отстающий коэффициент мощности в цепи можно улучшить разместив в цепи
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.
Почему необходимо корректировать коэффициент мощности?
Коррекция коэффициента мощности в системах энергоснабжения
На потери энергии из-за низкого коэффициента мощности часто не обращают внимания. Между тем, они могут привести к снижению надёжности, проблемам с безопасностью и повышенным расходам на электроэнергию. Чем ниже коэффициент мощности, тем менее экономична система. Реальное количество используемой или рассеиваемой мощности в цепи называется активной мощностью. Реактивные нагрузки (индуктивности и конденсаторы) производят так называемую реактивную мощность. Линейная комбинация активной и реактивной мощностей называется полной или кажущейся мощностью.
Система электропитания содержит активные (резистивные), индуктивные и емкостные нагрузки. Примерами активных нагрузок являются системы освещения с лампами накаливания и электронагреватели. В качестве примеров индуктивных нагрузок можно привести асинхронные двигатели, трансформаторы и реакторы. Примерами емкостных нагрузок являются конденсаторы, регулируемые или нерегулируемые конденсаторные батареи, пусковые конденсаторы двигателя, генераторы и синхронные двигатели.
Коррекция коэффициента мощности (ККМ), как правило, достигается путём добавления емкостной нагрузки, чтобы компенсировать имеющуюся в системе индуктивную нагрузку. Коэффициент мощности системы энергоснабжения постоянно изменяется из-за изменения мощности и количества двигателей, используемых в данный момент. Это затрудняет достижение постоянного баланса между индуктивными и емкостными нагрузками. Коррекция коэффициента мощности приносит много преимуществ. Для потребителя основным преимуществом является отсутствие платы за низкий коэффициент мощности. Для поставщика электроэнергии преимущества заключаются в увеличении срока службы оборудования и снижении эксплуатационных расходов.
Типы мощности
Фактическое количество используемой или рассеиваемой в цепи мощности называется активной мощностью. Она измеряется в ваттах и обозначается прописной буквой P. Активная мощность является функцией элементов рассеяния цепи, например, резисторов (R).
Реактивные нагрузки (индуктивности и конденсаторы) не рассеивают мощность, но то, что на них падает напряжение и через них протекает ток, даёт впечатление, что они всё-таки рассеивают мощность. Эта «рассеиваемая мощность» называется реактивной мощностью, а её единицей измерения является вольт-ампер реактивный (вар). Реактивная мощность обозначается прописной буквой Q и является функцией реактивного сопротивления цепи (X).
Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Она является произведением напряжения и тока цепи без учёта фазового угла. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА) и обозначается прописной буквой S. Полная мощность является функцией полного сопротивления цепи (Z). Имеется несколько выражений, связывающих три типа мощности со значениями активного, реактивного и полного сопротивления (во всех используются скалярные величины):
P – активная мощность, единицей измерения является ватт:
Q – реактивная мощность, единицей измерения является вольт-ампер реактивный (вар):
S – полная мощность, единицей измерения является вольт-ампер (ВА):
S = I 2 Z, S = V 2 /Z, S = VI
Нагрузки системы электропитания
Нагрузка системы электропитания включает в себя активные, индуктивные и емкостные нагрузки. Примерами активных нагрузок являются системы освещения с лампами накаливания и электронагреватели. В качестве примеров индуктивных нагрузок можно привести асинхронные двигатели, трансформаторы и реакторы. Примерами емкостных нагрузок являются конденсаторы, регулируемые или нерегулируемые конденсаторные батареи, пусковые конденсаторы двигателя, генераторы и синхронные двигатели.
Индуктивные и емкостные нагрузки имеют противоположную природу. Равные величины индуктивной и емкостной нагрузок в одной системе будут компенсировать друг друга, оставляя только активную мощность. При этом коэффициент мощности будет равен единице. При достижении единичного коэффициента мощности активная мощность (кВт) равна полной мощности (кВА). При коэффициенте мощности, равном единице, обеспечивается наибольшая эффективность системы.
В чисто резистивной схеме вся мощность рассеивается на резисторе, напряжение и ток находятся в фазе, а активная мощность равна полной мощности (как видно из рис. 1). В чисто реактивной цепи мощность на нагрузке не рассеивается. Она поочерёдно потребляется от источника и возвращается обратно. Напряжение и ток имеют сдвиг по фазе на 90° относительно друг друга, и реактивная мощность равна полной мощности (как видно из рис. 2).
В цепи, состоящей из активного и реактивного сопротивления, потребляемая мощность будет больше, чем возвращаемая, то есть часть мощности будет рассеиваться, а часть потребляться от источника и возвращаться обратно. Фазы напряжения и тока в такой цепи будут отличаться на угол, находящийся в пределах от 0° до 90°. Полная мощность является векторной суммой активной и реактивной мощностей (рис. 3).
Определение коэффициента мощности
На потери энергии из-за низкого коэффициента мощности часто не обращают внимания. Между тем они могут привести к снижению надёжности, проблемам с безопасностью и повышенным расходам на электроэнергию. Чем ниже коэффициент мощности, тем менее экономична система.
Коэффициент мощности – это отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой электрической нагрузкой. Как все отношения, он является безразмерной величиной и может быть выражен математически как:
где КМ – коэффициент мощности, кВт – активная мощность, которая выполняет работу, кВА – полная мощность, а квар (не включенная в выражение) – реактивная мощность. В индуктивной нагрузке (например, электродвигателе) активная мощность выполняет работу, а реактивная мощность создаёт электромагнитное поле. Соотношение трёх типов мощностей в тригонометрической форме показано на рис. 4
В чисто резистивной цепи коэффициент мощности составляет ровно 1, потому что реактивная мощность равна нулю. Треугольник мощностей будет иметь вид горизонтальной линии, так как другая сторона (реактивная мощность) будет иметь нулевую длину. Для чисто индуктивной цепи коэффициент мощности равен нулю, потому что активная мощность равна нулю. Треугольник мощностей будет иметь вид вертикальной линии, так как другая сторона (активная мощность) будет иметь нулевую длину.
То же самое можно сказать о чисто емкостной схеме. Если в цепи нет рассеивающих (резистивных) компонентов, активная мощность должна быть равна нулю, при этом мощность в цепи является чисто реактивной. Треугольник мощностей для чисто емкостной цепи также будет представлять собой вертикальную линию (направленную вниз, а не вверх в отличие от чисто индуктивной цепи).
Коэффициент мощности может быть важным аспектом при рассмотрении цепи переменного тока, потому что любой коэффициент мощности, меньший единицы, приводит к тому, что проводники схемы для подачи той же активной мощности на активную нагрузку должны проводить больший ток, чем ток при нулевом реактивном сопротивлении в цепи. Низкий коэффициент мощности делает неэффективной систему энергоснабжения.
Низкий коэффициент мощности может быть скорректирован, как это ни парадоксально, путём добавления в схему дополнительной нагрузки, которая имеет равное и противоположное по знаку количество реактивной мощности, чтобы скомпенсировать влияние индуктивного сопротивления нагрузки. Индуктивное сопротивление может быть скомпенсировано только емкостным сопротивлением, поэтому необходимо добавить параллельно цепи в нашем примере в качестве дополнительной нагрузки конденсатор. Действие этих двух противоположных параллельных реактивных сопротивлений должно привести к тому, что общий импеданс системы станет равным активному сопротивлению (то есть фазовый угол импеданса станет равным нулю или по крайней мере станет ближе к нулю).
Коэффициент мощности показывает, насколько эффективно ток преобразуется в реальную работу: при низком коэффициенте мощности для получения того же количества мощности необходима более высокая величина тока. Любой ток приводит к потерям в системе распределения. Эти потери могут быть определены как:
где R – сопротивление. Коэффициент мощности, равный 1, приводит к наиболее эффективному использованию источника; при нагрузке с коэффициентом мощности 0,5 потери в системе распределения более высокие.
Низкий коэффициент мощности имеет несколько последствий, которые включают в себя снижение пропускной способности системы, увеличение потерь в системе и повышенные расходы. К преимуществам увеличения низкого коэффициента мощности относятся устранение или снижение платы за коэффициент мощности, а также более эффективная работа системы с увеличением пропускной способности и уменьшением потребляемого тока.
Методы коррекции коэффициента мощности
В реальности поставщики электроэнергии обычно требуют значения коэффициента мощности 0,9. Хотя единичный коэффициент мощности обеспечивает наиболее эффективную работу системы, при таком значении система становится чувствительной к проблемам, связанным с гармониками. Такие проблемы приводят к перегреву двигателей, ложным отключениям и преждевременному выходу из строя полупроводниковых компонентов.
Коррекция коэффициента мощности (ККМ), как правило, достигается путём добавления емкостной нагрузки, чтобы компенсировать имеющуюся в системе индуктивную нагрузку. Коэффициент мощности системы энергоснабжения постоянно изменяется из-за изменения мощности и количества двигателей, используемых в данный момент. Это затрудняет достижение постоянного баланса между индуктивными и емкостными нагрузками.
Также проблемы, связанные с гармониками, могут появиться, если конденсаторы выбраны без учёта конкретных характеристик системы энергоснабжения. Кроме того, энергоснабжающие компании могут ограничить или запретить введение реактивной мощности в их системы. Все эти соображения необходимо учитывать при принятии решения о типе и параметрах коррекции коэффициента мощности.
Наиболее недорогим и широко распространённым способом коррекции коэффициента мощности (компенсации реактивной мощности) является использование нерегулируемой конденсаторной батареи, подключенной к входному трансформатору или шине распределительного устройства. Номинал нерегулируемой конденсаторной батареи выбирается таким образом, чтобы получить коэффициент мощности, равный 0,9 при максимальной рабочей индуктивной нагрузке. Это означает, что в периоды работы, когда используется более низкая величина индуктивной нагрузки, в систему энергоснабжения будет поставляться дополнительная реактивная мощность. Единственным недостатком этого метода являются ограничения поставщика электроэнергии и последующие изменения величины индуктивной нагрузки при подключении новых нагрузок.
Если имеется определённое число двигателей, которые являются причиной проблем с коэффициентом мощности, может использоваться разновидность этого метода: параллельно каждому двигателю может быть подключен отдельный конденсатор. Когда двигатель включен, конденсаторная батарея тоже включается, поэтому она обеспечивает компенсацию реактивной мощности только при использовании двигателя (см. рис. 6 и рис.7). Преимуществом этого метода является то, что величина емкостной нагрузки меняется вместе с величиной индуктивной нагрузки. Недостатком является то, что иметь отдельный конденсатор для каждого двигателя может быть нереально физически и экономически, а обслуживание многочисленных подобных устройств может оказаться дорогим и сложным.
Другим способом коррекции коэффициента мощности (компенсации реактивной мощности) является использование регулируемой конденсаторной батареи. Эта батарея подключается так же, как и нерегулируемая батарея. Преимуществом регулируемой конденсаторной батареи является то, что она контролирует коэффициент мощности системы и автоматически изменяет величину емкостной нагрузки, подключенной к системе для компенсации индуктивной нагрузки. Поскольку емкостная нагрузка регулируется, никаких проблем с поставщиком электроэнергии не должно быть. Регулируемые конденсаторные батареи, как правило, имеют внутреннюю защиту, в них предусмотрена возможность установки дополнительных батарей и обеспечивается простое обслуживание центрально расположенного устройства. Недостатком регулируемой конденсаторной батареи является повышенная вероятность проблем, связанных с гармониками, из-за изменений ёмкости, начальные затраты и затраты на обслуживание внутренних устройств коммутации конденсаторов.
Представляется, что при выборе компенсации оптимальной будет конфигурация, сочетающая перечисленные способы. Как правило, конденсаторы подключаются к наиболее мощным двигателям, чтобы обеспечить компенсацию во время их работы. Кроме того, к силовому трансформатору или распределительному устройству подключается регулируемая или нерегулируемая конденсаторная батарея. Преимуществом этого является регулирование емкостной нагрузки и уменьшение величины конденсаторной батареи, подключенной к силовому трансформатору или распределительному устройству.
Нужно отметить, что слишком большая ёмкость в цепи переменного тока приведёт к низкому коэффициенту мощности точно так же, как и слишком большая индуктивность. При добавлении ёмкости в цепь переменного тока нельзя допускать перекомпенсации. Необходимо также уделять особое внимание правильному выбору конденсаторов (они должны соответствовать напряжению системы с учётом возможных скачков напряжения при грозовых разрядах, допускать длительную работу и выдерживать ожидаемые уровни тока). Если цепь является преимущественно индуктивной, мы говорим, что коэффициент мощности является отстающим (потому что ток в цепи отстаёт по фазе от напряжения). И наоборот, если цепь является преимущественно емкостной, мы говорим, что коэффициент мощности является опережающим. Поэтому в схеме нашего примера начальный коэффициент был 0,705 (отстающий), а после коррекции стал 0,999 (отстающий).
Итак, низкий коэффициент мощности в цепи переменного тока может быть скорректирован до значения, близкого к единице (1), путём добавления параллельного реактивного сопротивления, действующего противоположно реактивному сопротивлению нагрузки. Если природа реактивного сопротивления индуктивная (это бывает почти всегда), для коррекции низкого коэффициента мощности необходима параллельная ёмкость.
Преимущества, которые приносит коррекция коэффициента мощности
Основным преимуществом коррекции коэффициента мощности является устранение начислений, относящихся к потреблению реактивной мощности. Если поставщик электроэнергии выставляет штраф за коэффициент мощности или тарифицирует полную мощность (кВА), снижение реактивной мощности даёт прямую экономию. Величина экономии будет зависеть от величины, конфигурации и режима эксплуатации системы. Как правило, затраты на коррекцию окупаются в течение года, а затем экономия будет снижать эксплуатационные расходы. Кроме того, коррекция коэффициента мощности улучшит работу системы энергоснабжения, а также увеличит сроки службы распределительного устройства, пускателя и двигателя. Итак, ключевыми моментами здесь являются защита, эффективность и экономия.
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 :