Коэффициент мощности

В электротехнике, коэффициент мощности для переменного тока система электроснабжения определяется как отношение активной мощности, потребляемой нагрузкой, к полной мощности, протекающей в цепи, и представляет собой безразмерное число в закрытом интервале от -1 до 1. Коэффициент мощности меньше единицы указывает на то, что напряжение и ток не совпадают по фазе, уменьшая среднее значение продукт из двух. Реальная мощность - это мгновенное произведение напряжения и тока и представляет собой способность электричества выполнять работу. Кажущаяся мощность - это произведение среднеквадратичного значения тока и напряжения. Из-за энергии, накопленной в нагрузке и возвращаемой источнику, или из-за нелинейной нагрузки, которая искажает форму волны тока, потребляемого от источника, кажущаяся мощность может быть больше реальной мощности. Отрицательный коэффициент мощности возникает, когда устройство (которое обычно является нагрузкой) вырабатывает мощность, которая затем течет обратно к источнику.

В системе электроснабжения нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности, при том же количестве передаваемой полезной мощности. Более высокие токи увеличивают потери энергии в системе распределения и требуют более крупных проводов и другого оборудования. Из-за затрат на более крупное оборудование и потерянную энергию электрические компании обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей, где коэффициент мощности низкий.

Коррекция коэффициента мощности увеличивает коэффициент мощности нагрузки, повышая эффективность системы распределения, к которой она подключена. Линейные нагрузки с низким коэффициентом мощности (такие как асинхронные двигатели ) можно скорректировать с помощью пассивной сети из конденсаторов или катушек индуктивности. Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, искажают ток, потребляемый системой. В таких случаях может использоваться активная или пассивная коррекция коэффициента мощности для противодействия искажениям и повышения коэффициента мощности. Устройства для коррекции коэффициента мощности могут быть на центральной подстанции, распределены по распределительной системе или встроены в энергопотребляющее оборудование.

• 1 Линейные цепи
  • 1.1 Определение и расчет
    • 1.1.1 Треугольник мощности
    • 1.1.2 Увеличение коэффициента мощности
    • 1.1.3 Уменьшение коэффициента мощности
    • 1.1. 4 Отстающие и опережающие коэффициенты мощности
  • 1.2 Коррекция коэффициента мощности линейных нагрузок
• 2 Нелинейные нагрузки
  • 2.1 Несинусоидальные компоненты
  • 2.2 Коэффициент мощности искажения
  • 2.3 Искажения в трехфазных сетях
  • 2.4 Импульсные источники питания
  • 2.5 Коррекция коэффициента мощности (PFC) при нелинейных нагрузках
    • 2.5.1 Пассивный PFC
    • 2.5.2 Активный PFC
    • 2.5.3 Динамический PFC
• 3 Важность в системах распределения
• 4 Методы измерения
• 5 Мнемоника
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Поток мощности, рассчитанный на основе переменного напряжения и тока, поступающих в нагрузку с нулевой мощностью коэффициент (ϕ = 90 °, cos (ϕ) = 0). Синяя линия показывает мгновенную мощность, поступающую в нагрузку: вся энергия, полученная в течение первой (или третьей) четверти цикла, возвращается в сеть во время второй (или четвертой) четверти цикла, в результате чего получается средний поток мощности (голубая линия) нуля. Мгновенная и средняя мощность, рассчитанная на основе переменного напряжения и тока для нагрузки с отстающим коэффициентом мощности (ϕ = 45 °, cos (ϕ) ≈ 0,71). Синяя линия (мгновенная мощность) показывает, что часть энергии, полученной нагрузкой, возвращается в сеть в течение части цикла, обозначенной ϕ.

Линейные цепи имеют синусоидальный отклик на синусоидальное линейное напряжение. Линейная нагрузка не изменяет форму входного сигнала, но может изменять относительную синхронизацию (фазу) между напряжением и током из-за своей индуктивности или емкости.

В чисто резистивной цепи переменного тока формы сигналов напряжения и тока являются ступенчатыми (или в фазе ), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле. Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется (или рассеивается).

Если присутствуют реактивные нагрузки, например, с конденсаторами или индукторами, накопление энергии в нагрузках приводит к разности фаз между током и формы сигналов напряжения. Во время каждого цикла переменного напряжения дополнительная энергия в дополнение к энергии, потребляемой в нагрузке, временно сохраняется в нагрузке в электрическом или магнитном поле, а затем возвращается в электросеть. часть периода позже.

Электрические цепи, содержащие преимущественно резистивные нагрузки (лампы накаливания, нагревательные элементы), имеют коэффициент мощности почти 1, а цепи, содержащие индуктивные или емкостные нагрузки (электродвигатели, соленоидные клапаны, трансформаторы, балласты люминесцентных ламп и др.) Могут иметь коэффициент мощности значительно ниже 1.

В электросети реактивные нагрузки вызывают постоянные «приливы и отливы» непроизводственная мощность. Схема с низким коэффициентом мощности будет использовать большее количество тока для передачи заданного количества активной мощности, чем схема с высоким коэффициентом мощности, что приведет к увеличению потерь из-за резистивного нагрева в линиях электропередач и потребует использование проводов и трансформаторов более высокого номинала.

Определение и расчет

Поток мощности переменного тока состоит из двух компонентов:

• Активная мощность или активная мощность ($P\; \{\backslash \; displaystyle\; P\}$) (иногда называется средняя мощность), выраженная в ваттах (W)
• Реактивная мощность ($Q\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\}$), обычно выражается в реактивных вольтах -ампер (var)

Вместе они образуют комплексную мощность ($S\; \{\backslash \; displaystyle\; S\}$), выраженную как вольт-амперы (ВА). Величина комплексной мощности - это полная мощность ($|\; S\; |\; \{\backslash \; displaystyle\; |\; S\; |\}$), также выраженная в вольт-амперах (ВА).

VA и var не являются единицами системы СИ, математически идентичны ватту, но используются в инженерной практике вместо ватта, чтобы указать, какое количество выражается. SI явно запрещает использование единиц измерения для этой цели или в качестве единственного источника информации об используемой физической величине.

Коэффициент мощности определяется как отношение реальной мощности к полной мощности. Поскольку мощность передается по линии передачи, она состоит не только из реальной мощности, которая может выполнять работу после передачи на нагрузку, а скорее состоит из комбинации активной и реактивной мощности, называемой полной мощностью. Коэффициент мощности описывает количество активной мощности, передаваемой по линии передачи, относительно полной полной мощности, протекающей по линии.

Треугольник мощности

Можно связать различные компоненты мощности переменного тока, используя треугольник мощности в векторном пространстве. Реальная мощность распространяется горизонтально в направлении î, поскольку она представляет собой чисто реальный компонент мощности переменного тока. Реактивная мощность простирается в направлении, поскольку она представляет собой чисто мнимую составляющую мощности переменного тока. Комплексная мощность (и ее величина, полная мощность) представляет собой комбинацию как активной, так и реактивной мощности, и поэтому может быть рассчитана с помощью векторной суммы этих двух компонентов. Мы можем заключить, что математическая связь между этими компонентами следующая:

$S\; =\; P\; +\; j\; Q\; |\; S\; |\; 2\; =\; P\; 2\; +\; Q\; 2\; |\; S\; |\; =\; P\; 2\; +\; Q\; 2\; cos\; \; \theta ,\; коэффициент\; мощности\; =\; P,\; активная\; мощность\; |\; S\; |,\; полная\; мощность\; или\; коэффициент\; мощности\; =\; cos\; \; (arctan\; \; (Q\; /\; P))\; следует,\; что...\; Q\; =\; P\; *\; загар\; \; (arccos\; \; (коэффициент\; мощности))\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; S\; =\; P\; +\; jQ\; \backslash \backslash \; |\; S\; |\; ^\; \{2\}\; =\; P\; ^\; \{2\}\; +\; Q\; ^\; \{2\}\; \backslash \backslash \; [3pt]\; |\; S\; |\; =\; \{\backslash \; sqrt\; \{P\; ^\; \{2\}\; +\; Q\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash \backslash \backslash \; cos\; \backslash \; theta\; \{\backslash \; text\; \{,\; коэффициент\; мощности\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{P\; \{\; \backslash \; text\; \{,\; активная\; мощность\}\}\}\; \{|\; S\; |\; \{\backslash \; text\; \{,\; полная\; мощность\}\}\}\}\; \backslash \backslash \; \{\backslash \; text\; \{или\}\}\; \backslash \backslash \; \{\backslash \; text\; \{power\; factor\}\}\; =\; \backslash \; cos\; (\backslash \; arctan\; (Q\; /\; P))\; \backslash \backslash \; \{\backslash \; text\; \{следует,\; что...\}\}\; \backslash \backslash \; Q\; =\; P\; *\; \backslash \; tan\; (\backslash \; arccos\; (\{\backslash \; text\; \{power\; factor\}\}))\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Увеличение коэффициента мощности

В качестве коэффициента мощности (т.е. cos θ) увеличивается, отношение активной мощности к полной мощности (которая = cos θ) увеличивается и приближается к единице (1), в то время как угол θ уменьшается, а реактивная мощность уменьшается. [Поскольку cos θ → 1, его максимально возможное значение, θ → 0 и, следовательно, Q → 0, поскольку нагрузка становится менее реактивной и более чисто резистивной].

Уменьшение коэффициента мощности

По мере уменьшения коэффициента мощности отношение реальной мощности к полной мощности также уменьшается, поскольку угол θ увеличивается, а реактивная мощность увеличивается.

Отстающий и опережающий коэффициенты мощности

Также существует разница между запаздывающим и опережающим коэффициентами мощности. Термины относятся к тому, отстает ли фаза тока от фазы напряжения или опережает ее. Запаздывающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является индуктивной, поскольку нагрузка будет «потреблять» реактивную мощность, и поэтому реактивная составляющая $Q\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\}$положительна, когда реактивная мощность проходит через цепь. и «потребляется» индуктивной нагрузкой. Опережающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является емкостной, поскольку нагрузка «обеспечивает» реактивную мощность, и поэтому реактивная составляющая $Q\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\}$отрицательна, поскольку реактивная мощность подается на цепь.

Если θ - это фазовый угол между током и напряжением, то коэффициент мощности равен косинусу угла, $cos\; \; \theta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; cos\; \backslash \; theta\}$:

$|\; P\; |\; =\; |\; S\; |\; соз\; \; \theta \; \{\backslash \; displaystyle\; |\; P\; |\; =\; |\; S\; |\; \backslash \; cos\; \backslash \; theta\}$

Поскольку единицы согласованы, коэффициент мощности по определению равен безразмерному числу между -1 и 1. Когда мощность коэффициент равен 0, поток энергии полностью реактивный, и запасенная в нагрузке энергия возвращается источнику в каждом цикле. Когда коэффициент мощности равен 1, вся энергия, подаваемая источником, потребляется нагрузкой. Коэффициенты мощности обычно указываются как «опережающие» или «запаздывающие», чтобы показать знак фазового угла. Емкостные нагрузки являются опережающими (напряжение на токоведущих выводах), а индуктивные нагрузки отстают (ток отстает от напряжения).

Если к источнику питания подключена чисто резистивная нагрузка, ток и напряжение будут менять полярность ступенчато, коэффициент мощности будет равен 1, а электрическая энергия течет в одном направлении по сети в каждом цикле. Индуктивные нагрузки, такие как асинхронные двигатели (с катушкой любого типа), потребляют реактивную мощность, а форма кривой тока отстает от напряжения. Емкостные нагрузки, такие как батареи конденсаторов или проложенный под землей кабель, генерируют реактивную мощность, причем фаза тока опережает напряжение. Оба типа нагрузок будут поглощать энергию в течение части цикла переменного тока, которая хранится в магнитном или электрическом поле устройства, только для того, чтобы возвращать эту энергию обратно источнику в течение остальной части цикла.

Например, чтобы получить 1 кВт активной мощности, если коэффициент мощности равен единице, необходимо передать 1 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 1 = 1 кВА). При низких значениях коэффициента мощности необходимо передать больше кажущейся мощности, чтобы получить такую ​​же активную мощность. Чтобы получить 1 кВт реальной мощности при коэффициенте мощности 0,2, необходимо передать 5 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 0,2 = 5 кВА). Эта кажущаяся мощность должна производиться и передаваться на нагрузку, и она подвержена потерям в процессах производства и передачи.

Электрические нагрузки, потребляющие мощность переменного тока, потребляют как активную, так и реактивную мощность. Векторная сумма реальной и реактивной мощности - это полная мощность. Присутствие реактивной мощности приводит к тому, что активная мощность меньше полной мощности, поэтому электрическая нагрузка имеет коэффициент мощности менее 1.

Может возникнуть отрицательный коэффициент мощности (от 0 до -1). от возврата энергии к источнику, например, в случае здания, оборудованного солнечными панелями, когда избыточная мощность возвращается в источник.

Коррекция коэффициента мощности линейных нагрузок

Высокая мощность Фактор, как правило, желателен в системе энергоснабжения для уменьшения потерь и улучшения регулирования напряжения на нагрузке. Компенсирующие элементы рядом с электрической нагрузкой уменьшат кажущуюся потребляемую мощность в системе питания. Коррекция коэффициента мощности может применяться коммунальным предприятием передача электроэнергии для повышения стабильности и эффективности сети. Отдельные потребители электроэнергии, которым коммунальные предприятия взимают плату за низкий коэффициент мощности, могут установить корректирующее оборудование, чтобы увеличить коэффициент мощности и снизить затраты.

Коррекция коэффициента мощности приближает коэффициент мощности силовой цепи переменного тока к 1 за счет подачи или поглощения реактивной мощности, добавления конденсаторов или катушек индуктивности, которые нейтрализуют индуктивные или емкостные эффекты нагрузки соответственно. В случае компенсации индуктивного эффекта нагрузки двигателя конденсаторы могут быть подключены локально. Эти конденсаторы помогают генерировать реактивную мощность для удовлетворения требований индуктивных нагрузок. Это предотвратит протекание реактивной мощности от генератора электросети к нагрузке. В электроэнергетике считается, что индукторы потребляют реактивную мощность, а конденсаторы питают ее, хотя реактивная мощность - это просто энергия, движущаяся вперед и назад в каждом цикле переменного тока.

Реактивные элементы в устройствах коррекции коэффициента мощности могут создавать колебания напряжения и гармонический шум при включении или выключении. Они будут обеспечивать или потреблять реактивную мощность независимо от того, работает ли поблизости соответствующая нагрузка, увеличивая потери холостого хода в системе. В худшем случае реактивные элементы могут взаимодействовать с системой и друг с другом, создавая резонансные условия, что приводит к нестабильности системы и серьезным колебаниям перенапряжения. Таким образом, реактивные элементы нельзя просто применить без инженерного анализа.

1. Реле контроля реактивной мощности ; 2. Точки подключения к сети; 3. Плавкие предохранители ; 4. Ограничители пускового тока Контакторы ; 5. Конденсаторы (однофазные или трехфазные, соединение треугольником); 6. Трансформатор (для управления и вентиляторов)

Блок автоматической коррекции коэффициента мощности состоит из ряда конденсаторов, которые переключаются с помощью контакторы. Эти контакторы управляются регулятором, который измеряет коэффициент мощности в электрической сети. В зависимости от нагрузки и коэффициента мощности сети контроллер коэффициента мощности будет поэтапно переключать необходимые блоки конденсаторов, чтобы коэффициент мощности оставался выше выбранного значения.

Вместо набора переключаемых конденсаторов ненагруженный синхронный двигатель может подавать реактивную мощность. Реактивная мощность, потребляемая синхронным двигателем, является функцией его возбуждения. Он упоминается как синхронный конденсатор. Он запускается и подключается к электрической сети . Он работает с опережающим коэффициентом мощности и подает вары в сеть, как требуется для поддержки напряжения системы или для поддержания коэффициента мощности системы на заданном уровне.

Установка и работа синхронного конденсатора идентичны таковым у больших электродвигателей. Его главное преимущество - легкость, с которой можно регулировать величину коррекции; он ведет себя как переменный конденсатор. В отличие от конденсаторов, количество подаваемой реактивной мощности пропорционально напряжению, а не квадрату напряжения; это улучшает стабильность напряжения в больших сетях. Синхронные конденсаторы часто используются в проектах передачи высокого напряжения постоянного тока или на крупных промышленных предприятиях, таких как сталелитейные заводы.

для коррекции коэффициента мощности высоковольтных энергосистем или крупных, колеблющиеся промышленные нагрузки, силовые электронные устройства, такие как статический компенсатор VAR или STATCOM, все чаще используются. Эти системы способны компенсировать внезапные изменения коэффициента мощности намного быстрее, чем конденсаторные батареи с контактором, и, будучи твердотельными, требуют меньшего обслуживания, чем синхронные конденсаторы.

Примерами нелинейных нагрузок в энергосистеме являются выпрямители (например, используемые в источниках питания) и устройства дугового разряда, такие как люминесцентные лампы, электрические сварочные аппараты или дуговые печи. Поскольку ток в этих системах прерывается действием переключения, ток содержит частотные составляющие, кратные частоте энергосистемы. Коэффициент мощности искажения - это показатель того, насколько гармонические искажения тока нагрузки уменьшают среднюю мощность, передаваемую нагрузке.

Синусоидальное напряжение и несинусоидальный ток дают коэффициент мощности искажения 0,75 для этой нагрузки блока питания компьютера.

Несинусоидальные компоненты

В линейных цепях, имеющих только синусоидальные токи и напряжения одной частоты, коэффициент мощности возникает только из-за разницы фаз между током и напряжением. Это «коэффициент мощности смещения».

Нелинейные нагрузки изменяют форму сигнала тока с синусоидальной волны на некоторую другую форму. Нелинейные нагрузки создают гармонические токи в дополнение к исходному (основная частота) переменного тока. Это важно в практических энергосистемах, которые содержат нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, некоторые формы электрического освещения, дуговые электропечи, сварочное оборудование, импульсные источники питания, частотно-регулируемые приводы и другие устройства. Фильтры, состоящие из линейных конденсаторов и катушек индуктивности, могут предотвратить попадание гармонических токов в систему питания.

Для измерения активной или реактивной мощности необходимо использовать ваттметр, предназначенный для правильной работы с несинусоидальными токами.

Коэффициент мощности искажения

Коэффициент мощности искажения - это составляющая искажения, связанная с гармоническими напряжениями и токами, присутствующими в системе.

$коэффициент\; мощности\; искажения\; =\; I\; 1\; I\; rms\; =\; I\; 1\; I\; 1\; 2\; +\; I\; 2\; 2\; +\; I\; 3\; 2\; +\; I\; 4\; 2\; +\; \cdots \; =\; 1\; 1\; +\; I\; 2\; 2\; +\; I\; 3\; 2\; +\; I\; 4\; 2\; +\; \cdots \; I\; 1\; 2\; =\; 1\; 1\; +\; THD\; i\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; \{\backslash \; t\_dv\; \{коэффициент\; мощности\; искажения\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{I\_\; \{1\}\}\; \{I\_\; \{rms\}\}\}\; \backslash \backslash \; =\; \{\backslash \; гидроразрыв\; \{I\_\; \{1\}\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{I\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\; +\; I\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\; +\; I\_\; \{3\}\; ^\; \{2\}\; +\; I\_\; \{4\}\; ^\; \{2\}\; +\; \backslash \; cdots\}\; \}\}\; \backslash \backslash \; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{I\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\; +\; I\_\; \{3\}\; ^\; \{2\}\; +\; I\_\; \{4\}\; ^\; \{2\}\; +\; \backslash \; cdots\}\; \{I\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\}\}\}\}\; \backslash \backslash \; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{1\; +\; THD\_\; \{i\}\; ^\; \{2\}\}\}\}\; \backslash \backslash \backslash \; конец\; \{выровнено\}\; \}\}$

$THD\; i\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; t\_dv\; \{THD\}\}\; \_\; \{i\}\}$- это полное гармоническое искажение тока нагрузки.

$THD\; i\; =\; \sum \; час\; =\; 2\; \infty \; I\; час\; 2\; I\; 1\; =\; I\; 2\; 2\; +\; I\; 3\; 2\; +\; I\; 4\; 2\; +\; \cdots \; I\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; THD\_\; \{i\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sqrt\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; сумма\; \_\; \{h\; =\; 2\}\; ^\; \{\backslash \; infty\}\; I\_\; \{h\}\; ^\; \{2\}\}\}\; \{I\_\; \{1\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sqrt\; \{I\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\; +\; I\_\; \{3\}\; ^\; \{2\}\; +\; I\_\; \{4\}\; ^\; \{2\}\; +\; \backslash \; cdots\}\}\; \{I\_\; \{1\}\}\}\}$

$I\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{1\}\}$является фундаментальным компонентом ток и $I\; rms\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; t\_dv\; \{rms\}\}\}$- полный ток - оба являются среднеквадратичными значениями (коэффициент мощности искажения также может использоваться для описания гармоник индивидуального порядка с использованием соответствующего тока вместо общего тока). Это определение в отношении полного гармонического искажения предполагает, что напряжение остается неискаженным (синусоидальным, без гармоник). Это упрощение часто является хорошим приближением для жестких источников напряжения (на которые не влияют изменения нагрузки ниже по потоку в распределительной сети). Общее гармоническое искажение типичных генераторов из-за искажения тока в сети составляет порядка 1-2%, что может иметь более масштабные последствия, но может игнорироваться в обычной практике.

Результат, умноженный на мощность смещения. коэффициент (DPF) - это общий истинный коэффициент мощности или просто коэффициент мощности (PF):

$PF\; =\; cos\; \; \phi \; 1\; +\; THD\; i\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; t\_dv\; \{PF\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; cos\; \{\; \backslash \; varphi\}\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{1\; +\; THD\_\; \{i\}\; ^\; \{2\}\}\}\}\}$

Искажения в трехфазных сетях

На практике локальные эффекты искажения тока на устройствах в трехфазная распределительная сеть полагается на величину гармоник определенного порядка, а не на общее гармоническое искажение.

Например, тройные или нулевые гармоники (3-я, 9-я, 15-я и т. Д.) Имеют свойство быть синфазными при линейном сравнении. В трансформаторе треугольник-звезда эти гармоники могут привести к возникновению циркулирующих токов в обмотках треугольника и привести к большему резистивному нагреву. В схеме «звезда» трансформатора тройные гармоники не будут создавать эти токи, но они приведут к ненулевому току в нейтральном проводе . В некоторых случаях это может привести к перегрузке нейтрального провода и вызвать ошибку в системах учета киловатт-часов и выручке от выставления счетов. Наличие гармоник тока в трансформаторе также приводит к увеличению вихревых токов в магнитном сердечнике трансформатора. Потери на вихревые токи обычно увеличиваются пропорционально квадрату частоты, снижая эффективность трансформатора, рассеивая дополнительное тепло и сокращая срок его службы.

Гармоники обратной последовательности (5-я, 11-я, 17-я и т. Д.) Объединяют 120 градусов не в фазе, как и основная гармоника, но в обратной последовательности. В генераторах и двигателях эти токи создают магнитные поля, которые препятствуют вращению вала и иногда приводят к разрушительным механическим вибрациям.

Импульсные источники питания

Особенно важный класс нелинейных нагрузки - это миллионы персональных компьютеров, которые обычно включают импульсные источники питания (SMPS) с номинальной выходной мощностью от нескольких ватт до более 1 кВт. Исторически эти очень недорогие источники питания включали в себя простой двухполупериодный выпрямитель, который работал только тогда, когда сетевое мгновенное напряжение превышало напряжение на входных конденсаторах. Это приводит к очень высоким отношениям пикового значения входного тока к среднему, что также приводит к низкому коэффициенту мощности искажений и потенциально серьезным проблемам с фазной и нейтральной нагрузкой.

Типичный импульсный источник питания сначала преобразует сеть переменного тока в шину постоянного тока с помощью мостового выпрямителя. Выходное напряжение затем выводится из этой шины постоянного тока. Проблема заключается в том, что выпрямитель является нелинейным устройством, поэтому входной ток очень нелинейный. Это означает, что входной ток имеет энергию гармоник частоты напряжения. Это представляет особую проблему для энергетических компаний, поскольку они не могут компенсировать гармонический ток путем добавления простых конденсаторов или катушек индуктивности, в отличие от реактивной мощности, потребляемой линейной нагрузкой. Многие юрисдикции начинают законодательно требовать коррекции коэффициента мощности для всех источников питания с уровнем мощности выше определенного.

Регулирующие органы, такие как ЕС, установили пределы гармоник в качестве метода повышения коэффициента мощности. Снижение стоимости компонентов ускорило внедрение двух различных методов. Чтобы соответствовать действующему стандарту ЕС EN61000-3-2, все импульсные источники питания с выходной мощностью более 75 Вт должны включать как минимум пассивную коррекцию коэффициента мощности. Для сертификации источника питания 80 Plus требуется коэффициент мощности 0,9 или более.

Коррекция коэффициента мощности (PFC) в нелинейных нагрузках

Пассивный PFC

Самый простой способ контролировать ток гармоники - использовать фильтр, пропускающий ток только на сетевой частоте (50 или 60 Гц). Фильтр состоит из конденсаторов или катушек индуктивности и делает нелинейное устройство более похожим на линейную нагрузку. Примером пассивной коррекции коэффициента мощности является схема с заполнением впадин.

Недостатком пассивной коррекции коэффициента мощности является то, что для нее требуются катушки индуктивности или конденсаторы большего размера, чем схема активной коррекции коэффициента мощности эквивалентной мощности. Кроме того, на практике пассивная коррекция коэффициента мощности часто менее эффективна для повышения коэффициента мощности.

Активная коррекция коэффициента мощности

Характеристики взяты из упаковки блока питания ПК мощностью 610 Вт, показывающего активную оценку коэффициента мощности.

Активная коррекция коэффициента мощности - это использование силовой электроники для изменения формы сигнала тока, потребляемого нагрузкой, с целью повышения коэффициента мощности. Некоторые типы активного PFC: понижающий, повышающий, понижающий-повышающий и синхронный конденсатор. Коррекция активного коэффициента мощности может быть одноступенчатой ​​или многоступенчатой.

В случае импульсного источника питания, повышающий преобразователь вставляется между мостовым выпрямителем и основными входными конденсаторами. Повышающий преобразователь пытается поддерживать постоянное напряжение на своем выходе при одновременном потреблении тока, который всегда находится в фазе с линейным напряжением и имеет ту же частоту. Другой импульсный преобразователь внутри источника питания создает желаемое выходное напряжение на шине постоянного тока. Этот подход требует дополнительных полупроводниковых переключателей и управляющей электроники, но позволяет использовать более дешевые и компактные пассивные компоненты. Это часто используется на практике.

Для трехфазного ИИП конфигурацию венского выпрямителя можно использовать для значительного повышения коэффициента мощности.

SMPS с пассивным PFC могут достигать коэффициента мощности около 0,7–0,75, SMPS с активным PFC - до 0,99, тогда как SMPS без какой-либо коррекции коэффициента мощности имеют коэффициент мощности всего около 0,55–0,65.

Из-за очень широкого диапазона входных напряжений многие источники питания с активной коррекцией коэффициента мощности могут автоматически настраиваться для работы от сети переменного тока от примерно 100 В (Япония) до 240 В (Европа). Эта функция особенно приветствуется в блоках питания для ноутбуков.

Dynamic PFC

Динамическая коррекция коэффициента мощности (DPFC), иногда называемая «коррекцией коэффициента мощности в реальном времени», используется для электрической стабилизации в случаях быстрых изменений нагрузки (например, при больших производственные площадки). DPFC полезен, когда стандартная коррекция коэффициента мощности может вызвать чрезмерную или недостаточную коррекцию. DPFC использует полупроводниковые переключатели, обычно тиристоры, для быстрого подключения и отключения конденсаторов или катушек индуктивности с целью повышения коэффициента мощности.

Конденсаторная батарея 75 МВАр на подстанции 150 кВ

Коэффициенты мощности ниже 1,0 требуют, чтобы энергосистема вырабатывала больше, чем минимальный вольт-ампер, необходимый для подачи реальной мощности (Вт). Это увеличивает затраты на генерацию и передачу. Например, если бы коэффициент мощности нагрузки был всего 0,7, полная мощность была бы в 1,4 раза больше реальной мощности, используемой нагрузкой. Линейный ток в цепи также будет в 1,4 раза больше тока, необходимого при коэффициенте мощности 1,0, поэтому потери в цепи будут удвоены (поскольку они пропорциональны квадрату тока). В качестве альтернативы все компоненты системы, такие как генераторы, проводники, трансформаторы и распределительное устройство, могут быть увеличены в размере (и стоимости), чтобы пропускать дополнительный ток. Когда коэффициент мощности близок к единице, для того же номинала трансформатора в кВА может подаваться больший ток нагрузки.

Коммунальные предприятия обычно взимают дополнительные расходы с коммерческих потребителей, у которых коэффициент мощности ниже определенного предела, который обычно составляет От 0,9 до 0,95. Инженеров часто интересует коэффициент мощности нагрузки как один из факторов, влияющих на эффективность передачи энергии.

В связи с ростом стоимости энергии и опасениями по поводу ее эффективной подачи активная коррекция коэффициента мощности стала более распространенной в бытовой электронике. Текущие директивы Energy Star для компьютеров призывают к коэффициенту мощности ≥ 0,9 при 100% номинальной мощности в блоке питания ПК. Согласно официальному документу Intel и США Агентство по охране окружающей среды, ПК с внутренними блоками питания потребуют использования активной коррекции коэффициента мощности, чтобы соответствовать требованиям программы ENERGY STAR 5.0 для компьютеров.

В Европе EN 61000-3-2 требует включения коррекции коэффициента мощности в потребительские товары.

Мелким потребителям, таким как домашние хозяйства, обычно не взимается плата за реактивную мощность, поэтому оборудование для измерения коэффициента мощности для таких потребителей не устанавливается.

Коэффициент мощности в однофазной цепи (или сбалансированной трехфазной цепи) может быть измерен методом ваттметр-амперметр-вольтметр, при котором мощность в ваттах делится произведением измеренного напряжения и тока. Коэффициент мощности симметричной многофазной цепи такой же, как и у любой фазы. Коэффициент мощности несимметричной многофазной цепи не определяется однозначно.

Измеритель коэффициента мощности с прямым считыванием может быть выполнен с помощью измерителя с подвижной катушкой электродинамического типа, несущего две перпендикулярные катушки на подвижной части прибора. Поле прибора возбуждается током в цепи. Две подвижные катушки, A и B, подключены параллельно нагрузке схемы. Одна катушка A будет подключена через резистор, а вторая катушка B - через катушку индуктивности, так что ток в катушке B задерживается относительно тока в A. При единичном коэффициенте мощности ток в A находится в фазе. с током цепи, а катушка A обеспечивает максимальный крутящий момент, перемещая указатель инструмента к отметке 1.0 на шкале. При нулевом коэффициенте мощности ток в катушке B находится в фазе с током цепи, и катушка B обеспечивает крутящий момент, чтобы привести указатель к нулю. При промежуточных значениях коэффициента мощности крутящие моменты, обеспечиваемые двумя катушками, складываются, и стрелка принимает промежуточное значение положения.

Другой электромеханический инструмент - это тип с поляризованной лопаткой. В этом приборе катушка постоянного поля создает вращающееся магнитное поле, как многофазный двигатель. Катушки возбуждения подключаются либо непосредственно к источникам многофазного напряжения, либо к фазосдвигающему реактору, если используется однофазное применение. Вторая катушка стационарного поля, перпендикулярная катушкам напряжения, проводит ток, пропорциональный току в одной фазе цепи. Подвижная система прибора состоит из двух лопаток, намагничиваемых токовой катушкой. В процессе работы движущиеся лопатки принимают физический угол, эквивалентный электрическому углу между источником напряжения и источником тока. Этот тип прибора может быть настроен для регистрации токов в обоих направлениях, обеспечивая четырехквадрантное отображение коэффициента мощности или фазового угла.

Существуют цифровые приборы, которые непосредственно измеряют временную задержку между формами сигнала напряжения и тока. Недорогие приборы этого типа измеряют пик формы волны. Более сложные версии измеряют пик только основной гармоники, что дает более точное определение фазового угла для искаженных сигналов. Расчет коэффициента мощности по фазам напряжения и тока является точным только в том случае, если обе формы сигнала являются синусоидальными.

Анализаторы качества электроэнергии, часто называемые анализаторами мощности, делают цифровую запись формы волны напряжения и тока (обычно либо одной фазы, либо трехфазный) и точно рассчитать истинную мощность (Вт), полную мощность (ВА), коэффициент мощности, напряжение переменного тока, ток переменного тока, напряжение постоянного тока, постоянный ток, частоту, IEC61000-3-2 / 3-12 Измерение гармоник, IEC61000-3- 3/3-11 flicker measurement, individual phase voltages in delta applications where there is no neutral line, total harmonic distortion, phase and amplitude of individual voltage or current harmonics, etc.

English-language power engineering students are advised to remember: "ELI the ICE man" or "ELI on ICE" – the voltage E, leads the current I, in an inductor L. The current I leads the voltage E in a capacitor C.

Another common mnemonic is "CIVIL" – in a capacitor (C) the current (I) l eads voltage (V), voltage (V) leads current (I) in an inductor (L).

• Harmonics and how they relate to power factor (PDF), U Texas.
• NIST Team Demystifies Utility of Power Factor Correction Devices, NIST, December 15, 2009.
• Power factor calculation and correction, US.