для чего и как повышают cos потребителей электроэнергии
Почему необходимо повышать коэффициент мощности?
Коррекция коэффициента мощности
Коэффициент мощности – это отношение полезной (активной) мощности к полной (кажущейся) мощности, потребляемой электрооборудованием объекта или электроустановкой. Он является мерой эффективности преобразования электрической энергии в полезную работу. Идеальное значение коэффициента мощности равно единице. Любая величина, меньшая, чем единица, означает, что для получения желаемого результата необходима дополнительная мощность.
Протекание токов приводит к потерям в генерирующих мощностях и распределительной системе. Нагрузка с коэффициентом мощности 1,0 наиболее эффективно загружает источник, а нагрузка с коэффициентом мощности, к примеру, 0,8 является причиной больших потерь в системе и более высоких расходов на электроэнергию. 
Сравнительно небольшое улучшение коэффициента мощности может привести к значительному снижению потерь, так как они пропорциональны квадрату тока.
Если коэффициент мощности меньше единицы, это указывает на присутствие так называемой реактивной мощности. Она требуется для получения магнитного поля, необходимого для работы двигателей и других индуктивных нагрузок. Реактивная мощность, которую также можно назвать бесполезной мощностью или мощностью намагничивания, создаёт дополнительную нагрузку на систему электропитания и увеличивает затраты потребителя за электроэнергию.
Низкий коэффициент мощности обычно является результатом сдвига фаз между напряжением и током на выводах нагрузки. Также его причиной может стать высокое содержание гармоник, то есть сильно искажённая форма тока. Коэффициент мощности чаще всего понижается из-за наличия индуктивных нагрузок: асинхронных двигателей, силовых трансформаторов, ПРА люминесцентных ламп, сварочных установок и дуговых печей. Искажения формы тока могут быть результатом работы выпрямителей, преобразователей, регулируемых приводов, импульсных источников питания, газоразрядных ламп или других электронных нагрузок.
Низкий коэффициент мощности из-за индуктивных нагрузок может быть улучшен с помощью оборудования коррекции коэффициента мощности, а низкий коэффициент мощности из-за искажения формы тока требует изменения конструкции оборудования или установки фильтров гармоник. Некоторые преобразователи позиционируются как имеющие коэффициент мощности выше 0,95, тогда как на самом деле их реальный коэффициент мощности находится в пределах от 0,5 до 0,75. Значение 0,95 основано на косинусе угла между напряжением и током и не учитывает провалы в форме тока, которые также приводят к увеличению потерь.
Для работы индуктивной нагрузки необходимо магнитное поле, для создания которого требуется ток, отстающий по фазе от напряжения. Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это процесс компенсации отставания тока путём генерации опережающего тока при подключении конденсаторов к системе электроснабжения. При этом величина подключаемой ёмкости выбирается таким образом, чтобы коэффициент мощности был максимально возможно близким к единице.
Подробнее о коэффициенте мощности
Представим себе однофазный асинхронный двигатель. Если он является чисто резистивной нагрузкой для источника, ток будет в фазе с напряжением. Но так не бывает. Двигатель имеет магнитную систему, и ток намагничивания находится не в фазе с напряжением. Ток намагничивания – это ток, который определяет магнитный поток в сердечнике. Будучи не в фазе с напряжением, он заставляет поворачиваться вал двигателя. Ток намагничивания не зависит от нагрузки двигателя, его величина обычно находится в пределах от 20 до 60% от номинального тока двигателя при полной нагрузке, и он не вносит вклад в выполнение двигателем полезной работы.
Рассмотрим двигатель с током потребления 10 А и коэффициентом мощности 0,75. В этом случае полезный ток равен 7,5 А. Полезная мощность двигателя равна 230 х 7,5 = 1,725 кВт, однако общая потребляемая мощность составляет 230 х 10 = 2,3 кВт. Без коррекции коэффициента мощности для получения требуемой мощности 1,725 кВт (7,5 А) должна подаваться мощность 2,3 кВА (10 А). То есть потребляется ток 10 А, но полезную работу выполняют только 7,5 А.
Коэффициент мощности можно определить двумя способами:
Коррекция коэффициента мощности
Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это название технологии, которая используется с начала 20 века для восстановления значения коэффициента мощности до значения, как можно более близкого к единице. Это обычно достигается подключением к сети конденсаторов, которые компенсируют потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками и таким образом снижают нагрузку на источник. При этом не должно быть никакого влияния на работу оборудования.
Обычно для уменьшения потерь в системе распределения и снижения расходов на электроэнергию производится компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов, которые подключаются к сети для максимально возможной компенсации тока намагничивания. Через конденсаторы, содержащиеся в большинстве устройств компенсации реактивной мощности, проходит ток, который опережает по фазе напряжение, обеспечивая таким образом опережающий коэффициент мощности. Если конденсаторы подключаются к цепи, которая работает при отстающем коэффициенте мощности, это отставание соответственно уменьшается.
Обычно значение скорректированного коэффициента мощности находится в пределах от 0,92 до 0,95. Некоторые распределительные энергокомпании поощряют работу при коэффициенте мощности, к примеру, больше 0,9, а некоторые штрафуют потребителей за низкий коэффициент мощности. Имеется много методов достижения данной цели, суть которой сводится к тому, что для снижения потерь энергии в системе распределения потребителю рекомендуется применять коррекцию коэффициента мощности. В настоящее время большинство сетевых компаний штрафуют потребителей при коэффициенте мощности ниже 0,95 или 0,9.
Необходимость повышения коэффициента мощности
При должным образом выполненной коррекции коэффициента мощности достигаются следующие преимущества:
Методы улучшения коэффициента мощности
Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) достигается установкой конденсаторов параллельно двигателю или схеме освещения, которые могут устанавливаться на оборудовании, распределительном щите или на вводе в электроустановку.
Статическая компенсация реактивной мощности может быть достигнута для каждого отдельного двигателя при подключении компенсирующих конденсаторов к пускателю двигателя. При этом при изменении нагрузки 
двигателя может наблюдаться недо- или перекомпенсация. Статическая компенсация реактивной мощности не должна применяться на выходе регулируемого привода, электронного устройства плавного пуска или преобразователя, так как конденсаторы могут стать причиной выхода из строя электронных компонентов.
При правильно рассчитанной компенсации реактивной мощности не должно быть перекомпенсации. Обычно компенсация реактивной мощности отдельного двигателя рассчитывается исходя из реактивной (намагничивающей) мощности, так как она сравнительно постоянна в отличие от активной мощности, это позволит избежать перекомпенсации.
При применении управления компенсацией реактивной мощности в схеме звезда/треугольник необходимо обратить внимание на то, чтобы конденсаторы не работали в режиме частого подключения и отключения. Обычно устройство компенсации подключается к сети или цепям контактора переключения на треугольник. Устройство компенсации реактивной мощности, подключаемое на вводе электроустановки, состоит из контроллера, измеряющего реактивную мощность и коммутирующего конденсаторы для поддержания значения коэффициента мощности выше заданного значения (обычно 0,95). При применении общей компенсации реактивной мощности другие нагрузки теоретически могут устанавливаться в любом месте сети.
Коэффициент мощности косинус фи — наглядное объяснение простыми словами.
Многие из вас наверняка видели на электроинструментах, двигателях, а также люминесцентных лампах, лампах ДРЛ, ДНАТ и других, такие надписи как косинус фи — cos ϕ.
Однако люди далекие от электротехники и позабывшие школьные уроки физики, не совсем понимают, что же означает данный параметр и зачем он вообще нужен.
Предположим перед вами есть 2 проводника. Один из этих проводников имеет потенциал. Не суть важно какой именно — отрицательный (минус) или положительный (плюс).
У другого провода вообще нет никакого потенциала. Соответственно между этими двумя проводниками будет разность потенциалов, т.к. у одного он есть, а у другого его нет.
Если вы соедините кончики двух проводов не непосредственно между собой, а через лампочку накаливания, то через ее вольфрамовую нить начнет протекать ток. От одного провода к другому.
В какой-то момент он его достигает и держится на этом уровне постоянно. То же самое будет, если подключить не одну, а две, три лампочки и т.д.
А что случится, если вместе с лампой последовательно включить катушку, намотанную из множества витков проволоки?
Изменится ли как-то процесс нарастания тока? Конечно, да.
Данная катушка индуктивности, заметно затормозит время увеличения тока от нуля до максимума. Фактически получится, что максимальное напряжение (разность потенциалов) на лампе уже есть, а вот ток поспевать за ним не будет.
Его нарастание слишком медленное. Из-за чего это происходит и кто виноват? Виноваты витки катушки, которые оказывают влияние друг на друга и тормозят ток.
Если у вас напряжение постоянное, например как в аккумуляторах или в батарейках, ток относительно медленно, но все-таки успеет дорасти до своего номинального значения.
А далее, ток будет вместе с напряжением идти, что называется «нога в ногу».
А вот если взять напряжение из розетки, с переменной синусоидой, то здесь оно не постоянно и будет меняться. Сначала U какое-то время положительная величина, а потом — отрицательная, причем одинаковое по амплитуде. На рисунке это изображается в виде волны.
Эти постоянные колебания не дают нашему току, проходящему сквозь катушку, достигнуть своего установившегося значения и догнать таки напряжение. Только он будет подбираться к этой величине, а напряжение уже начинает падать.
Причем, чем больше в катушке намотано витков, тем большим будет это самое запаздывание.
Как же это все связано с косинусом фи — cos ϕ?
А связано это таким образом, что данное отставание тока измеряется углом поворота. Полный цикл синусоиды или волны, который она проходит от нуля до нуля, вместив в себя максимальное и минимальное значение, измеряется в градусах. И один такой цикл равен 360 градусов.
А вот угол отставания тока от напряжения, как раз таки и обозначается греческой буквой фи. Значение косинуса этого угла опаздывания и есть тот самый cos ϕ.
Таким образом, чем больше ток отстает от напряжения, тем большим будет этот угол. Соответственно косинус фи будет уменьшаться.
По научному, ток сдвинутый от напряжения называется фазовым сдвигом. При этом почему-то многие уверены, что синусоида всегда идеальна. Хотя это далеко не так.
В качестве примера можно взять импульсные блоки питания.
Не идеальность синусоиды выражается коэфф. нелинейных искажений — КНИ. Если сложить две эти величины — cos ϕ и КНИ, то вы получите коэффициент мощности.
Однако, чтобы все не усложнять, чаще всего под понятием коэфф. мощности имеют в виду только лишь один косинус фи.
На практике, данный коэффициент мощности рассчитывают не при помощи угла сдвига фаз, а отношением активной мощности к полной.
Существует такое понятие как треугольник мощностей. Сам косинус — это тригонометрическая функция, которая и появилась при изучении свойств прямоугольных треугольников.
Она здорово помогает производить определенные вычисления с ними. Например, наглядно показывает отношение длин прилежащего катета (P-активная мощность) к гипотенузе (S-полная мощность).
То есть, зная угол сдвига, можно узнать, сколько активной мощности содержится в полной. Чем меньше этот угол, тем меньше реактивной составляющей находится в сети, и наоборот.
В КПД все более четко — полезная мощность используется на нагрев — охлаждение — механическую работу, остальное уходит безвозвратно. Эта разница и показывается в КПД.
Более подробно, с графиками, рисунками и простыми словами, без особых научных формулировок обо всем этом говорится в ролике ниже.
Рассмотренное запаздывание тока относительно напряжения — это не хорошее явление. Как оно может сказаться на ваших лампочках или проводке?
Часть энергии будет просто «болтаться» в катушке, при этом не принося никакой пользы. Правда не пугайтесь, ваш бытовой счетчик реактивную энергию не считает и платить вы за нее не будете.
Например, если вы включите в розетку инструмент или светильник с полной мощностью 100Ва, на блоке питания которого будет указано cos ϕ=0,5. То прибор учета накрутит вам только на половину от этой величины, то есть 50Вт.
Вот известное наглядное видео, демонстрирующее последствия этого для проводки.
Казалось бы, выбрось катушку и вся проблема исчезнет. Однако делать этого нельзя.
В большинстве светильников, лампы работают не отдельно, а в паре с источниками питания. И в этих самых источниках, как раз таки присутствуют разнообразные катушки.
Катушки просто необходимы как функциональная часть всей схемы и избавиться от них не получится. Например в тех же дроссельных лампах ДРЛ, ДНАТ, люминесцентных и т.п.
Поэтому характеристика коэфф. мощности, здесь больше относится к блоку питания, нежели к самой лампе. Данный cos ϕ может принимать значение от ноля до единицы.
Чем выше коэффициент мощности, тем ниже потери электроэнергии. Вот таблица косинуса фи для различных потребителей:
Если вы не знаете точный коэфф. мощности своего прибора, или его нет на бирке, можно ли измерить косинус фи в домашних условиях, не прибегая к различным формулам и вычислениям? Конечно можно.
Подключая любое оборудование через него, можно легко без замеров и сложных вычислений, узнать фактический cos ϕ.
Зачастую, фактические данные могут быть даже точнее, чем написанные на шильдике, которые рассчитаны для идеальных условий.
Если он слишком низкий, что делать, чтобы привести его значение как можно ближе к единице? Можно это дело определенным образом компенсировать. Например, с помощью конденсаторов.
Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока
Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных двигателей, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток необходим для создания вращающегося магнитного поля у электрических машин и переменного магнитного потока трансформаторов.
Активная мощность таких потребителей при заданных значениях тока и напряжения зависит от cos φ:
Снижение коэффициента мощности приводит к увеличению тока.
Косинус фи особенно сильно снижается при работе двигателей и трансформаторов вхолостую или при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей используется не полностью. С уменьшением cos φ значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов и катушек электрических аппаратов.
Потери на нагрев проводов сети и обмоток генератора (трансформатора) Pнагр = I 2 сети х Rсети пропорциональны квадрату тока, то есть они возрастают в 1,25 2 = 1,56 раза.
При cos φ = 0,5 сила тока в сети при той же активной мощности равна 100 / 0,5 = 200 А, а потери в сети возрастают в 4 раза (!). Возрастают потери напряжения в сети, что нарушает нормальную работу других потребителей.
Счетчик потребителя во всех случаях отсчитывает одно и то же количество потребляемой активной энергии в единицу времени, но в последнем случае генератор подает в сеть силу тока, в 2 раза большую, чем в первом. Нагрузка же генератора (тепловой режим) определяется не активной мощностью потребителей, а полной мощностью в киловольт-амперах, то есть произведением напряжения на силу тока, протекающего по обмоткам.
Если обозначить сопротивление проводов линии R л, то потери мощности в ней можно определить так:
Таким образом, чем выше потребителя, тем меньше потери мощности в линии и дешевле передача электроэнергии.
Следовательно, повышение коэффициента мощности увеличивает степень использования мощности генераторов.
1) заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности,
2) понижением напряжения
3) выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу,
4) включением в сеть специальных компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.
Для компенсации cos φ в электрических установках до нескольких сотен кВА применяют косинусные конденсаторы. Их выпускают на напряжение от 0,22 до 10 кВ.
При построении векторной диаграммы в качестве исходного вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный характер, то вектор тока I 1 отстает от вектора напряжения на угол φ 1 I а совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока I р отстает от него на 90° (рис. 2 б).
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Коэффициент мощности cos φ: определение, назначение, физический смысл
Коэффициент 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.
В этой статье мы рассмотрим физическую сущность и основные методы определения cos φ.
Математически cos φ
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.
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.
Короткое видео о кратким объяснением, 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:
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.
Основные способы коррекции cos φ
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.
Подробное видео с объяснением, что такое cosφ :