除了安全性和可靠性,在电气系统的设计和实施中还应追求其他几个目标,包括效率。电气系统中的效率度量之一是系统将其接收的能量转换为有用功的效率。该效率由称为功率因数的电气系统组件表示。该功率因数表示多大的权力实际上是被用来执行有用的工作由负载和多大的权力,它是“浪费”。顾名思义,它是高昂的电费和断电的主要因素之一。
为了能够正确地描述功率因数及其实际意义,重要的是刷新有关不同类型的电负载和现有电源组件的内存。
从基本的电气类别来看,电气负载通常分为两种类型:
- 电阻负载
- 无功负载
1.电阻负载
电阻性负载,顾名思义,这些负载由纯电阻性元件组成。对于这种负载(考虑理想条件),由于电流与电压同相的事实,消耗给它的所有功率都可以工作。电阻负载的一个很好的例子包括白炽灯泡和电池。
与电阻负载相关的功率分量称为实际功率。该实际功率有时也称为工作功率,真实功率或有功功率。如果您不熟悉交流电源,并且对所有这些波形感到困惑,那么建议您阅读交流基础知识,以了解交流电源的工作原理。
2.无功负载
另一方面,无功负载要复杂一些。尽管它们会导致电压下降并从电源汲取电流,但它们不会消耗任何有用的功率,因为从电源获取的功率无效。这是由于无功负载的性质所致。
无功负载可以是容性或感性的。在电感性负载中,消耗的功率被用于设置磁通量,而无需执行任何直接功,而对于电容性负载,该功率用于给电容器充电而不直接产生功。因此在无功负载中耗散的功率称为无功功率。无功负载的特征在于电压后面的电流超前(容性负载)或滞后(电感性负载),因此,电流和电压之间通常存在相位差。
上面的两个曲线图分别表示感性和容性负载,其中功率因数分别滞后和领先。这两种负载的变化导致电气系统中存在三个功率分量,即:
- 实际功率
- 无功功率
- 视在功率
1.实际功率
这是与电阻负载相关的功率。它是耗散在电气系统中实际工作性能的功率组件。从加热到照明等,它以瓦(W)表示(及其乘数,千克,兆等),并用字母P表示。
2.无功功率这是与无功负载相关的功率。由于电抗性负载中电压和电流之间的延迟,电抗性(电容性或电感性)中吸收的能量不起作用。它称为无功功率,其单位为伏安无功(VAR)。
3.视在功率典型的电气系统包括电阻性负载和电感性负载,请考虑用于电阻性负载的灯泡和加热器,以及带有电动机,压缩机等的设备作为电感性负载。因此,在电气系统中,总功率是有功功率和无功功率组成部分的总和,该总功率也称为视在功率。
视在功率由实际功率和无功功率之和给出。它的单位是伏安(VA),用等式数学表示;
视在功率=实际功率+无功功率
在理想情况下,电气系统中消耗的实际功率通常大于无功功率。下图显示了使用三个电源组件绘制的矢量图
该矢量图可以转换为幂三角,如下所示。
功率因数可以通过获得上面显示的角度θ(calculated)来计算。这里的theta是有功功率和视在功率之间的角度。然后,遵循余弦规则(斜边附近),可以将功率因数估算为实际功率与视在功率的比率。在以计算功率因数的公式下面给出
PF =实际功率/视在功率或PF = Cosϴ
将其与确定视在功率的公式放在一起,不难看出,无功功率的增加(存在大量无功负载)会导致视在功率的增加和角度ϴ的值变大,当获得其余弦(cos ϴ)时,最终导致低功率因数。另一方面,无功负载(无功功率)的减少会导致功率因数的增加,这表明无功负载较小的系统具有很高的效率,反之亦然。功率因数的值将始终在0到1之间,值越接近1,则系统效率越高。在印度,理想的功率因数值为0.8。功率因数的值无单位。
功率因数的重要性
如果功率因数的值很低,则意味着来自市电的能量被浪费了,因为其中的很大一部分都没有用于有意义的工作。这是因为此处的负载比有功功率消耗更多的无功功率。由于负载所需的有功功率和用于满足无功负载的无功功率都将从系统中汲取,因此这会对供电系统造成压力,从而导致配电系统过载。
这种压力和“浪费”通常会给消费者(尤其是工业用户)带来巨大的电费,因为公用事业公司根据视在功率来计算消耗量,因此,他们最终要为未用于完成任何“有意义”工作的电费付费。一些公司如果吸收更多无功功率,也会对消费者处以罚款,因为这会导致系统过载。施加此罚款是为了减少低功率因数,从而导致在工业中使用负载。
即使在公司发电机提供电力的情况下,浪费大量资金的时候,还是浪费了更大的发电机,更大尺寸的电缆等来提供电力。为了更好地理解这一点,请考虑以下示例
如果工厂的功率因数为1,则运行70kW负载的工厂可以通过发电机/变压器和额定功率为70 kVA的电缆成功供电。但是,如果功率因数降至0.6,则即使负载为相同70KW,将需要更大的发电机或变压器,额定功率为116.67 kVA(70 / 0.6),因为发电机/变压器将不得不为无功负载提供额外的功率。伴随着功率需求的急剧增加,所用电缆的尺寸也将需要增加,由于沿导体的电阻,导致设备成本的显着增加和功率损耗的增加。在某些国家,对这方面的惩罚超出了高昂的电费,因为功率因数较差的公司通常会被罚款巨额以鼓励整顿。
改善功率因数
综上所述,您将同意我的观点,即纠正功率因数不佳而不是继续支付巨额电费,特别是对于大型行业,在经济上更有意义。据估计,如果校正功率因数并将其保持在较低水平,则在大型工业和制造工厂中可以节省超过40%的电费。
除了为用户降低成本外,运行高效的系统还有助于提高电网的整体可靠性和效率,因为公用事业公司能够减少线路损耗和维护成本,同时还能减少变压器和变压器的数量。他们的运营需要类似的支持基础架构。
计算负载的功率因数
校正功率因数的第一步是确定负载的功率因数。这可以通过以下方式完成:
1.使用负载的电抗详细信息计算无功功率
2.确定负载所消耗的有功功率,并将其与视在功率相结合以获得功率因数。
3.使用功率因数表。
功率因数表是最常用的,因为它有助于在大型系统设置中轻松获得功率因数,在这种情况下,确定负载的电抗详细信息和实际消耗的功率可能很困难。
在已知功率因数的情况下,您可以继续进行校正,将其调整到尽可能接近1的水平。n供电公司建议的功率因数通常在0.8到1之间,并且只有在几乎完全运行时才能实现系统中的电阻性负载或电感性电抗(负载)等于电容性电抗,因为它们都会相互抵消。
由于使用感性负载是导致功率因数降低的更常见原因,尤其是在工业环境中(由于使用重型电动机等),校正功率因数的最简单方法之一是消除功率因数。感抗通过使用这在系统引入容抗校正电容器。
功率因数校正电容器充当无功电流发生器,以抵消/补偿感性负载“浪费”的功率。但是,在设置中插入这些电容器时,需要仔细设计,以确保在变速驱动器等设备上平稳运行,并有效平衡成本。根据设施和负载分配的不同,设计可能包括安装在电感性负载点的固定值电容器或安装在配电盘母线上的自动校正电容器组,以进行集中校正,这在大型系统中通常更具成本效益。
在设置中使用功率因数校正电容器有其不利之处,尤其是在未使用正确的电容器或系统设计不正确时。电容器的使用可能会在打开时产生短暂的“过电压”,这可能会影响变速驱动器等设备的正常运行,导致它们间歇性断电或炸毁某些电容器上的保险丝。但是,可以通过在速度驱动的情况下尝试调整开关控制顺序来解决,或者在保险丝的情况下可以通过消除谐波电流来解决。
Unity功率因数以及为什么不实际
当您的功率因数的值等于1时,则该功率因数被称为单位功率因数。获得最佳功率因数1可能很诱人,但由于没有一个系统真正理想,因此几乎不可能获得该功率因数。从某种意义上说,没有负载是纯电阻性,电容性或电感性的。每个负载无论大小如何都包含另一个元素,因为这样的典型可实现功率因数范围通常高达0.9 / 0.95。我们已经在带有电容器的ESR和ESL中了解了RLC元件的这些寄生特性。
功率因数是确定您使用能源的程度以及您支付电费的多少的决定因素(尤其是对于行业而言)。顺便说一句,它是运营成本的主要贡献者,并且可能是您没有关注的利润率下降的原因。改善电气系统的功率因数可以帮助减少电费并确保性能最大化。