Effektfaktor

FONT SIZE:
fontsize_dec
fontsize_inc
Marts 30, 2016 Mickey Grunert E 0 310

I elektroteknik, er effektfaktoren en AC elektriske strømsystem defineret som forholdet mellem den reelle magt flyder til belastningen, til tilsyneladende effekt i kredsløbet, og er et dimensionsløst tal i den lukkede interval på -1 til 1. Den virkelige magt er evnen af ​​kredsløbet til at udføre arbejde i et bestemt tidspunkt. Tilsyneladende effekt er produktet af strøm og spænding i kredsløbet. På grund af energien lagret i belastningen og returneres til kilden, eller på grund af en ikke-lineær belastning, der forvrider bølgeformen af ​​strøm, der trækkes fra kilden, vil den tilsyneladende effekt være større end den reelle magt. En negativ effekt faktor opstår, når enheden genererer strøm, som derefter strømmer tilbage mod indretningen, der normalt betragtes generatoren.

I et el-system, en belastning med en lav effektfaktor trækker mere strøm end en belastning med en stærk faktor for den samme mængde af nyttige overførte effekt. De højere strømme øge energien tabt i distributionssystemet, og kræver større ledninger og andet udstyr. På grund af omkostningerne ved større udstyr og spildt energi, vil el-forsyningsselskaber normalt opkræve en højere pris til industrielle eller kommercielle kunder, hvor der er en lav effekt faktor.

Lineære belastninger med lav effekt faktor kan korrigeres med en passiv netværk af kondensatorer eller induktionsspoler. Ikke-lineære belastninger, såsom ensrettere, fordrejer den strøm, der fra systemet. I sådanne tilfælde kan passiv eller aktiv Power Factor Correction bruges til at modvirke den forvrængning og hæve magt faktor. Anordninger til korrektion af effektfaktoren kan være på et centralt understation, spredt ud over et distributionssystem, eller indbygget i strømforbrugende udstyr.

Lineære kredsløb

I en rent resistiv AC kredsløb, spænding og strømbølgeformer er i trin, skiftende polaritet i samme øjeblik i hver cyklus. Al den kraft ind belastningen forbruges. Når reaktive belastninger er til stede, såsom med kondensatorer eller spoler, energilagring i belastninger resulterer i en tidsforskel mellem den nuværende og spænding bølgeformer. Under hver cyklus af vekselspændingen, ekstra energi, udover nogen energi, der forbruges i belastningen, lagres midlertidigt i belastningen i elektriske eller magnetiske felter, og derefter returneres til elnettet en brøkdel af et sekund senere i cyklussen. Den "ebbe og flod" i denne non magt øger strømmen i linjen. Således vil et kredsløb med en lav effekt faktor anvende højere strømme til at overføre en given mængde reel magt end et kredsløb med en høj effekt faktor. En lineær belastning ikke ændre formen af ​​bølgeformen af ​​den nuværende, men kan ændre den relative timing mellem spænding og strøm.

Kredsløb indeholdende rent resistive varmeelementer har en magt faktor på 1,0. Kredsløb indeholdende induktive eller kapacitive elementer har ofte en magt faktor under 1,0.

Definition og beregning

Vekselstrøm flow har tre komponenter: reel magt, målt i watt; tilsyneladende effekt, målt i volt-ampere; og reaktive effekt, målt i reaktive volt-ampere.

Den effekt faktor er defineret som:

I tilfælde af en perfekt sinusformet bølgeform, kan P, Q og S udtrykkes som vektorer, der danner en vektor trekant, således at:

Hvis er fasevinklen mellem strøm og spænding, så effektfaktoren er lig med cosinus af vinklen ,, og:

Da enhederne er konsistente, magt faktor er per definition et dimensionsløst tal mellem -1 og 1. Når strømmen faktor er lig med 0, den energi flow er helt reaktiv, og lagret energi i belastningen vender tilbage til kilden på hver cyklus. Når strømmen faktor er 1, er al den energi, der leveres af kilden forbruges af belastningen. Power faktorer er normalt angivet som "førende" eller "halter" for at vise tegn på fase vinkel. Kapacitive belastninger er førende, og induktive belastninger halter.

Hvis en rent ohmsk belastning er tilsluttet en strømforsyning, vil strøm og spænding skifte polaritet i trin, vil magt faktor være enhed, og den elektriske energi flyder i en enkelt retning på tværs af netværket i hver cyklus. Induktive belastninger som transformere og motorer forbruger reaktiv effekt med strømbølge halter spændingen. Kapacitive belastninger såsom kondensator banker eller nedgravet kabel generere reaktiv effekt med nuværende fase fører spændingen. Begge typer af belastninger, vil absorbere energi i en del af AC cyklus, som er lagret i enhedens magnetisk eller elektrisk felt, kun at vende tilbage denne energi tilbage til kilden under resten af ​​cyklussen.

For eksempel for at få 1 kW reel magt, hvis strømmen faktor er sammenhold, 1 kVA af tilsyneladende effekt skal overføres. Ved lave værdier for effektfaktoren, skal overføres for at få den samme reelle magt mere tilsyneladende effekt. For at få 1 kW reel magt på 0,2 magt faktor, 5 kVA af tilsyneladende effekt skal overføres. Denne tilsyneladende effekt skal produceres og sendes til belastningen i den konventionelle måde, og er underlagt de sædvanlige fordelte tab i produktion og transmission processer.

Elektriske belastninger forbrugende vekselstrøm magt forbruge både reel magt og reaktiv effekt. Vektorsummen af ​​reelle og reaktiv effekt er tilsyneladende effekt. Tilstedeværelsen af ​​reaktiv effekt forårsager den reelle magt til at være mindre end den tilsyneladende effekt, og så, den elektriske belastning har en magtfaktor på mindre end 1.

Effektfaktor korrektion af lineære belastninger

En høj effekt faktor er generelt ønskeligt i et transmissionssystem for at reducere transmissionstab og forbedre spændingsregulering ved belastningen. Det er ofte ønskeligt at justere effektfaktoren af ​​et system til nær 1,0. Når reaktive elementer levering eller absorbere reaktiv effekt nær belastningen er den tilsyneladende effekt reduceres. Power Factor Correction kan anvendes af en elektrisk kraftoverføring værktøj til at forbedre stabiliteten og effektiviteten i transmissionsnettet. Individuelle elektriske kunder, der opkræves af deres nytte for lav effekt faktor må installere korrektion udstyr for at reducere disse omkostninger.

Power Factor Correction fører kraften faktor på en AC-kredsløb tættere på 1 ved at levere reaktiv effekt med modsat fortegn, tilføjer kondensatorer eller spoler, der virker til at annullere de induktive eller kapacitive virkninger af byrder, hhv. For eksempel kan den induktive effekt af motorbelastninger blive opvejet af lokalt tilsluttede kondensatorer. Hvis en belastning havde en kapacitiv værdi, spoler er forbundet til at korrigere magt faktor. I elsektoren er spoler siges at forbruge reaktiv effekt og kondensatorer siges at levere det, selvom energien blot at flytte frem og tilbage på hver AC cyklus.

De reaktive elementer kan skabe spænding udsving og harmoniske støj, når tændt eller slukket. De vil levere eller synke reaktiv effekt, uanset om der er en tilsvarende belastning opererer i nærheden, øger systemets ubelastet tab. I værste fald, kan reaktive elementer interagerer med systemet og med hinanden for at skabe resonans, hvilket resulterer i systemet ustabilitet og alvorlige overspænding udsving. Som sådan reaktive elementer kan ikke bare anvendes uden teknisk analyse.

En automatisk magt faktor korrektion enhed består af et antal kondensatorer, der er skiftet ved hjælp af kontaktorer. Disse kontaktorer styres af en regulator, der måler magtfaktor i et elektrisk netværk. Afhængig af belastning og magt faktor på nettet, vil magt faktor controller skifte de nødvendige blokke af kondensatorer i trin for at sikre magt faktor forbliver over en valgt værdi.

I stedet for at bruge et sæt skiftede kondensatorer, kan en ubelastet synkronmotor levere reaktiv effekt. Den reaktive effekt, som synkronmotoren er en funktion af dens feltmagnetiseringseffekt. Dette omtales som en synkron kondensator. Det er startet og forbundet til det elektriske net. Det fungerer ved en førende magt faktor og sætter vars på netværket som kræves for at understøtte et systems spænding eller at vedligeholde systemet magt faktor på et bestemt niveau.

Kondensatorens installation og drift er identiske med store elektromotorer. Dens primære fordel er den lethed, hvormed den mængde korrektion kan justeres; det opfører sig som en elektrisk variabel kondensator. I modsætning kondensatorer, mængden af ​​reaktiv effekt leveres er proportional med spændingen, ikke kvadratet på spændingen; dette forbedrer spænding stabilitet på store netværk. Synkrone kondensatorer bruges ofte i forbindelse med højspænding direkte strømforsyningssystemer projekter eller i store industrianlæg såsom stålværker.

For magt faktor korrektion af højspændingsledninger systemer eller store, svingende industrielle belastninger, magt elektroniske enheder såsom Statisk VAR kompensator eller STATCOM anvendes i stigende grad. Disse systemer er i stand til at kompensere for pludselige ændringer af magt faktor langt hurtigere end kontaktor-switched kondensator banker, og at være solid state kræver mindre vedligeholdelse end synkrone kondensatorer.

Ikke-lineære belastninger

En ikke-lineær belastning på et forsyningsnet er typisk en ensretter eller en slags bueudladning, såsom en fluorescerende lampe, elektrisk svejsemaskine eller lysbueovn. Fordi strøm i disse systemer afbrydes af et skifte handling, den nuværende indeholder frekvens komponenter, der er multipla af elsystemet frekvens. Distortion effektfaktor er et mål for, hvor meget den harmoniske forvrængning for en belastningsstrøm falder den gennemsnitlige overførte effekt til belastningen.

Ikke-sinusformede komponenter

Ikke-lineære belastninger ændre formen af ​​strømbølgeform fra en sinusbølge til en anden form. Ikke-lineære belastninger skaber harmoniske strømme i tillæg til den oprindelige vekselstrøm. Filtre, der består af lineære kondensatorer og spoler kan forhindre harmoniske strømme komme ind i at levere systemet.

I lineære kredsløb, der kun har sinusformede strømme og spændinger på en frekvens, magt faktor opstår kun fra forskellen i fasen mellem strøm og spænding. Dette er "forskydning magt faktor". Konceptet kan generaliseres til et samlet, forvrængning eller sand effektfaktor hvor tilsyneladende effekt omfatter alle harmoniske komponenter. Dette er af betydning i de praktiske kraftsystemer, der indeholder ikke-lineære belastninger såsom ensrettere, nogle former for elektrisk belysning, lysbueovne, svejseudstyr, switched-mode strømforsyninger og andre enheder.

En typisk multimeter vil give forkerte resultater, når de forsøger at måle AC-strøm, der trækkes af en ikke-sinusformet belastning; instrumenterne fornemmer den gennemsnitlige værdi af en ensrettet bølgeform. Den gennemsnitlige respons derpå kalibreret til en effektiv, RMS-værdien. En RMS sensing multimeter skal anvendes til at måle den faktiske RMS strømme og spændinger. At måle den reelle magt eller reaktiv effekt, et wattmeter designet til at arbejde ordentligt med skal bruges ikke-sinusformede strømme.

Distortion effektfaktor

Forvrængningen effektfaktor beskriver, hvordan den harmoniske forvrængning for en belastningsstrøm falder den gennemsnitlige overførte effekt til belastningen.

 er den totale harmoniske forvrængning af belastningen strøm. er den grundlæggende del af den nuværende og den totale strøm - begge er geometriske middelværdi-værdier. Denne definition med hensyn til total harmonisk forvrængning antager, at spændingen forbliver lige konkurrence. Denne forenkling er ofte en god tilnærmelse til stive spænding kilder. Total harmonisk forvrængning af typiske generatorer fra nuværende forvridning i netværket er i størrelsesordenen 1-2%, som kan have større skala konsekvenser, men kan ignoreres i almindelig praksis.

Resultatet når ganget med magt deplacement faktor er den overordnede, sande magt faktor eller bare effektfaktor:

Forvrængning i trefasede netværk

I praksis de lokale virkninger af forvrængning strøm på enheder i en trefaset distributionsnet er afhængige af størrelsen af ​​visse ordens harmoniske snarere end den totale harmoniske forvrængning.

For eksempel triplen eller nul-sekvens, harmoniske har den egenskab, at i-fase sammenlignet line-to-line. I en delta-Wye transformer, kan disse harmoniske resultere i cirkulerende strømme i deltaet vindinger og resultere i større resistiv opvarmning. I en Y-konfiguration af en transformator, vil triplen harmoniske ikke skabe disse strømme, men de vil resultere i en ikke-nul strøm i nullederen. Dette kunne overbelaste den neutrale ledning i nogle tilfælde og skabe fejl i kilowatt-time målesystemer og fakturering indtægter. Tilstedeværelsen af ​​strømharmoniske i en transformer også resultere i større hvirvelstrømme i den magnetiske kerne af transformeren. Hvirvelstrømstab generelt stige som kvadratet på frekvensen, sænke transformeren effektivitet, sprede ekstra varme, og reducere dens levetid.

Negativ-sekvens harmoniske kombinerer 120 grader ude af fase, på samme måde som den grundlæggende harmoniske men i en omvendt sekvens. I generatorer og motorer, disse strømninger producere magnetfelter der er modstandere af rotation af akslen og nogle gange resulterer i skadelige mekaniske vibrationer.

Switched-mode strømforsyninger

En særlig vigtig klasse af ikke-lineære belastninger er de millioner af personlige computere, der typisk inkorporerer switched-mode strømforsyninger med bedømt udgangseffekt spænder fra nogle få watt til mere end 1 kW. Historisk set disse meget-low-cost strømforsyninger indarbejdet en simpel helbølgeensretter, som kun udføres, når lysnettet øjeblikkelige spænding overskrides spændingen på input kondensatorer. Dette fører til meget høje forhold mellem spids-til-gennemsnit strømforbrug, hvilket også fører til en lav forvrængning effektfaktor og potentielt alvorlig fase og neutrale loading bekymringer.

En typisk switched-mode strømforsyning først gør en DC bus, ved hjælp af en bro ensretter eller lignende kredsløb. Udgangsspændingen er derefter afledt af denne DC bus. Problemet med dette er, at ensretteren er en ikke-lineær enhed, så indgangsstrømmen er meget ikke-lineær. Det betyder, at indgangsstrømmen har energi ved harmoniske af frekvensen af ​​spændingen.

Dette udgør et særligt problem for elselskaberne, fordi de ikke kan kompensere for den harmoniske strøm ved at tilføje simple kondensatorer eller spoler, som de kunne for den reaktive effekt, som en lineær belastning. Mange jurisdiktioner er begyndt at lovligt kræve magt faktor korrektion for alle strømforsyninger over en vis effekt.

Reguleringsorganer som EU har sat harmoniske grænser som en metode til at forbedre magt faktor. Faldende komponent omkostninger har fremskyndet gennemførelse af to forskellige metoder. For at overholde EU gældende standard EN61000-3-2, skal alle switched-mode strømforsyninger med udgangseffekt på over 75 W omfatte passiv magt faktor korrektion, i hvert fald. 80 Plus strømforsyning certificering kræver en magt faktor på 0,9 eller derover.

Power Factor Correction i ikke-lineære belastninger

Passiv PFC

Den enkleste måde at styre harmoniske strømme er at bruge et filter: Det er muligt at udforme et filter, der passerer kun mulig ved linie frekvens. Dette filter reducerer den harmoniske strøm, hvilket betyder, at den ikke-lineære enhed nu ligner en lineær belastning. På dette tidspunkt effektfaktoren kan bringes til nær enhed, ved hjælp af kondensatorer eller induktorer efter behov. Dette filter kræver stor værdi høj aktuelle induktionsspoler, dog som er pladskrævende og dyre.

En passiv PFC kræver en spole større end inductor i en aktiv PFC, men koster mindre.

Dette er en simpel måde til at rette nonlinearity af en last ved hjælp af kondensator banker. Det er ikke så effektiv som aktiv PFC. Et eksempel på dette er en dal-fill kredsløb.

Aktiv PFC

En aktiv effektfaktorkorrektør er en kraft elektronisk system, som ændrer bølgeform af strøm, der trækkes af en belastning for at forbedre effektfaktoren. Formålet er at gøre belastningen kredsløb, der er magt faktor korrigeret synes rent resistive. I dette tilfælde, spænding og strøm er i fase og reaktive effektforbrug er nul. Dette gør det muligt mest effektiv levering af strøm fra elselskab til forbrugeren.

Nogle typer af aktiv PFC er:

  • Boost
  • Buck
  • Buck-boost
  • Synkron kondensator

Aktiv Power Factor korrektorer kan være enkelt-trins eller etapevis.

I tilfælde af en switched-mode strømforsyning, der er isat et boost konverter mellem broen ensretter og de vigtigste input kondensatorer. Boost konverter forsøger at opretholde en konstant DC busspændingen på sin udgang, mens tegne en strøm, der altid er i fase med og på samme frekvens som netspændingen. En anden switchmode konverter inde i strømforsyningen frembringer den ønskede udgangsspænding fra DC bussen. Denne tilgang kræver yderligere halvleder afbrydere og styringselektronik, men tillader billigere og mindre passive komponenter. Det er ofte anvendes i praksis. For eksempel, SMPS med passiv PFC kan opnå magt faktor på omkring 0,7 til 0,75, SMPS med aktiv PFC, op til 0,99 magt faktor, mens en SMPS uden nogen magt faktor korrektion har en magt faktor på kun omkring 0,55 til 0,65.

På grund af deres meget bred input spændingsområde kan mange strømforsyninger med aktiv PFC automatisk justere til at operere på vekselstrøm fra omkring 100 V til 230 V. Det træk er særlig velkommen i strømforsyninger til bærbare computere.

Dynamisk PFC

Dynamisk effekt faktor korrektion, undertiden benævnt "realtid magt faktor korrektion," anvendes til elektriske stabilisering forekomster af hurtige belastningsændringer. Når elektriske netværk oplever hurtige belastningsændringer, især med tilstedeværelsen af ​​ikke-lineære belastninger, almindelig el faktor korrektion ikke er i stand til at justere med de konstant skiftende, dvs. dynamisk, elektriske netværk, der forårsager over eller under korrektion. DPFC har evnen til halvledere til at forbinde kondensatorer eller spoler til elektriske netværk uden at forstyrre elektriske netværk og forårsager unødig stress til elektriske komponenter, såsom sikringer og kondensatorer. Implementering af DPFC forbedrer magt kvalitet ved at reducere strøm, især reaktiv strøm, hvilket bringer stabilitet til elektricitet.

For virksomheder, især producenter, dårlig spændingskvalitet fører til højere el-regninger på grund af magt kvalitet sanktioner. Mens PFC er tilgængelig, få virksomheder bruger det, fordi PFC har tendens til at være dyrt uden at være omkostningseffektiv. I dag DPFC enheder spænder fra prøveudtagning, der finder sted en gang om bølge cyklus til over 8000 gange pr bølge cyklus.

Betydningen af ​​magt faktor i distributionssystemer

Power faktorer under 1,0 kræver et hjælpeprogram til at generere mere end de minimumskrav volt-ampere, der er nødvendige for at levere den reelle magt. Dette øger omkostningerne produktion og transmission. For eksempel, hvis belastningen effektfaktor var så lavt som 0,7, vil den tilsyneladende effekt være 1,4 gange den reelle effekt, der anvendes af belastningen. Line strøm i kredsløbet vil også være 1,4 gange nuværende kræves på 1,0 effektfaktor, så tabene i kredsløbet vil blive fordoblet. Alternativt alle komponenter i systemet, såsom generatorer, dirigenter, transformere og koblingsanlæg ville blive forøget i størrelse til at bære den ekstra strøm.

Forsyningsvirksomheder typisk opkræve ekstra omkostninger for kommercielle kunder, der har en magt faktor under nogle grænse, som typisk er 0,9 til 0,95. Ingeniører er ofte interesseret i magt faktor på en belastning som en af ​​de faktorer, der påvirker effektiviteten af ​​kraftoverførslen.

Med de stigende priser på energi og bekymringer over effektiv levering af magt, er aktiv PFC blevet mere almindelige i forbrugerelektronik. Aktuelle Energy Star-retningslinjerne for computere kræver en magt faktor på ≥ 0,9 ved 100% af den nominelle output i PC'ens strømforsyning. Ifølge en hvidbog forfattet af Intel og US Environmental Protection Agency, vil pc'er med indbyggede strømforsyninger kræver brug af aktiv Power Factor Correction at opfylde ENERGY STAR 5.0 Program Krav til computere.

I Europa EN 61000-3-2 kræver Power Factor Correction indarbejdes i forbrugerprodukter.

Måling af effektfaktoren

Kan måles effektfaktoren i en enfaset kredsløb med wattmeter-amperemeter-voltmeter fremgangsmåde, hvor i watt divideres med produktet af den målte spænding og strøm. Effektfaktoren af ​​en afbalanceret flerfaset kredsløb er den samme som for enhver fase. Den effekt faktor på en ubalanceret poly fase kredsløb er ikke entydigt defineret.

En direkte aflæsning effektfaktor meter kan gøres med en bevægelig spole meter af elektrodynamiske type, der har to vinkelrette spoler på den bevægelige del af instrumentet. Feltet af instrumentet aktiveres ved hjælp af kredsløbet strøm. De to svingspoler, A og B, er forbundet i parallel med kredsløbet belastning. En spole, A, vil blive forbundet via en modstand og den anden spole, B, gennem en spole, således at strømmen i spolen B er forsinket i forhold til strøm i A. På effektfaktor, strømmen i A er i fase med kortslutningsstrømmen, og spolen A giver maksimalt drejningsmoment, kørsel af instrumentet markøren mod 1,0 mærke på skalaen. Ved nul magt faktor, strømmen i spolen B er i fase med kredsløbet strøm, og spole B giver moment til at drive markøren mod 0. På mellemliggende værdier af magt faktor, de momenter, som de to spoler tilføje og markøren optager mellemliggende positioner.

En anden elektromekaniske instrument er polariseret-vinge type. I dette instrument en stationær feltspole frembringer et roterende magnetfelt, ligesom en flerfaset motor. De feltspoler tilsluttes enten direkte til flerfasede spændingskilder eller til en fase-shifting reaktor hvis en enkelt-fase ansøgning. En anden stationær feltspole, vinkelret på spænding spoler, bærer en strøm proportional med strømmen i en fase af kredsløbet. Det bevægelige system af instrumentet består af to vinger, der er magnetiseret af den aktuelle spole. I drift de bevægelige skovle tage en fysisk vinkel svarende til den elektriske vinklen mellem spændingskilden og strømkilden. Denne type instrument kan bringes til at registrere for strømme i begge retninger, hvilket giver en fire-kvadrant visning af effektfaktor eller fasevinkel.

Digitale instrumenter kan ske, at enten direkte måle tidsforsinkelsen mellem spænding og strømbølgeformer og så beregne effektfaktor, eller at foranstaltningen både sandt og tilsyneladende effekt i kredsløbet og beregne kvotienten. Den første metode er kun nøjagtig, hvis spænding og strøm er sinusformet; belastninger såsom ensrettere fordreje bølgeformer fra sinusform.

Huskesymboler

Engelsksprogede power ingeniørstuderende rådes til at huske: "ELI ICE manden" eller "ELI på ICE" - spændingen E fører strømmen I i en spole L; den nuværende fører spændingen i en kondensator C.

En anden almindelig huskeregel er CIVIL - i en kondensator den nuværende leder spænding, spænding fører strøm i en spole.

  0   0
Forrige artikel Eddie Garcia
Næste artikel 51. Fighter Wing

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha