что, например, от одного и того же трансформатора можно получить тем больше активной мощности, чем больше величина со s φ потребителей. Так, от трансформатора с номинальной мощностью Sн =1000 кВа при со s φ 1 = 0,7 можно получить активной мощности Р 1 = S н cos φ1 = 1000•0,7=700 кВт, а при cos φ 2 = 0,95 Р2 = S нcos φ 2 = 1000•0,95 = 950 кВт.

В обоих случаях трансформатор будет нагружен полностью до 1000 кВа. Причиной низкого коэффициента мощности на предприятиях являются недогруженные асинхронные двигатели и трансформаторы. Например, асинхронный двигатель при холостом ходе имеет cos φхх примерно равный 0,2, тогда как при загрузке до номинальной мощности со s φ н = 0,85.

Для наглядности рассмотрим приближенный треугольник мощности для асинхронного двигателя (рис. 1,г). При холостом ходе асинхронный двигатель потребляет реактивную мощность, примерно равную 30% номинальной мощности, тогда как потребляемая активная мощность при этом составляет около 15%. Коэффициент мощности поэтому очень низок. С возрастанием нагрузки активная мощность увеличивается, а реактивная меняется незначительно и поэтому cosφ возрастает. Подробнее об этом читайте здесь: Коэффициент мощности электропривода

Основным мероприятием, повышающим значение cosφ, является работа на полную производственную мощность. В этом случае асинхронные двигатели будут работать с коэффициентами мощности, близкими к номинальным величинам.

Мероприятия по повышению коэффициента мощности делятся на две основные группы:

1) не требующие установки компенсирующих устройств и целесообразные во всех случаях (естественные способы);

2) связанные с применением компенсирующих устройств (искусственные способы).

Что такое коэффициент мощности

Конденсаторная установка для повышения коэффициента мощности

К мероприятиям первой группы согласно действующим руководящим указаниям относится упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования и повышению коэффициента мощности. К этим же мероприятиям относится применение синхронных двигателей вместо некоторых асинхронных (установка синхронных двигателей рекомендуется вместо асинхронных всюду, где требуется повышать соsφ).

Статьи и схемы

Полезное для электрика

*****

Что такое коэффициент мощности?

Коэффициент мощности — величина, равная отношению активной мощности P. потребляемой нагрузкой, к ее полной мощности S .

Полная мощность — это произведение действующих значений напряжения и тока:

S=U×I. измеряется в вольт-амперах (ВА).

Активная мощность измеряется в ваттах (Вт) и вычисляется по формуле:

P=U×I×λ. где λ — это коэффициент мощности.

Рассмотрим подробнее, что это такое.

Ранее, когда в основном встречались устройства с нагрузкой линейного типа (т.е. при синусоидальном напряжении нагрузка потребляла синусоидальный же ток), более распространено было понятие cosφ («косинус фи»), учитывающее разность фаз между напряжением и током (см. рис. 1).

Рис. 1. Разность фаз между напряжением и током.

Эта величина при условии линейности нагрузки определялась по той же формуле

cosφ=P/S. или из вида осциллограммы.

Однако если форма тока сильно отличается от синусоиды, такого параметра как cosφ для оценки качества потребляемой электроэнергии не достаточно, т.к. необходимо учитывать гармонический состав потребляемого тока (см. рис. 2).

Рис. 2. Кривая тока современного электронного прибора

Поэтому сейчас энергетики оперируют понятием коэффициент мощности.

Обозначается чаще всего λ («лямбда» ), PF (Power Factor ) или по старинке cosφ:

THD — Total Harmonic Distortion или КНИ (коэффициент нелинейных искажений) — коэффициент, определяемый отношением действующего значения первой гармоники тока к корню из суммы квадратов высших гармоник.

Математический смысл коэффициента мощности — это отношение интеграла произведения мгновенных значений напряжения и тока к произведению корней интегралов квадратов мгновенных значений тока и напряжения:

Физический смысл в том, что активная мощность (т.е. та, которую показывает ваттметр) не совпадает с полной мощностью, т.е. с произведением показаний вольтметра и амперметра, при отличии формы тока от формы напряжения или при несоответствии их фаз.

На рис. 3 хорошо видно, откуда вообще берется этот коэффициент: мгновенная мощность определяется как произведение мгновенного значения тока на мгновенное значение напряжения.

Рис. 3. Откуда берется коэффициент мощности

Т.е. какую-то часть периода (период Т=0,02 секунды при частоте 50 Гц) ток и напряжение совпадают по «знаку» (выделено синим вдоль оси) и их произведение дает положительную величину, а в остальное время (красным) напряжение, к примеру, больше нуля, а ток — меньше, соответственно их произведение меньше нуля. Активная мощность усредняется по периоду (интегрируется), т.е. в первом приближении алгебраически складываются все значения мощности за период и делятся на величину периода, т.е. будут слагаемые со знаком «+» и со знаком «–», поэтому в итоге сумма получится меньше, чем если бы ток и напряжение совпадали по фазе (см. рис. 4).

Рис. 4. Пример, когда ток и напряжение имеют одинаковую форму и совпадают
по фазе - коэффициент мощности равен 1 (или 100%)

В случае с несинусоидальными токами при синусоидальном напряжении все немного сложнее, но смысл тот же — интеграл произведения тока на напряжение за период всегда меньше произведения действующих значений тока и напряжения. Суть в том, что высшие гармоники (т.е. составляющие тока, частота которых кратна основной частоте тока и напряжения) не создают активной мощности (по причине несовпадения частот с напряжением), но нечетные гармоники (3-я — частота 150 Гц, 5-я — частота 250 Гц, 7-я, 9-я и т.д.) создают полную мощность.

Для полноты информации наглядно поясним, что такое высшие гармоники:

1. Так будет выглядеть осциллограмма тока через обычный резистор 2200 Ом при работе в наших сетях (220 В, 50 Гц):

2. Так будет выглядеть ток с частой 150 Гц (т.е. 3×50 Гц — третья гармоника основной частоты) — синяя кривая. Красным цветом — основная частота или первая гармоника:

3. А так будет выглядеть ток, равный сумме 1-й гармоники и 3-й:

4. А если в составе тока будет много высших гармоник:

Примерно такая ситуация наблюдается в компактных люминесцентных и светодиодных лампах ввиду использования в схемах ЭПРА нелинейных элементов (транзисторы, диоды и т.д.). Это означает, что при тех же значениях активной мощности Р и напряжения U, нагрузочный ток энергосберегающих источников освещения больше, чем у ламп накаливания или галогенных.

Если, например, коэффициент мощности светодиодной лампы равен 0,5, то она потребляет в 2 раза больший ток, чем лампа накаливания той же мощности Р.

Потери мощности на нагрев проводов сети пропорциональны квадрату тока:

Таким образом, при соsφ =0,5 потери мощности в сети больше в 4 раза, чем при соsφ =1. Кроме того, генераторы и трансформаторы будут загружены током в 2 раза больше, и в этом случае требуется примерно в 2 раза большее сечение проводов для обмоток.

Отсюда видно, какое важное значение имеет величина соsφ :

– в электробытовых сетях: квартиры, дачи, частные дома;

– в промышленности: производство с жесткими лимитами электроэнергии;

– в бизнесе: офисы, торговые комплекты, склады;

– а также всюду, где стоит задача минимизировать затраты на электроэнергию.

Почему в нормативных документах требуется повышать коэффициент мощности?

Потому что низкий коэффициент мощности свидетельствует о том, что при низкой потребляемой (и оплачиваемой по времени) активной мощности, ваша нагрузка потребляет бесплатную полную мощность, т.е. фактически вы «гоняете по сетям бесплатный ток», а сетям все равно бесплатный ток или платный — провода греются и даже перегорают, перегружаются трансформаторы и прочее.

Например, известен случай: в одной Подмосковной теплице установили около тысячи КЛЛ на одну сеть — итог: выгорел нулевой провод (по нему при нормальных условиях и линейной нагрузке ток течь не должен вообще).

Поэтому, кстати, стандарты МЭК (стандарт международной электротехнической комиссии) и ГОСТ, соответственно, особенно требовательны к лампам высокой мощности (более 25 Вт).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *