Rozdział 2: Współczynnik mocy

Współczynnik mocy systemu zasilania prądem przemiennym jest bezwymiarową liczbą, która mieści się w zakresie od 1 do 1 i jest definiowana jako stosunek rzeczywistej mocy pochłanianej przez obciążenie do pozornej mocy przepływającej w obwodzie w elektrotechnice. Stosunek ten oblicza się, dzieląc rzeczywistą moc pochłoniętą przez obciążenie przez pozorną moc płynącą w obwodzie. Gdy wielkość współczynnika mocy jest mniejsza niż jeden, oznacza to, że napięcie i prąd są poza fazą, co obniża średni iloczyn dwóch wielkości. Zdolność układu elektrycznego do wykonywania pracy może być wyrażona jako jego "rzeczywista moc", która jest chwilowym iloczynem napięcia i prądu systemu elektrycznego. Iloczyn prądu i napięcia RMS jest określany jako moc pozorna. Możliwe jest, że postrzegana moc jest wyższa niż moc rzeczywista. Może się to zdarzyć, gdy energia jest przechowywana w obciążeniu, a następnie zwracana do źródła. Może się to również zdarzyć, gdy obciążenie nieliniowe zniekształca wzór fali prądu pobieranego ze źródła. Gdy urządzenie (które często jest obciążeniem) wytwarza moc, która następnie przepływa z powrotem do źródła, wytwarzany jest ujemny współczynnik mocy.

Obciążenie, które ma niski współczynnik mocy w systemie elektroenergetycznym, zużywa większą ilość prądu niż obciążenie, które ma wysoki współczynnik mocy w tym samym systemie dla tej samej ilości dostarczonej użytecznej mocy. Większe prądy powodują wzrost ilości energii marnowanej w całym systemie dystrybucyjnym i wymagają użycia większych, a także dodatkowej aparatury. Gdy współczynnik mocy jest niski, zakłady energetyczne często pobierają od klientów przemysłowych lub komercyjnych wyższą cenę niż użytkownicy indywidualni. Dzieje się tak dlatego, że wydatki na większy sprzęt i zmarnowaną energię są w takich sytuacjach większe.

Współczynnik mocy obciążenia można poprawić poprzez zastosowanie korekcji współczynnika mocy, co z kolei prowadzi do poprawy ogólnej sprawności systemu dystrybucji. Pasywna sieć składająca się z kondensatorów i cewek indukcyjnych może być używana do regulacji obciążeń liniowych o słabym współczynniku mocy. Jednym z przykładów mogą być silniki indukcyjne. Prąd pobierany z układu może być zniekształcony, gdy jest ciągnięty przez obciążenia nieliniowe, takie jak prostowniki. W tego typu sytuacjach aktywna lub pasywna korekcja współczynnika mocy może być wykorzystana do walki ze zniekształceniami i poprawy współczynnika mocy. Możliwe jest, że urządzenia, które korygują współczynnik mocy, mogą znajdować się w centralnej podstacji, być rozproszone w systemie dystrybucyjnym, a nawet włączone do sprzętu wykorzystującego energię elektryczną.

Obwody składające się na przykład z kombinacji rezystorów, cewek indukcyjnych i kondensatorów mają odpowiedź sinusoidalną po poddaniu sinusoidalnemu napięciu sieci. Liniowe obwody niezmienne w czasie, które będą określane po prostu jako obwody liniowe w pozostałej części tego artykułu, są również określane jako obwody liniowe. Ze względu na indukcyjność lub pojemność, obciążenie liniowe nie zmienia kształtu fali na wejściu, ale może spowodować przesunięcie zależności fazowej (względnego czasu) między napięciem a prądem.

Całkowicie rezystancyjny obwód prądu przemiennego ma przebiegi napięcia i prądu, które są ze sobą zgodne, często znane jako fazowe, i przełączają polaryzację w tym samym czasie w każdym cyklu. Cała ilość energii elektrycznej dostarczanej do obciążenia jest zużywana (lub rozpraszana).

Ze względu na magazynowanie energii w obciążeniach występuje niedopasowanie fazowe między przebiegami prądu i napięcia, gdy występują obciążenia bierne. Obciążenia bierne obejmują elementy takie jak kondensatory i cewki indukcyjne. Podczas każdego cyklu napięcia przemiennego więcej energii jest krótko magazynowane w obciążeniu w postaci pól elektrycznych lub magnetycznych. Ta dodatkowa energia jest dodatkiem do każdej energii zużywanej w obciążeniu. Energia ta jest następnie zwracana do sieci energetycznej przez część czasu później.

Obwody elektryczne zawierające głównie obciążenia rezystancyjne, takie jak żarówki i elementy grzejne, mają współczynnik mocy bardzo bliski 1. Z drugiej strony obwody elektryczne zawierające obciążenia indukcyjne lub pojemnościowe, takie jak silniki elektryczne, zawory elektromagnetyczne, transformatory, stateczniki lamp fluorescencyjnych i inne elementy, mogą mieć współczynnik mocy znacznie niższy niż 1.

W ramach sieci elektroenergetycznej obciążenia bierne są tym, co wytwarza stały "przypływ i odpływ" energii elektrycznej, który nie jest produktywny. Obwód o niskim współczynniku mocy zużyje większą ilość prądu do przesłania danej ilości rzeczywistej mocy niż obwód o wysokim współczynniku mocy. Spowoduje to zwiększone straty w wyniku nagrzewania rezystancyjnego w liniach energetycznych i będzie wymagało zastosowania przewodów i transformatorów o wyższych wartościach znamionowych.

Istnieją dwa składniki, które składają się na zasilanie prądem zmiennym:

Moc rzeczywista lub moc czynna ( ) (czasami nazywana mocą średnią), określana w watach (W)

Moc bierna ( ), często określana ilościowo w kategoriach biernych woltoamperów (var)

Razem tworzą one moc zespoloną ( ) wyrażoną jako woltoampery (VA).

Wielkość mocy zespolonej jest mocą pozorną ( ), ponadto można ją określić w woltoamperach (VA).

Jednostki inne niż SI, znane jako VA i var, są teoretycznie równoważne jednostce SI znanej jako wat. Jednak w praktyce inżynierskiej VA i var są używane zamiast wata, aby określić, jaka ilość jest podawana. Międzynarodowy System Jednostek Miar wyraźnie zabrania wykorzystywania jednostek w tym celu lub jako jedynego źródła informacji o ilości fizycznej w ich obecnej formie.

Używając trójkąta potęgowego w przestrzeni wektorowej, można ustalić relacje między różnymi składnikami mocy prądu przemiennego. Zarówno moc rzeczywista, jak i moc bierna rozciągają się w tym samym kierunku, poziomo wzdłuż rzeczywistej osi, ale moc wyimaginowana rozciąga się w kierunku wyobrażonej osi. Ponieważ moc zespolona (jak również jej wielkość, moc pozorna) jest mieszaniną mocy rzeczywistej i mocy biernej, możliwe jest jej obliczenie, biorąc sumę wektorową tych dwóch składników. Moc zespolona może być również określana jako moc pozorna. Jesteśmy w stanie wyciągnąć następujący wniosek na temat matematycznego związku między tymi składnikami:

Ponieważ kąt θ wzrasta przy stałej całkowitej mocy pozornej, zależność fazowa między prądem a napięciem stała się bardziej dotkliwa.

Moc w rzeczywistości maleje, podobnie jak wzrost mocy biernej.

Jeśli przebieg napięcia znajduje się za bieżącym kształtem fali w fazie w odniesieniu do współczynnika mocy, wówczas mówi się, że współczynnik mocy jest wiodący.

lub wiodący, który opisuje sytuację, w której przebieg prądu wyprzedza przebieg napięcia.

Obciążenie, które jest indukcyjne, jest wskazywane przez współczynnik mocy, który znajduje się za obciążeniem. , ponieważ obciążenie "zużyje" moc bierną.

Składowa bierna jest dodatnia, ponieważ moc bierna przemieszcza się przez obwód i jest "zużywana" przez obciążenie indukcyjne.

Obciążenie, które jest pojemnościowe, jest wskazywane przez współczynnik mocy, który jest wiodący.

Ponieważ obciążenie "dostarcza" moc bierną, a zatem składowa bierna jest ujemna, ponieważ moc bierna jest dostarczana do obwodu.

Jeśli θ jest kątem fazowym między prądem a napięciem, W związku z tym cosinus kąta jest równoważny współczynnikowi mocy, jeśli spojrzymy na to w ten sposób. , :

Ze względu na fakt, że wszystkie jednostki są takie same, współczynnik mocy jest z definicji liczbą bezwymiarową, która mieści się między -1 a 1. Gdy współczynnik mocy jest równy zero, przepływ energii jest całkowicie reaktywny, a każda energia zmagazynowana w obciążeniu jest przekazywana z powrotem do źródła pod koniec każdego cyklu. Jeśli współczynnik mocy wynosi 1, obciążenie zużywa całą energię dostarczaną przez źródło. Aby wskazać kierunek kąta fazowego, współczynniki mocy są często opisywane jako "wiodące" lub "opóźnione". Prąd przez obciążenia pojemnościowe wyprzedza napięcie poprzez obciążenia indukcyjne, które pojawiają się później (prąd opóźnia napięcie).

Gdy całkowicie rezystancyjne obciążenie jest podłączone do źródła zasilania, polaryzacja prądu i napięcia zmieni się w krok, współczynnik mocy wyniesie 1, a energia elektryczna będzie podróżować tylko w jedną stronę przez sieć w każdym cyklu. Moc bierna jest wykorzystywana przez obciążenia indukcyjne, które charakteryzują się kształtem fali prądowej, która pozostaje w tyle za napięciem. Przykładami takich obciążeń są silniki indukcyjne (lub inny rodzaj zwiniętej cewki). Moc bierna może być generowana przez obciążenia pojemnościowe, takie jak baterie kondensatorów lub zakopane, w których faza prądowa poprzedza fazę napięciową. Oba rodzaje obciążeń będą pobierać energię podczas jednej części cyklu prądu przemiennego, która zostanie zmagazynowana w polu magnetycznym lub elektrycznym urządzenia. Energia ta zostanie następnie przeniesiona z powrotem do pierwotnego źródła podczas pozostałej części...