Înțelegerea factorului de putere și modul în care acesta vă afectează facturile de energie

În afară de siguranță și fiabilitate, ar trebui urmărite alte câteva obiective, inclusiv eficiența, în proiectarea și implementarea sistemelor electrice. Una dintre măsurile de eficiență într-un sistem electric este eficiența cu care sistemul transformă energia pe care o primește în muncă utilă. Această eficiență este indicată de o componentă a sistemelor electrice cunoscută sub numele de factor de putere. Factorul de putere indică cât de mult puterea este, de fapt utilizat pentru a efectua o muncă utilă de o sarcină și cât de mult puterea este „pierdem“. Pe cât de trivial pare numele său, este unul dintre factorii majori care stau la baza facturilor mari de energie electrică și a întreruperilor de curent.

Pentru a putea descrie corect factorul de putere și semnificația sa practică, este important să vă reîmprospătați memoria despre diferitele tipuri de sarcini electrice și componente de energie care există.

Din clasele de electricitate de bază, sarcinile electrice sunt de obicei de două tipuri;

Sarcini rezistive
Sarcini reactive

1. Sarcini rezistive

Sarcini rezistive, după cum sugerează și numele, aceste sarcini sunt alcătuite din elemente pur rezistive. Pentru acest tip de sarcini (având în vedere condițiile ideale), toată puterea furnizată acestuia este disipată pentru lucru datorită faptului că curentul este în fază cu tensiunea. Un bun exemplu de încărcări rezistive include becurile și bateriile cu incandescență.

Componenta de putere asociată cu sarcinile rezistive este denumită Puterea reală. Această Putere Reală este, de asemenea, numită uneori ca Putere de lucru, Putere adevărată sau Putere reală. Dacă sunteți nou în domeniul curentului alternativ și vă simțiți confuz cu toate aceste forme de undă, atunci este recomandat să citiți despre elementele de bază ale CA pentru a înțelege modul în care funcționează curentul alternativ.

2. Sarcini reactive

În schimb, sarcinile reactive sunt puțin mai complexe. În timp ce provoacă o scădere a tensiunii și extrag curentul de la sursă, nu disipă nici o putere utilă ca atare, deoarece puterea pe care o trag din sursă nu funcționează. Aceasta este datorată naturii încărcărilor reactive.

Sarcinile reactive pot fi fie capacitive, fie inductive. În sarcinile inductive, puterea consumată este consumată la configurarea fluxului magnetic fără nici o muncă directă efectuată, în timp ce pentru sarcini capacitive, puterea este utilizată la încărcarea condensatorului și nu la producerea directă de lucru. Puterea astfel disipată în sarcini reactive este denumită putere reactivă. Sarcinile reactive se caracterizează prin curentul principal (sarcini capacitive) sau întârziat (sarcini inductive) în spatele tensiunii, ca atare, există o diferență de fază între curent și tensiune.

Cele două grafice de mai sus reprezintă o sarcină inductivă și capacitivă, în care factorul de putere este întârziat și, respectiv, conduce. Cele Variațiile în aceste două tipuri de conductori de la existența a trei componente de putere în sistemele electrice, și anume;

Puterea reală
Puterea reactivă
Putere aparentă

1. Puterea reală

Aceasta este puterea asociată cu sarcinile rezistive. Este componenta de putere disipată la efectuarea lucrărilor efective în sistemele electrice. De la încălzire la iluminat etc., este exprimat în wați (W) (împreună cu multiplicatorii săi, kilogram, Mega etc.) și reprezentat simbolic prin litera P.

2. Puterea reactivă

Aceasta este puterea asociată cu sarcinile reactive. Ca urmare a întârzierii dintre tensiune și curent în sarcinile reactive, energia captată în reactiv (fie capacitiv, fie inductiv) nu produce niciun lucru. Este denumită putere reactivă și unitatea sa este Volt-Ampere Reactive (VAR).

3. Puterea aparentă

Sistemele electrice tipice cuprind atât sarcini rezistive cât și inductive, gândiți-vă la becurile și încălzitoarele dvs. pentru sarcini rezistive și la echipamentele cu motoare, compresoare etc. ca sarcini inductive. Astfel, într-un sistem electric, Puterea totală este o combinație a componentelor puterii reale și reactive, această putere totală fiind numită și Puterea aparentă.

Puterea aparentă este dată de suma puterii reale și a puterii reactive. Unitatea sa este volt-amperi (VA) și reprezentată matematic prin ecuație;

Puterea aparentă = Puterea reală + Puterea reactivă

În situații ideale, puterea efectivă disipată într-un sistem electric este de obicei mai mare decât puterea reactivă. Imaginea de mai jos prezintă diagrama vectorială desenată folosind cele trei componente de alimentare

Această diagramă vectorială poate fi transformată în triunghiul de putere așa cum se arată mai jos.

Factorul de putere poate fi calculat prin obținerea unghiului theta (ϴ) prezentat mai sus. Aici theta este unghiul dintre puterea reală și puterea aparentă. Apoi, urmând regula cosinusului (Adiacent peste hipotenuză), factorul de putere poate fi estimat ca raportul dintre puterea reală și puterea aparentă. În formulele pentru a calcula factorului de putere este prezentată mai jos

PF = Puterea reală / Puterea aparentă sau PF = Cosϴ

Punând acest lucru cot la cot cu ecuația pentru determinarea puterii aparente, este ușor de văzut că o creștere a puterii reactive (prezența unui număr mare de sarcini reactive), duce la o creștere a puterii aparente și o valoare mai mare pentru unghiul ϴ, care în cele din urmă rezultă un factor de putere scăzut atunci când se obține cosinusul său (cos ϴ). Pe de altă parte, reducerea sarcinilor reactive (puterea reactivă) duce la un factor de putere crescut, indicând o eficiență ridicată în sistemele cu sarcini reactive mai mici și invers. Valoarea factorului de putere va fi întotdeauna între valoarea 0 și 1, cu cât se apropie de unul, cu atât va fi mai mare eficiența sistemului. În India, valoarea factorului de putere ideal este considerată a fi 0,8. Valoarea factorului de putere nu are unitate.

Importanța factorului de putere

Dacă valoarea factorului de putere este scăzută, înseamnă că energia din rețea este irosită, deoarece o mare parte din ea nu este utilizată pentru o muncă semnificativă. Acest lucru se datorează faptului că sarcina de aici consumă mai multă putere reactivă în comparație cu puterea reală. Acest lucru pune o tensiune pe sistemul de alimentare, provocând o supraîncărcare pe sistemul de distribuție, deoarece atât puterea reală necesară de sarcină, cât și puterea reactivă utilizată pentru a satisface sarcinile reactive vor fi extrase din sistem.

Această tulpină și „risipă” duce de obicei la facturi uriașe de energie electrică pentru consumatori (în special consumatori industriali), deoarece companiile de utilități calculează consumul în termeni de putere aparentă, ca atare, ajung să plătească pentru o energie care nu a fost utilizată pentru a realiza nicio muncă „semnificativă”.. Unele companii își amendează, de asemenea, consumatorii dacă atrag mai multă putere reactivă, deoarece provoacă o suprasolicitare a sistemului. Această amendă este impusă astfel încât să se reducă factorul de putere scăzut, cauzând utilizarea sarcinilor în industrii.

Chiar și în situațiile în care energia este furnizată de generatorii companiei, banii sunt irosiți pe generatoare mai mari, cabluri de dimensiuni mai mari, etc. Pentru a înțelege mai bine acest lucru, luați în considerare exemplul de mai jos

O fabrică care operează o sarcină de 70kW ar putea fi alimentată cu succes de un generator / transformator și cabluri nominale pentru 70 kVA dacă fabrica funcționează cu un factor de putere de 1. Dar, dacă factorul de putere scade la 0,6, atunci chiar și cu aceeași sarcină de 70KW, va fi necesar un generator mai mare sau un transformator de 116,67 kVA (70 / 0,6), deoarece generatorul / transformatorul va trebui să furnizeze puterea suplimentară pentru sarcina reactivă. În afară de această creștere puternică a cerințelor de energie, dimensiunea cablurilor utilizate ar trebui, de asemenea, să fie mărită, ducând la o creștere semnificativă a costurilor echipamentelor și la pierderi de putere crescute ca urmare a rezistenței de-a lungul conductoarelor. Pedeapsa pentru aceasta depășește facturile mari de energie electrică din unele țări, întrucât companiile cu factor de putere slab primesc de obicei amenzi de sume uriașe pentru a încuraja rectificarea.

Îmbunătățirea factorului de putere

Cu toate cele spuse, veți fi de acord cu mine că are mai mult sens economic să remediați factorul de putere slab decât să continuați să plătiți facturi uriașe de energie electrică, în special pentru industriile mari. De asemenea, se estimează că peste 40% din facturile de energie electrică pot fi economisite în industrii și fabrici imense dacă factorul de putere este corectat și menținut scăzut.

În afară de reducerea costurilor pentru consumatori, rularea unui sistem eficient contribuie la fiabilitatea și eficiența generală a rețelei electrice, deoarece companiile de utilități sunt capabile să reducă pierderile de linii și costurile de întreținere, experimentând în același timp o reducere a cantității de transformatoare și infrastructură de sprijin similară necesară pentru operațiunile lor.

Calculul factorului de putere pentru încărcarea dvs.

Primul pas pentru corectarea factorului de putere este determinarea factorului de putere pentru sarcina dvs. Acest lucru se poate face prin;

1. Calculul puterii reactive utilizând detaliile reactanței sarcinii

2. Determinarea puterii reale disipate de sarcină și combinarea acesteia cu puterea aparentă pentru a obține factorul de putere.

3. Utilizarea contorului de putere.

Contorul factorului de putere este utilizat în cea mai mare parte deoarece ajută la obținerea cu ușurință a factorului de putere în configurații mari de sistem, unde determinarea detaliilor reactanței sarcinii și a puterii reale disipate poate fi o cale dificilă.

Cu factorul de putere cunoscut, puteți continua să îl corectați, ajustându-l cât mai aproape posibil de 1.n Factorul de putere recomandat de către companiile de furnizare a energiei electrice este de obicei între 0,8 și 1 și acest lucru se poate realiza numai dacă folosiți un sarcina rezistivă sau reactanța inductivă (sarcina) din sistem este egală cu reactanța capacității, deoarece ambele se vor anula reciproc.

Datorită faptului că utilizarea sarcinilor inductive este o cauză mai frecventă a factorului de putere scăzut, în special în setările industriale (datorită utilizării motoarelor grele etc.), una dintre cele mai simple metode de corectare a factorului de putere este prin anularea reactanța inductivă prin utilizarea condensatoarelor de corecție care introduc reactanța capacitivă în sistem.

Condensatoarele de corecție a factorului de putere acționează ca un generator de curent reactiv, contracarând / compensând puterea fiind „irosită” de sarcini inductive. Cu toate acestea, trebuie să se ia în considerare atent proiectarea la introducerea acestor condensatori în configurații pentru a asigura o funcționare lină cu echipamente precum variatoarele cu viteză variabilă și un echilibru eficient cu costurile. În funcție de instalație și de distribuția sarcinii, proiectarea ar putea cuprinde condensatori cu valoare fixă instalate în puncte de sarcină inductivă sau bănci de condensatoare de corecție automată instalate pe barele magistrale ale panourilor de distribuție pentru o corecție centralizată, care este de obicei mai rentabilă în sistemele mari.

Utilizarea condensatorilor de corecție a factorului de putere în configurații are dezavantajele sale, mai ales atunci când condensatorii potriviți nu sunt folosiți sau sistemul nu este proiectat corespunzător. Utilizarea condensatoarelor ar putea produce o scurtă perioadă de „supratensiune”, atunci când este pornită, ceea ce ar putea afecta funcționarea corectă a echipamentelor, cum ar fi unitățile de viteză variabilă, determinându-le să se stingă intermitent sau să arunce siguranțele de pe unii dintre condensatori. Totuși, ar putea fi rezolvată încercând să facă ajustări la secvența de comandă a comutării, în cazul acționărilor de viteză sau eliminând curenții armonici în cazul siguranțelor.

Factorul de putere Unity și de ce nu este practic

Când valoarea factorului tău de putere este egală cu 1, atunci se spune că factorul de putere este factorul de putere al unității. Ar putea fi tentant să obțineți factorul de putere optim de 1, dar este aproape imposibil să îl atingeți datorită faptului că niciun sistem nu este cu adevărat ideal. În sensul că nici o sarcină nu este pur rezistivă, capacitivă sau inductivă. Fiecare sarcină cuprinde unele dintre elementele celeilalte, indiferent cât de mică, întrucât un astfel de interval tipic de factor de putere realizabil este de obicei de până la 0,9 / 0,95. Am aflat deja despre aceste proprietăți parazitare ale elementelor RLC în articolele noastre ESR și ESL cu condensatori.

Factorul de putere este un factor determinant pentru cât de bine utilizați energia și cât de mult plătiți în facturile de energie electrică (în special pentru industrii). Prin extensie, contribuie major la costurile operaționale și ar putea fi acel factor din spatele marjelor de profit reduse la care nu ați fost atenți. Îmbunătățirea factorului de putere al sistemului dvs. electric ar putea contribui la reducerea facturilor de energie electrică și la asigurarea maximizării performanței.