Effektfaktor

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 29 mars 2021; kontroller kräver 2 redigeringar .

Effektfaktor är en dimensionslös fysisk storhet som kännetecknar en växelströmsförbrukare när det gäller närvaron av en reaktiv komponent i lasten och distorsionseffekten (samlingsnamnet är inaktiv effekt ). Begreppet " effektfaktor " bör särskiljas från begreppet " cosinus phi ", som är lika med cosinus för fasförskjutningen av växelströmmen som flyter genom lasten, i förhållande till spänningen som appliceras på den. Det andra konceptet används i fallet med sinusformad ström och spänning, och endast i detta fall är båda begreppen ekvivalenta.

Definition och fysisk betydelse

Effektfaktorn är lika med förhållandet mellan den aktiva effekten som förbrukas av konsumenten och den skenbara effekten . Aktiv kraft används för att utföra arbete . När det gäller sinusformad ström och spänning är skenbar effekt den geometriska summan av aktiv och reaktiv effekt. Med andra ord är det lika med kvadratroten av summan av kvadraterna av aktiv och reaktiv effekt. I allmänhet kan skenbar effekt definieras som produkten av de effektiva (rms) värdena för ström och spänning i kretsen. Det är vanligt att använda volt-ampere (V∙A) istället för watt (W) som enhet för skenbar effekt .

Inom elkraftindustrin accepteras beteckningarna för effektfaktorn (var är fasförskjutningen mellan ström och spänning ) eller . När den används för att beteckna effektfaktor uttrycks dess värde vanligtvis i procent. $\operatörsnamn {cos} \varphi$ $\varphi$ $\lambda$ $\lambda$

Enligt Cauchy-Bunyakovsky-ojämlikheten överstiger den aktiva effekten, lika med medelvärdet av produkten av ström och spänning, alltid inte produkten av motsvarande rot-medelkvadratvärden. Därför tar effektfaktorn värden från noll till ett (eller från 0 till 100%).

Effektfaktorn kan matematiskt tolkas som cosinus för vinkeln mellan ström- och spänningsvektorerna (i allmänhet oändligt dimensionell). Därför, i fallet med sinusformad spänning och ström, sammanfaller värdet på effektfaktorn med cosinus för vinkeln med vilken motsvarande faser ligger efter.

I fallet med en sinusformad spänning men en icke-sinusformad ström, om belastningen inte har en reaktiv komponent, är effektfaktorn lika med proportionen av effekten av den första övertonen av strömmen i den totala effekten som förbrukas av belastningen .

I närvaro av en reaktiv komponent i lasten, förutom värdet på effektfaktorn, anges ibland också lastens natur: aktiv-kapacitiv eller aktiv-induktiv. I detta fall kallas effektfaktorn för ledande respektive eftersläpande.

Tillämpad mening

Det kan visas att om en last är ansluten till en sinusformad spänningskälla (till exempel ett uttag ~ 230 V, 50 Hz ), där strömmen leder eller släpar i fas med en viss vinkel från spänningen, så ökar effekten frigörs på källans inre aktiva motstånd . I praktiken innebär detta att vid drift på en last med en reaktiv komponent krävs mer värme från kraftverket än vid drift på en resistiv last; överskottet av överförd energi frigörs som värme i ledningarna, och i skalan för till exempel ett företag kan förlusterna vara ganska betydande.

Blanda inte ihop effektfaktor och belastningsfaktor (COP). Effektfaktorn har praktiskt taget ingen effekt på energiförbrukningen för själva enheten som är ansluten till nätverket, men den påverkar energiförlusten i ledningarna som går till den, såväl som på platser för energigenerering eller omvandling (till exempel vid transformatorstationer) ). Det vill säga att elmätaren i lägenheten praktiskt taget inte kommer att svara på enheternas effektfaktor, eftersom endast den el som gör jobbet (den aktiva komponenten av lasten) betalas. Samtidigt beror den aktiva effekten som förbrukas av den elektriska apparaten direkt på effektiviteten . Till exempel förbrukar ett kompaktlysrör ("energisparande") ca 1,5 gånger mer energi än en lika stark LED-lampa . Detta beror på den senares högre effektivitet . Men oavsett detta kan var och en av dessa lampor ha både låg och hög effektfaktor, vilket bestäms av kretsen som används.

Matematiska beräkningar

Effektfaktorn måste beaktas vid utformning av elektriska nät. En låg effektfaktor leder till att andelen elförluster i elnätet av de totala förlusterna ökar. Om dess minskning orsakas av den icke-linjära, och särskilt den impulsiva karaktären hos lasten, leder detta dessutom till distorsion av spänningsvågformen i nätverket. För att öka effektfaktorn används kompenserande enheter . En felaktigt beräknad effektfaktor kan leda till överdriven strömförbrukning och minska effektiviteten hos elektrisk utrustning som drivs av detta nätverk.

För beräkningar i fallet med övertonsvariabler (spänning) och (ström), används följande matematiska formler: $U$ $jag$

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

Här - aktiv effekt, - skenbar effekt, - reaktiv effekt, - distorsionseffekt. $P$ $S$ $F$ $T$

Typiska bedömningar av strömförbrukningens kvalitet

Effektfaktorvärde _ _	hög	Bra	Tillfredsställande	Låg	otillfredsställande
$\operatörsnamn {cos} \varphi$	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 %

För samma aktiva belastningseffekt är effekten som förbrukas värdelöst på ledningarna omvänt proportionell mot kvadraten på effektfaktorn. Alltså, ju lägre effektfaktor, desto lägre kvalitet på elförbrukningen. För att förbättra kvaliteten på energiförbrukningen används olika metoder för att korrigera effektfaktorn , det vill säga att öka den till ett värde nära enhet.

Till exempel använder de flesta gamla armaturer med lysrör för tändning och underhåll av förbränning elektromagnetiska förkopplingsdon (EMPRA), som kännetecknas av en låg effektfaktor, det vill säga ineffektiv energiförbrukning. Många kompaktlysrör ("energisparande") lampor med elektroniska förkopplingsdon kännetecknas också av en låg effektfaktor (0,5 ... 0,65). Men liknande produkter från välkända tillverkare, som de flesta moderna armaturer, innehåller effektfaktorkorrigeringskretsar, och för dem är värdet nära 1, det vill säga det idealiska värdet. $\operatörsnamn {cos} \varphi$

Icke-sinusformad

Den låga kvaliteten på elkonsumenter i samband med närvaron av distorsionskraft i lasten, det vill säga en icke-linjär last (särskilt när den är pulsad), leder till en förvrängning av matningsspänningens sinusformade form. Icke-sinusformad är en typ av icke-linjär spänningsdistorsion i ett elektriskt nätverk, som är associerad med uppkomsten av övertoner i spänningssammansättningen med frekvenser som är många gånger högre än huvudnätets frekvens. Övertoner med högre spänning har en negativ inverkan på driften av strömförsörjningssystemet, vilket orsakar ytterligare aktiva förluster i transformatorer, elektriska maskiner och nätverk; ökad olycksfrekvens i kabelnät.

Källor till högre ström- och spänningsövertoner är strömförbrukare med icke-linjära belastningar. Till exempel kraftfulla AC-likriktare som används inom den metallurgiska industrin och i järnvägstransporter, gasurladdningslampor, växlande strömförsörjning , etc.

Effektfaktorkorrigering

Effektfaktorkorrigering ( PFC) är processen att bringa förbrukningen av en slutenhet med låg effektfaktor när den drivs från ett växelströmsnät till ett tillstånd där effektfaktorn uppfyller accepterade standarder.

Icke-resistiva belastningar leder till försämring av effektfaktorn (en förändring i den förbrukade strömmen oproportionerligt till den applicerade spänningen): reaktiv och icke-linjär. Reaktiva belastningar korrigeras av extern reaktivitet, det är för dem som värdet bestäms . Icke-linjär lastkorrigering är tekniskt implementerad i form av en eller annan extra krets vid enhetens ingång. $\cos \varphi$

Denna procedur är nödvändig för enhetlig användning av faseffekten och för att undvika överbelastning av den neutrala ledningen i ett trefasnätverk . Så det är obligatoriskt att byta strömförsörjning med en effekt på 100 watt eller mer. . Kompensation säkerställer frånvaron av strömförbrukningsstötar vid toppen av matningsspänningen sinusformade och en enhetlig belastning på kraftledningen.

Variationer av effektfaktorkorrigering

Korrigering av den reaktiva komponenten av enhetens totala strömförbrukning. Det utförs genom att inkludera ett reaktivt element i kretsen som ger motsatt effekt. Till exempel, för att kompensera för verkan av en växelströmsmotor med en hög induktiv reaktiv komponent med full effekt, är en kondensator ansluten parallellt med strömkretsen . I företagsskala används banker av kondensatorer och andra kompenserande enheter för att kompensera för reaktiv effekt .
Korrigering av strömförbrukningens icke-linjäritet under perioden med fluktuationer i matningsspänningen. Om belastningen drar ström oproportionerligt till den pålagda spänningen, krävs en passiv (PPFC) eller aktiv effektfaktorkorrigeringskrets (APFC) för att förbättra effektfaktorn. Den enklaste passiva effektfaktorkorrigeraren är en höginduktansdrossel kopplad i serie med lasten som matas. Induktorn utför utjämning av impulsbelastningsförbrukningen och val av den lägsta, det vill säga den huvudsakliga övertonen av strömförbrukningen, vilket är vad som krävs (även om detta uppnås på bekostnad av spänningsformen som tillförs ingången till enhet). Aktiv effektfaktorkorrigering, till priset av en viss komplikation av enhetskretsen, kan ge den bästa korrigeringskvaliteten, vilket bringar effektfaktorn närmare 1.