Factor de putere

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 29 martie 2021; verificările necesită 2 modificări .

Factorul de putere este o mărime fizică adimensională care caracterizează un consumator de curent electric alternativ în ceea ce privește prezența unei componente reactive în sarcină și puterea de distorsiune (denumirea colectivă este putere inactivă ). Conceptul de „ factor de putere ” ar trebui să fie distins de conceptul de „ cosinus phi ”, care este egal cu cosinusul defazajului curentului alternativ care curge prin sarcină, în raport cu tensiunea aplicată acesteia. Al doilea concept este utilizat în cazul curentului și tensiunii sinusoidale și numai în acest caz ambele concepte sunt echivalente.

Definiție și înțeles fizic

Factorul de putere este egal cu raportul dintre puterea activă consumată de consumator și puterea aparentă . Puterea activă este folosită pentru a lucra . În cazul curentului și tensiunii sinusoidale, puterea aparentă este suma geometrică a puterii active și reactive. Cu alte cuvinte, este egal cu rădăcina pătrată a sumei pătratelor puterii active și reactive . În general, puterea aparentă poate fi definită ca produsul valorilor efective (rms) ale curentului și tensiunii din circuit. Se obișnuiește să se folosească volți-amperi (V∙A) în loc de wați (W) ca unitate de putere aparentă .

În industria energiei electrice, sunt acceptate denumirile pentru factorul de putere (unde este defazajul între curent și tensiune ) sau . Când este folosit pentru a desemna factorul de putere , valoarea acestuia este de obicei exprimată ca procent. $\operatorname {cos} \varphi$ $\varphi$ $\lambda$ $\lambda$

Conform inegalității Cauchy-Bunyakovsky , puterea activă, egală cu valoarea medie a produsului dintre curent și tensiune, nu depășește întotdeauna produsul valorilor pătratice medii corespunzătoare. Prin urmare, factorul de putere ia valori de la zero la unu (sau de la 0 la 100%).

Factorul de putere poate fi interpretat matematic ca cosinus al unghiului dintre vectorii curent și tensiune (în general infinit-dimensional). Prin urmare, în cazul tensiunii și curentului sinusoidal, valoarea factorului de putere coincide cu cosinusul unghiului cu care fazele corespunzătoare rămân în urmă.

În cazul unei tensiuni sinusoidale dar a unui curent nesinusoidal, dacă sarcina nu are o componentă reactivă, factorul de putere este egal cu proporția puterii primei armonice a curentului în puterea totală consumată de sarcină. .

În prezența unei componente reactive în sarcină, pe lângă valoarea factorului de putere, uneori este indicată și natura sarcinii: activ-capacitiv sau activ-inductiv. În acest caz, factorul de putere se numește, respectiv, conducător sau întârziat.

Sensul aplicat

Se poate demonstra că, dacă o sarcină este conectată la o sursă de tensiune sinusoidală (de exemplu, o priză ~ 230 V, 50 Hz ), în care curentul conduce sau întârzie în fază cu un anumit unghi față de tensiune, atunci puterea crescută este eliberat pe rezistenţa activă internă a sursei . În practică, aceasta înseamnă că atunci când funcționează pe o sarcină cu o componentă reactivă, este necesară mai multă căldură de la centrală decât atunci când funcționează pe o sarcină rezistivă; excesul de energie transmisă este eliberat sub formă de căldură în fire, iar la scara, de exemplu, a unei întreprinderi, pierderile pot fi destul de semnificative.

Nu confundați factorul de putere și factorul de sarcină (COP). Factorul de putere nu are practic niciun efect asupra consumului de energie al dispozitivului în sine conectat la rețea, dar afectează pierderea de energie în firele care merg către acesta, precum și în locurile de generare sau conversie a energiei (de exemplu, la substații). ). Adică, contorul de energie electrică din apartament nu va răspunde practic la factorul de putere al dispozitivelor, deoarece numai electricitatea care face munca (componenta activă a sarcinii) este plătibilă. În același timp, puterea activă consumată de aparatul electric depinde direct de eficiență . De exemplu, o lampă fluorescentă compactă („economisitoare de energie”) consumă de aproximativ 1,5 ori mai multă energie decât o lampă LED cu o luminozitate echivalentă . Acest lucru se datorează eficienței mai mari a acestuia din urmă. Cu toate acestea, indiferent de acest lucru, fiecare dintre aceste lămpi poate avea atât un factor de putere scăzut, cât și un factor de putere ridicat, care este determinat de circuitele utilizate.

Calcule matematice

Factorul de putere trebuie luat în considerare la proiectarea rețelelor electrice. Un factor de putere scăzut duce la o creștere a ponderii pierderilor de energie electrică din rețeaua electrică în pierderile totale. Dacă scăderea acesteia este cauzată de caracterul neliniar și în special de natura impulsivă a sarcinii, aceasta duce în plus la distorsiunea formei de undă a tensiunii în rețea. Pentru a crește factorul de putere, se folosesc dispozitive de compensare . Un factor de putere calculat incorect poate duce la un consum excesiv de energie și poate reduce eficiența echipamentelor electrice alimentate de această rețea.

Pentru calcule în cazul variabilelor armonice (tensiune) și (curent), se folosesc următoarele formule matematice : $U$ $eu$

$\chi ={\frac {P}{S}}$
$P=U\times I\times\cos\varphi$
$Q=U\ori I\ori\sin\varphi$
$S=\textstyle \sum _{k=1}^{\infty }\displaystyle (U)\times I={\sqrt {P^{2}+Q^{2}+T^{2} }}$

Aici - putere activă, - putere aparentă, - putere reactivă, - putere de distorsiune. $P$ $S$ $Q$ $T$

Evaluări tipice ale calității consumului de energie

Valoarea factorului de putere	Înalt	Bun	Satisfăcător	Scăzut	nesatisfăcător
$\operatorname {cos} \varphi$	0,95…1	0,8…0,95	0,65…0,8	0,5…0,65	0…0,5
$\lambda$	95…100%	80…95%	65…80%	50…65%	0...50%

Pentru aceeași putere de sarcină activă, puterea disipată inutil pe fire este invers proporțională cu pătratul factorului de putere. Astfel, cu cât factorul de putere este mai mic, cu atât calitatea consumului de energie electrică este mai scăzută. Pentru a îmbunătăți calitatea consumului de energie, sunt utilizate diferite metode pentru a corecta factorul de putere , adică pentru a-l crește la o valoare apropiată de unitate.

De exemplu, majoritatea corpurilor de iluminat vechi cu lămpi fluorescente pentru aprindere și întreținere a arderii folosesc balasturi electromagnetice (EMPRA), caracterizate printr-un factor de putere scăzut, adică un consum de energie ineficient. Multe lămpi fluorescente compacte („economisire a energiei”) cu balasturi electronice se caracterizează, de asemenea, printr-un factor de putere scăzut (0,5 ... 0,65). Dar produse similare de la producători cunoscuți, precum majoritatea corpurilor moderne, conțin circuite de corectare a factorului de putere, iar pentru ei valoarea este aproape de 1, adică de valoarea ideală. $\operatorname {cos} \varphi$

Nesinusoidal

Calitatea scăzută a consumatorilor de energie electrică asociată cu prezența puterii de distorsiune în sarcină, adică o sarcină neliniară (mai ales atunci când este pulsată), duce la o distorsiune a formei sinusoidale a tensiunii de alimentare. Non-sinusoidalitatea este un tip de distorsiune neliniară a tensiunii într-o rețea electrică, care este asociată cu apariția armonicilor în compoziția tensiunii cu frecvențe care sunt de multe ori mai mari decât frecvența rețelei principale. Armonicile de tensiune mai mare au un impact negativ asupra funcționării sistemului de alimentare cu energie electrică, provocând pierderi active suplimentare în transformatoare, mașini electrice și rețele; creșterea ratei accidentelor în rețelele de cablu.

Sursele de armonici de curent și tensiune mai mari sunt consumatori de energie cu sarcini neliniare. De exemplu, redresoare de curent alternativ puternice utilizate în industria metalurgică și în transportul feroviar, lămpi cu descărcare în gaz, surse de alimentare comutatoare etc.

Corecția factorului de putere

Corecția factorului de putere ( PFC) este procesul de aducere a consumului unui dispozitiv final cu un factor de putere scăzut atunci când este alimentat de la o rețea de curent alternativ într-o stare în care factorul de putere îndeplinește standardele acceptate.

Sarcinile nerezistive duc la deteriorarea factorului de putere (o modificare a curentului consumat disproporționat față de tensiunea aplicată): reactiv și neliniar. Sarcinile reactive sunt corectate prin reactivitate externă, pentru ele este determinată valoarea . Corecția neliniară a sarcinii este implementată tehnic sub forma unuia sau altui circuit suplimentar la intrarea dispozitivului. $\cos \varphi$

Această procedură este necesară pentru utilizarea uniformă a puterii de fază și pentru a evita supraîncărcarea firului neutru al unei rețele trifazate . Deci, este obligatoriu pentru comutarea surselor de alimentare cu o putere de 100 de wați sau mai mult. . Compensarea asigură absența supratensiunilor de consum de curent în partea de sus a sinusoidei tensiunii de alimentare și o sarcină uniformă pe linia de alimentare.

Varietăți de corecție a factorului de putere

Corectarea componentei reactive a consumului total de energie al dispozitivului. Se realizează prin includerea unui element reactiv în circuit care produce efectul opus. De exemplu, pentru a compensa acțiunea unui motor de curent alternativ cu o componentă reactivă inductivă mare de putere maximă, un condensator este conectat în paralel cu circuitul de putere . La scara întreprinderii , băncile de condensatoare și alte dispozitive de compensare sunt folosite pentru a compensa puterea reactivă .
Corectarea neliniarității consumului de curent în perioada de fluctuații ale tensiunii de alimentare. Dacă sarcina atrage curent în mod disproporționat față de tensiunea aplicată, este necesar un circuit de corectare a factorului de putere pasiv (PPFC) sau activ (APFC) pentru a îmbunătăți factorul de putere. Cel mai simplu corector pasiv al factorului de putere este o bobina de inductanță mare conectată în serie cu sarcina alimentată. Inductorul efectuează netezirea consumului de sarcină de impuls și selectarea celui mai mic, adică principalul armonic al consumului de curent, care este ceea ce este necesar (deși acest lucru se realizează în detrimentul formei tensiunii furnizate la intrarea rețelei). dispozitiv). Corecția activă a factorului de putere, cu prețul unei complicații a circuitului dispozitivului, este capabilă să ofere cea mai bună calitate a corecției, aducând factorul de putere mai aproape de 1.