Sursa: blogul Capacitor Fax

factorului

O parte din puterea de curent alternativ consumată de sarcinile inductive este utilizată pentru a menține inversările magnetice datorate defazării între curent și tensiune. Această energie poate fi considerată energie irosită, deoarece nu este utilizată în efectuarea unor lucrări utile. Circuitele de corecție a factorului de putere sunt utilizate pentru a minimiza puterea reactivă și pentru a spori eficiența cu care încărcările inductive consumă curent alternativ. Condensatoarele sunt componente esențiale în circuitele de compensare a factorului de putere, iar acest articol va explora câteva considerații de proiectare atunci când se utilizează aceste componente pentru corectarea factorului de putere.

Puterea reactivă în sarcini inductive

Sarcinile inductive, cum ar fi bobinele, motoarele, echipamentele de încălzire inductivă, generatoarele, transformatoarele și echipamentele de sudură cu arc produc un decalaj electric care este denumit în mod obișnuit inductanță. Această inductanță determină o diferență de fază între curent și tensiune. figura 1 prezintă formele de undă de curent și tensiune pentru o sarcină cu întârziere zero (sarcină pur rezistivă).

Ca urmare a schimbării de fază datorită inductanței, există momente în care curentul și tensiunea au semne diferite. În astfel de perioade, energia negativă este generată și alimentată înapoi în rețeaua de alimentare cu energie electrică. Când cei doi recâștigă același semn, este necesară o cantitate similară de energie pentru a genera câmpurile magnetice. Energia care se pierde din cauza inversărilor magnetice în sarcinile inductive este denumită de obicei putere reactivă.

Sarcinile inductive CA sunt clasificate în linii și dispozitive neliniare. Pentru sarcini liniare, forma de undă curentă și forma de undă de tensiune au profiluri sinusoidale potrivite. Figura 2 prezintă formele de undă de curent și tensiune pentru o sarcină liniară tipică. Pe de altă parte, deoarece încărcările neliniare trag curent la frecvențe diferite, formele de undă de curent și tensiune sunt diferite. Pentru majoritatea sarcinilor neliniare, forma de undă curentă este de obicei non-sinusoidală. Figura 3 prezintă formele de undă de curent și tensiune pentru o sarcină neliniară.

Câteva exemple de sarcini electrice liniare includ echipamente de încălzire, motoare și dispozitive de iluminat cu incandescență. Dispozitivele neliniare includ unități de frecvență variabilă, unități de curent continuu, controlere programabile, dispozitive de iluminat de tip arc, cuptoare cu inducție, surse de alimentare neîntreruptibile și calculatoare personale. Se știe că sarcinile electrice neliniare sunt o cauză majoră a distorsiunilor armonice în sistemele de distribuție a energiei.

Factor de putere

Eficiența cu care dispozitivele sau instalațiile electrice consumă curent alternativ variază. Unele încărcături utilizează energia eficient, în timp ce altele risipesc o parte semnificativă din energia pe care o consumă. Factorul de putere este utilizat pentru a descrie eficiența cu care încărcăturile consumă curent alternativ. Această cantitate fără dimensiuni variază între 0 și 1.

Așa cum se arată în Figura 4 și Figura 5, puterea totală de curent alternativ, cunoscută și sub denumirea de putere aparentă, consumată de un dispozitiv sau echipament electric depinde de două componente: putere utilă (putere activă) și putere reactivă. Puterea utilă se referă la puterea de care are nevoie un dispozitiv pentru a îndeplini o sarcină. Pe de altă parte, puterea reactivă nu produce muncă utilă. Puterea utilă este de obicei măsurată în kW, în timp ce puterea reactivă este măsurată în kVAR.

Așa cum se arată în Ecuația 1, factorul de putere este egal cu raportul dintre puterea activă (putere utilă) și puterea totală (puterea aparentă) extrasă de un dispozitiv sau echipament electric. Se poate arăta matematic că factorul de putere este egal cu cosinusul unghiului θ (Ecuația 2). Cu cât acest raport este mai aproape de 1,0, cu atât este mai mare eficiența dispozitivului sau a echipamentului.

Pentru o sarcină electrică ideală, factorul de putere este egal cu 1,0 (factor de putere unitar). Aceasta înseamnă că toată puterea consumată de o sarcină este utilizată pentru a face o muncă utilă. Cu toate acestea, este dificil pentru o sarcină electrică reală să realizeze acest lucru. Impedanța pentru sarcina reprezentată de Figura 5 este dat de ecuația 3, unde XL este reactanța inductivă și este dat de Ecuația 4.

De ce este dificil pentru o sarcină electrică să atingă factorul de putere unitar? Majoritatea sarcinilor electrice au proprietăți reactive inerente care le îngreunează realizarea factorului de putere ideal. Pentru a depăși această limitare, circuitele de corecție a factorului de putere sunt adăugate la o rețea pentru a compensa caracteristicile reactive ale unei sarcini.

Corecția factorului de putere (compensare)

Sarcinile electrice care au un factor de putere scăzut consumă mai multă energie decât este necesară pentru a efectua o sarcină. Acest lucru poate avea ca rezultat o pierdere considerabilă de putere într-o rețea și pierderi mari ale transformatorului. Astfel de creșteri ale consumului de energie măresc costul funcționării echipamentelor sau instalațiilor. Factorii slabi de putere determină, de asemenea, o rețea de distribuție a energiei să aibă scăderi de tensiune. Este frecvent ca furnizorii de energie să penalizeze industriile al căror factor de putere este sub o valoare specificată.

Furnizorii de energie electrică încurajează consumatorii industriali să-și îmbunătățească factorul de putere din diverse motive. Pentru început, îmbunătățirea factorului de putere poate ajuta la reducerea facturii de energie electrică cu o marjă semnificativă. În al doilea rând, un factor de putere ridicat ajută la minimizarea pierderilor de eficiență în transformatoarele unui consumator. În al treilea rând, adăugarea unui sistem de corecție a factorului de putere ajută la creșterea capacității efective a rețelei de energie electrică a unui consumator. În cele din urmă, un factor de putere ridicat ajută la creșterea duratei de viață a echipamentelor electrice.

O rețea de compensare a factorului de putere reduce puterea necesară unei sarcini, îmbunătățind astfel factorul de putere general. Rețeaua de compensare permite sarcinilor electrice să obțină un factor de putere bun, de obicei între 0,95 și 0,98. Un factor de putere de 0,85 sau mai mic este de obicei considerat de companiile de utilități drept un factor de putere slab.

Circuite de corecție a factorului de putere pe bază de condensator

Există diverse metode de îmbunătățire a factorului de putere al unei sarcini sau al unei instalații. Una dintre metodele utilizate în mod obișnuit implică adăugarea de condensatori de corecție a factorului de putere în rețea. Figura 6 prezintă un circuit simplu format dintr-o sursă de curent alternativ și o sarcină inductivă.

Cum ajută un condensator la îmbunătățirea factorului de putere? Într-un circuit de curent alternativ, inversarea magnetică datorată diferenței de fază între curent și tensiune are loc de 50 sau 60 de ori pe secundă. Un condensator ajută la îmbunătățirea factorului de putere prin eliberarea liniei de alimentare a puterii reactive. Condensatorul realizează acest lucru stocând energia inversă magnetică.

Figura 7 arată o sarcină inductivă cu un condensator de corecție a factorului de putere. Figura 8 mai sus ilustrează îmbunătățirea factorului de putere atunci când condensatorul este adăugat la circuit. Impedanța pentru un circuit cu un condensator de compensare a factorului de putere este dată de Ecuația 5, unde XC este reactanța capacitivă și este dat de Ecuația 6.

În majoritatea industriilor, un sistem de condensatori controlat de un controler de corecție a factorului de putere este instalat pentru compensarea puterii reactive. Atunci când proiectați un sistem de corecție a factorului de putere, este important să evitați adăugarea excesului de capacitate la rețea. Adăugarea excesului de capacitate la un circuit poate duce la supracorectare așa cum se ilustrează în Figura 9.

Dispozitivele semiconductoare sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă pentru corectarea factorului de putere. Utilizarea dispozitivelor semiconductoare la un circuit pentru a îmbunătăți factorul de putere este denumită în mod obișnuit compensare activă. Mașinile sincrone supraexcitate sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit pentru a îmbunătăți factorul de putere al unei rețele.

După cum sa menționat mai sus, majoritatea sarcinilor electrice, inclusiv transformatoarele, seturile de sudură, motoarele cu inducție și cuptoarele cu inducție sunt inductive. Sarcinile inductive necesită atât puterea de lucru, de obicei măsurată în kilowați (kW), cât și puterea reactivă, de obicei măsurată în kilo-volt-amperi reactivi (kVAR), pentru a funcționa. Puterea de lucru este utilizată pentru efectuarea lucrului efectiv, în timp ce puterea reactivă este utilizată pentru susținerea câmpului magnetic cerut de sarcinile inductive. Când sunt combinate, puterea de lucru și puterea reactivă formează puterea aparentă, de obicei măsurată în kilovolt-amperi (kVA).

Factorul de putere este o măsură a eficienței cu care sarcinile electrice transformă puterea electrică în muncă utilă. Este un raport între puterea utilă (puterea de lucru) și puterea totală (puterea aparentă) furnizată. Un factor de putere ridicat este un indicator al faptului că sarcinile electrice utilizează eficient energia, în timp ce un factor de putere scăzut indică faptul că sarcinile electrice conectate utilizează puterea ineficient. Un factor de putere slab are ca rezultat o irosire semnificativă de energie și scade capacitatea sistemului electric. Poate fi cauzată de o diferență de fază între curent și tensiune la bornele unei sarcini electrice sau o formă de undă de curent distorsionată.

Soluții de corectare a factorilor de putere

Un factor de putere slab datorat motoarelor cu inducție, transformatoarelor și altor sarcini inductive poate fi corectat prin conectarea condensatoarelor adecvate. Un factor de putere slab cauzat de forma de undă a curentului distorsionat este corectat prin adăugarea de filtre armonice. Procesul de creare a câmpului magnetic necesar unei sarcini inductive determină o diferență de fază între tensiune și curent. Un condensator corectează factorul de putere furnizând un curent principal pentru a compensa curentul întârziat. Condensatoarele de corecție a factorului de putere sunt proiectate pentru a se asigura că factorul de putere este cât mai aproape de unitate. Deși condensatoarele de corecție a factorului de putere pot reduce considerabil sarcina cauzată de o sarcină inductivă asupra sursei, acestea nu afectează funcționarea sarcinii. Prin neutralizarea curentului magnetic, condensatorii ajută la reducerea pierderilor din sistemul de distribuție electrică și la reducerea facturilor de energie electrică.

Un factor de putere slab datorat motoarelor cu inducție, transformatoarelor și altor sarcini inductive poate fi corectat prin conectarea condensatoarelor adecvate. Un factor de putere slab cauzat de forma de undă a curentului distorsionat este corectat prin adăugarea de filtre armonice. Procesul de creare a câmpului magnetic necesar unei sarcini inductive determină o diferență de fază între tensiune și curent. Un condensator corectează factorul de putere furnizând un curent principal pentru a compensa curentul întârziat. Condensatoarele de corecție a factorului de putere sunt proiectate pentru a se asigura că factorul de putere este cât mai aproape de unitate. Deși condensatoarele de corecție a factorului de putere pot reduce considerabil sarcina cauzată de o sarcină inductivă asupra sursei, acestea nu afectează funcționarea sarcinii. Prin neutralizarea curentului magnetic, condensatorii ajută la reducerea pierderilor din sistemul de distribuție electrică și la reducerea facturilor de energie electrică.

Pentru a descuraja risipa de energie, unele companii de distribuție a energiei electrice penalizează consumatorii cu un factor de putere care este sub o valoare specificată și oferă un stimulent consumatorilor cu un factor de putere bun (de obicei peste 0,95). Acest lucru încurajează consumatorii să instaleze echipamente de corecție a factorului de putere în sistemele lor electrice. Avantajele adăugării condensatorilor de corecție a factorului de putere la rețelele de electricitate includ pierderi reduse, tensiune îmbunătățită, capacitate crescută a sistemului și facturi reduse de energie electrică. Variabilele cheie care trebuie luate în considerare la selectarea condensatorilor pentru corectarea factorului de putere includ tipul de încărcare, constanța sarcinii, dimensiunea sarcinii, capacitatea de încărcare, metoda de facturare a utilităților și metodele de pornire a sarcinii.

Condensatoarele de corecție a factorului de putere sunt instalate de obicei ca bancuri de condensatoare atunci când sunt implicate stații sau instalații mari. În cazul încărcărilor sinusoidale sau liniare, acestea pot fi instalate ca condensatori individuali care sunt ușor de instalat sau de înlocuit și nu necesită comutare separată. Pe de altă parte, instalațiile de baterii de condensatori au un cost mai mic pe kVAR și oferă capacitate exactă de corectare a factorului de putere atunci când sunt utilizate sisteme de comutare automată.

În funcție de nevoile unei anumite stații sau instalații, pot fi instalate baterii de condensatoare fixe sau comutate automat. Un banc de condensatori cu factor de putere fix poate fi pornit atunci când sarcina inductivă este pornită și oprită când sarcina individuală este oprită. Astfel de condensatori sunt alimentați numai atunci când este necesară corectarea factorului de putere. În instalațiile cu sarcini multiple, condițiile de încărcare și corectarea factorilor de putere necesită schimbări frecvente. Sistemele automate de condensatori sunt potrivite pentru astfel de instalații. Acestea previn supra-corectarea și sub-corectarea.

Sarcinile inductive mari, cum ar fi instalațiile de foraj petrolier, turbinele eoliene, motoarele mari, cuptoarele cu arc și zdrobirile auto, au caracteristici dinamice de încărcare. Astfel de sarcini dinamice mari necesită sisteme de condensatoare automate sofisticate, cu capacități de răspuns rapide. Băncile automate de condensatori fără tranzitorii sunt utilizate pentru corectarea factorului de putere în aplicațiile în care sunt implicate sarcini inductive mari. Armonicile pot reduce semnificativ durata de viață a băncilor de condensatoare. Pentru încărcăturile care produc armonici, ar trebui adăugat un filtru de armonici. Acest filtru elimină frecvențele armonice nedorite din sistemul electric.

Tipuri de condensatori de corecție a factorului de putere

Condensatoarele pentru corectarea factorului de putere sunt fabricate într-o varietate de tipuri, dimensiuni și modele. Cele mai frecvent utilizate tipuri sunt construite folosind o folie de polipropilenă metalizată, în timp ce câteva folosesc folie sau hârtie de poliester metalizat.

Condensatoarele de hârtie bimetalizate sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații care necesită soluții robuste de corecție a factorului de putere. Hârtia specială utilizată pentru construirea acestor condensatori conține un strat subțire de aliaj metalic. Foi de hârtie sunt separate printr-o folie de polipropilenă. Acești condensatori sunt construiți pentru a rezista la temperaturi ridicate și la un conținut ridicat de armonici. Condensatoarele de hârtie bimetalizate găsesc multe aplicații în electronica de putere. Condensatoarele din folie de poliester metalizat sunt compacte, ușoare și oferă o stabilitate excelentă a capacității. Deși acești condensatori sunt utilizați în principal pentru aplicații de curent continuu, acestea sunt potrivite pentru filtrarea liniei de curent alternativ și corectarea factorului de putere.

Concluzie

Sarcinile inductive, cum ar fi transformatoarele, generatoarele, motoarele, inductivitățile și echipamentele de sudură cu arc produc un decalaj electric care are ca rezultat curentul și tensiunea având semne diferite. Energia necesară pentru menținerea inversărilor magnetice în sarcinile inductive este denumită putere reactivă. Reducerea puterii reactive prin îmbunătățirea factorului de putere al unei sarcini de curent alternativ ajută la reducerea la minimum a costului general al rulării sarcinilor inductive. Condensatoarele sunt utilizate în mod obișnuit în industrii pentru a îmbunătăți factorul de putere și a minimiza risipa de energie.

credit de imagine prezentat: Hydra

articolul original care a apărut pentru prima dată pe Capacitor Fax aici a fost editat în lungime și conținut de EPCI