Серия APFC/PFI, часть I: Что такое коэффициент мощности?

Это отправная точка для понимания конденсаторных батарей и панелей APFC или PFI.
В этой статье мы подробно рассмотрим коэффициент мощности и раскроем факт: низкий коэффициент мощности — это не просто вид потерь. На самом деле он вызван «несоответствием», либо опережающим, либо отстающим.

В будущих статьях мы обсудим дополнительные аспекты APFC/PFI. Также более подробно рассмотрим такие темы, как магнитные поля, в других сериях.

Двигатель может производить требуемую механическую мощность, но ток, протекающий по кабелю, всё равно может быть намного выше ожидаемого.

Почему?

Потому что в системе переменного тока ток может выполнять две функции:

1. Передача энергии, которая превращается в механическую работу, тепло или свет.
2. Создание и разрушение магнитных или электрических полей внутри оборудования.

Коэффициент мощности показывает, какая часть электрической мощности, подаваемой на нагрузку, преобразуется в активную мощность.

кВт, кВАр и кВА

Чтобы понять коэффициент мощности, необходимо разделить три типа электрической мощности.

Термин	Название	Значение
кВт	Активная мощность	Мощность, преобразованная в полезную работу, тепло, свет, движение и потери в оборудовании
кВАр	Реактивная мощность	Мощность, обмениваемая с магнитными или электрическими полями
кВА	Полная мощность	Общая электрическая мощность, переносимая системой

Для синусоидальной системы:

кВА² = кВт² + кВАр²

Это соотношение часто изображается в виде треугольника мощностей:

Чем больше составляющая реактивной мощности, тем больше кВА требуется для передачи той же мощности в кВт.

Что такое коэффициент мощности?

Коэффициент мощности — это отношение активной мощности к полной мощности:

Коэффициент мощности = Активная мощность ÷ Полная мощность

Или:

PF = кВт ÷ кВА

Значение обычно находится в диапазоне от 0 до 1.

Коэффициент мощности, равный 1, означает, что вся полная мощность, подаваемая на нагрузку, преобразуется в активную мощность.

Коэффициент мощности 0,8 означает, что система должна обеспечить 100 кВА для передачи 80 кВт активной мощности.

В этом случае реактивная мощность составляет 60 кВАр, потому что:

100² = 80² + 60²

В синусоидальной системе оставшаяся составляющая — это 60 кВАр реактивной мощности. Она представляет собой энергию, перемещающуюся туда и обратно между источником и нагрузкой, а не энергию, постоянно потребляемую нагрузкой. Нелинейные нагрузки также могут снижать коэффициент мощности за счёт искажения формы волны тока, что будет обсуждаться позже.

Активная мощность: кВт

Электродвигатель также потребляет некоторую активную мощность через потери в меди, потери в стали, трение и вентиляцию. Следовательно, не вся активная мощность превращается в полезную механическую работу, но это всё равно реальная энергия, потребляемая нагрузкой.

Реактивная мощность: кВАр

Этот обмен повторяется непрерывно.

Таким образом, реактивная мощность не является воображаемой или ненужной. Двигателю необходимо его магнитное поле. Проблема в том, что когда реактивный ток поступает из вышестоящей сети, он должен проходить через трансформатор, распределительное устройство, шины, кабели и автоматические выключатели.

Эти компоненты должны пропускать ток, даже если эта часть тока не создаёт чистую механическую работу.

Полная мощность: кВА

Может ли коэффициент мощности достичь 1?

Естественный коэффициент мощности самой нагрузки

Коэффициент мощности, равный 1, физически возможен. Идеальная резистивная нагрузка не имеет потребности в реактивной мощности, поэтому её активная мощность и полная мощность равны.

Однако асинхронный двигатель сам по себе обычно не может достичь коэффициента мощности, равного 1, потому что ему всегда требуется ток намагничивания для создания вращающегося магнитного поля.

После добавления конденсаторной компенсации

Конденсаторная батарея может компенсировать индуктивный реактивный ток двигателя. При определённом режиме нагрузки комбинированная система двигатель-конденсатор может поэтому иметь коэффициент мощности очень близкий к 1 при измерении от вышестоящего источника питания.

Поддержание точно 1,00 на практике затруднительно, поскольку промышленные нагрузки постоянно меняются, а конденсаторные батареи переключаются фиксированными ступенями. Гармонические искажения также могут удерживать истинный коэффициент мощности ниже 1, даже когда напряжение и основной ток тесно согласованы.

По этой причине система APFC обычно проектируется для поддержания стабильного высокого коэффициента мощности, часто около 0,95–0,99, а не для постоянного достижения точно 1,00. Небольшой отстающий запас также помогает предотвратить избыточную компенсацию и опережающий коэффициент мощности.

Коэффициент мощности, фазовый угол и опережающее или отстающее направление

Коэффициент мощности имеет как величину, так и направление.

Величина показывает, насколько ток смещён относительно напряжения. Направление показывает, опережает ли ток напряжение или отстаёт от него.

Для синусоидальной системы переменного тока без значительных гармонических искажений:

PF = cos φ

Здесь φ — фазовый угол между напряжением и током одной фазы.

Например:

• Ток на 37° позади напряжения означает 0,80 отстающий
• Ток на 37° впереди напряжения означает 0,80 опережающий

Оба имеют одинаковую величину коэффициента мощности, потому что:

cos 37° ≈ 0,80

Это похоже на −1 и +1. Оба находятся на расстоянии одной единицы от нуля, но указывают в противоположных направлениях.

Ток относительно напряжения	Коэффициент мощности
На 37° позади	0,80 отстающий
Согласован	1.00
На 37° впереди	0,80 опережающий

Отстающий коэффициент мощности

В индуктивной нагрузке ток достигает той же точки в своём цикле позже, чем напряжение. Следовательно, ток отстаёт от напряжения.

Распространённые индуктивные нагрузки включают:

• Асинхронные двигатели
• Трансформаторами
• Реакторы
• Соленоиды
• Магнитные балласты

Эти нагрузки временно накапливают энергию в магнитных полях, вызывая смещение формы волны тока позади формы волны напряжения.

Опережающий коэффициент мощности

В ёмкостной нагрузке ток достигает той же точки в своём цикле раньше, чем напряжение. Следовательно, ток опережает напряжение.

Конденсаторные батареи создают опережающий реактивный ток, который может компенсировать часть отстающего реактивного тока, потребляемого двигателями и трансформаторами.

Отстающий коэффициент мощности обычно означает, что система преимущественно состоит из индуктивных нагрузок.

Опережающий коэффициент мощности обычно означает, что система преимущественно состоит из ёмкостных нагрузок или была избыточно компенсирована конденсаторной батареей.

Когда напряжение и ток идеально согласованы:

φ = 0°

Следовательно:

PF = 1

По мере увеличения величины фазового угла величина коэффициента мощности уменьшается.

Не путайте этот угол с углом 120° между тремя фазами

В сбалансированной трёхфазной системе напряжения фазы A, фазы B и фазы C разделены друг от друга на 120°.

Это разделение на 120° является нормальной особенностью трёхфазного питания. Оно не снижает коэффициент мощности.

Коэффициент мощности определяется путём сравнения напряжения каждой фазы с соответствующим током фазы:

• Напряжение фазы A с током фазы A
• Напряжение фазы B с током фазы B
• Напряжение фазы C с током фазы C

Для сбалансированной резистивной нагрузки три напряжения по-прежнему разделены на 120°, но ток каждой фазы согласован со своим собственным напряжением. Следовательно, угол напряжение–ток составляет 0°, а коэффициент мощности равен 1.

Для сбалансированного двигателя три тока также могут оставаться разделёнными друг от друга на 120°, в то время как каждый ток отстаёт от соответствующего напряжения на 37°.

В этом случае:

PF ≈ 0,80 отстающий

Ключевой момент:

Угол 120° описывает разделение между тремя фазами. Угол коэффициента мощности φ описывает смещение между напряжением и током на одной фазе.

В двигателе это фазовое смещение вызвано током намагничивания, необходимым для создания магнитного поля.

Фазовое смещение не представляет собой непосредственно потерянную энергию. Однако оно означает, что для передачи той же активной мощности требуется больший общий ток. Этот более высокий ток создаёт дополнительные потери в кабелях, трансформаторах, шинах и распределительных устройствах.

Почему низкий коэффициент мощности является проблемой?

Больше тока

Низкий коэффициент мощности означает, что электрическая система должна пропускать больше тока для передачи той же активной мощности.

Рассмотрим трёхфазную нагрузку, которая требует 100 кВт при 400 В:

Ток = кВт × 1000 ÷ (√3 × Напряжение × Коэффициент мощности)

Коэффициент мощности	Активная мощность	Полная мощность	Приблизительный ток
1.00	100 кВт	100 кВА	144 А
0.80	100 кВт	125 кВА	180 А
0.60	100 кВт	167 кВА	241 А

Нагрузка получает 100 кВт в каждом случае. Однако при коэффициенте мощности 0,60 электрическая система должна пропускать приблизительно 241 А вместо 144 А.

Этот дополнительный ток влияет на всю вышестоящую систему.

Более высокий ток вызывает больше потерь

Потери в кабелях и шинах связаны с квадратом тока:

Потери = I²R

Это означает, что потери увеличиваются намного быстрее, чем ток.

Например, когда ток увеличивается на 25%, потери в проводниках увеличиваются приблизительно на 56%, при условии, что сопротивление остаётся неизменным.

Дополнительные потери проявляются главным образом в виде тепла в:

• Кабелях
• Шины
• Обмотках трансформатора
• Генераторами
• Соединениях распределительного устройства

Более высокий ток использует больше мощности системы

Трансформаторы, генераторы, системы ИБП, кабели, автоматические выключатели, шины и распределительные устройства должны выбираться в соответствии с током или кВА, которые они пропускают, а не только в соответствии с активной мощностью, передаваемой нагрузке.

Например, трансформатор мощностью 1000 кВА, питающий нагрузки с коэффициентом мощности 0,80, теоретически может передать только около 800 кВт до достижения своей полной номинальной мощности в кВА.

При коэффициенте мощности 0,95 тот же трансформатор может поддерживать приблизительно 950 кВт при тех же упрощённых условиях.

Таким образом, низкий коэффициент мощности занимает мощность системы, которая в противном случае могла бы использоваться для питания дополнительных активных нагрузок.

Более высокий ток также может вызвать:

• Большее падение напряжения
• Больше нагрева
• Более высокие требования к оборудованию
• Снижение доступной мощности трансформатора и генератора
• Платежи за реактивную энергию или потребление кВА от энергоснабжающей организации

Улучшение коэффициента мощности экономит электроэнергию

Улучшение коэффициента мощности может сэкономить электроэнергию, поскольку оно снижает ток и, следовательно, уменьшает потери в кабелях, трансформаторах и другом вышестоящем оборудовании.

Однако оно не снижает мощность, требуемую самой машиной.

Например, насос, которому требуется 50 кВт, по-прежнему будет нуждаться примерно в 50 кВт после коррекции коэффициента мощности. Экономия достигается за счёт уменьшения дополнительной мощности, которая ранее терялась в виде тепла в электрической системе.

На коэффициент мощности также могут влиять гармоники

В простой синусоидальной системе коэффициент мощности в основном зависит от фазового угла между напряжением и током.

Однако нелинейное оборудование, такое как частотно-регулируемые приводы, выпрямители, системы ИБП и драйверы светодиодов, может искажать форму волны тока. В этих системах коэффициент мощности может быть снижен не только опережающим или отстающим фазовым сдвигом, но и гармоническими искажениями.

Будущая статья в этой серии APFC/PFI объяснит гармонические искажения и их влияние на коэффициент мощности более подробно.

Заключение

Коэффициент мощности описывает, какая полная мощность требуется для передачи определённого количества активной мощности.

Низкий коэффициент мощности не обязательно означает, что двигатель производит меньшую мощность. Это означает, что через электрическую систему должен протекать больший ток для передачи той же активной мощности.

Для двигателей и трансформаторов реактивный ток необходим для создания магнитных полей. Но когда этот реактивный ток полностью поступает из вышестоящей сети, он занимает мощность трансформатора, кабеля, шин и распределительного устройства и создаёт дополнительные потери.

Это приводит к основной цели коррекции коэффициента мощности:

Обеспечить часть требуемого реактивного тока локально, чтобы меньшая его часть должна была проходить через вышестоящую электрическую систему.

В следующей части этой серии будет объяснено, как конденсатор выполняет эту функцию и почему он может уменьшить реактивный ток, потребляемый от источника.

Часто задаваемые вопросы

Нет. Коэффициент мощности и КПД — это разные измерения. Коэффициент мощности 0,8 означает, что активная мощность составляет 80% от полной мощности. Это не означает, что 20% входной энергии обязательно теряется.

Да. При одинаковых напряжении и активной мощности более низкий коэффициент мощности требует более высокого тока.

Слабонагруженный двигатель требует меньшего активного тока для создания крутящего момента, но ему по-прежнему необходим намагничивающий ток для поддержания своего магнитного поля. Следовательно, реактивный ток составляет большую долю от общего тока.

Нет. Реактивная мощность поддерживает магнитные и электрические поля, необходимые для двигателей, трансформаторов, конденсаторов и другого оборудования переменного тока. Проблема заключается в дополнительном токе, который она создает в распределительной системе.

Конденсатор, подключенный для коррекции коэффициента мощности, обычно снижает ток, потребляемый из вышестоящей сети. Он не устраняет потребность двигателя в намагничивающем токе. Вместо этого он обеспечивает часть этого тока локально.

Высокий отстающий коэффициент мощности обычно желателен, но чрезмерная компенсация конденсаторами может создать опережающий коэффициент мощности. Это может вызвать проблемы с регулированием напряжения, коммутацией или резонансом.

Она в основном снижает поток реактивного тока, системные потери и возможные штрафы от коммунальных служб. Она не снижает напрямую активную энергию, необходимую подключенному оборудованию.