Razumijevanje faktora snage i kako on utječe na vaše račune za energiju

Osim sigurnosti i pouzdanosti, u dizajniranju i provedbi električnih sustava treba težiti i nekoliko drugih ciljeva, uključujući učinkovitost. Jedna od mjera učinkovitosti u električnom sustavu je učinkovitost kojom sustav pretvara dobivenu energiju u koristan rad. Ovu učinkovitost govori komponenta električnih sustava poznata kao faktor snage. Faktor snage pokazuje koliko snage zapravo se koristi za obavljanje koristan rad od opterećenja i koliko snage je „troši”. Koliko god njegovo ime zvučalo trivijalno, jedan je od glavnih čimbenika visokih računa za struju i nestanka struje.

Da biste mogli pravilno opisati faktor snage i njegov praktični značaj, važno je osvježiti svoje pamćenje o različitim vrstama električnih opterećenja i komponentama napajanja koje postoje.

Od osnovnih klasa električne energije, električna opterećenja su obično dvije vrste;

Otporni tereti
Reaktivne opterećenja

1. Otporni tereti

Otporna opterećenja, kao što i naziv govori, sastoje se od čisto otpornih elemenata. Za ovu vrstu opterećenja (uzimajući u obzir idealne uvjete) sva se snaga koja joj se isporučuje rasipa za rad zbog činjenice da je struja u fazi s naponom. Dobar primjer otpornih opterećenja uključuju žarulje sa žarnom niti i baterije.

Komponenta snage povezana s otpornim opterećenjima naziva se stvarna snaga. Ova stvarna snaga se ponekad naziva i radna snaga, istinska snaga ili stvarna snaga. Ako ste novi u napajanju izmjeničnom strujom i osjećate se zbunjeno sa svim tim valnim oblicima, preporučuje se da pročitate osnove izmjenične struje kako biste razumjeli kako funkcionira izmjenična struja.

2. Reaktivna opterećenja

S druge strane, reaktivna opterećenja su malo složenija. Iako uzrokuju pad napona i crpe struju iz izvora, oni ne rasipaju korisnu snagu kao takvu, jer snaga koju crpe iz napajanja ne djeluje. To je zasluga za prirodu reaktivnog opterećenja.

Reaktivna opterećenja mogu biti kapacitivna ili induktivna. U induktivnim opterećenjima, potrošena snaga koristi se za postavljanje magnetskog toka bez izravnog rada, dok se za kapacitivna opterećenja snaga koristi za punjenje kondenzatora, a ne za izravno stvaranje rada. Tako raspršena snaga u reaktivnim opterećenjima naziva se reaktivna snaga. Reaktivna opterećenja karakteriziraju vodeća struja (Kapacitivna opterećenja) ili zaostajanje (Induktivna opterećenja) iza napona, kao takva obično postoji fazna razlika između struje i napona.

Gornja dva grafikona predstavljaju induktivno i kapacitivno opterećenje gdje faktor snage zaostaje, odnosno vodi. Na razlike u ove dvije vrste opterećenja dovodi do postojanja tri komponente snage u električnim sustavima, i to;

Stvarna snaga
Jalova snaga
Prividna snaga

1. Stvarna snaga

To je snaga povezana s otpornim opterećenjima. To je komponenta snage koja se rasipa na izvođenje stvarnih radova u električnim sustavima. Od grijanja do osvjetljenja itd. Izražava se u vatima (W) (zajedno s umnožiteljima, kilogramima, mega, itd.) I simbolično predstavlja slovo P.

2. Jalova snaga

To je snaga povezana s reaktivnim opterećenjima. Kao rezultat kašnjenja između napona i struje u reaktivnim opterećenjima, energija povučena u reaktivnoj (bilo kapacitivnoj bilo induktivnoj) ne daje nikakav rad. Naziva se reaktivnom snagom, a jedinica mu je Volt-Ampere reaktivna (VAR).

3. Prividna snaga

Tipični električni sustavi sastoje se od otpornih i induktivnih opterećenja, razmislite o svojim žaruljama i grijačima za otporna opterećenja i opremi s motorima, kompresorima itd. Kao induktivnim opterećenjima. Stoga je u električnom sustavu ukupna snaga kombinacija stvarne i reaktivne komponente snage, a ta se ukupna snaga naziva i prividnom snagom.

Prividna snaga daje se zbrojem stvarne snage i jalove snage. Njegova je jedinica volt-pojačala (VA) i matematički predstavljena jednadžbom;

Prividna snaga = stvarna snaga + reaktivna snaga

U idealnim situacijama stvarna snaga koja se rasipa u električnom sustavu obično je veća od jalove snage. Slika dolje prikazuje vektorski dijagram nacrtan pomoću tri komponente napajanja

Ovaj vektorski dijagram može se transformirati u trokut snage kao što je prikazano dolje.

Faktor snage može se izračunati dobivanjem gore prikazanog kuta theta (ϴ). Ovdje je theta kut između stvarne moći i prividne moći. Zatim, slijedeći pravilo kosinusa (Susjedno nad hipotenuzom), faktor snage može se procijeniti kao omjer stvarne snage i prividne snage. U formulama za izračun faktor snage je naveden u nastavku

PF = Stvarna snaga / Prividna snaga ili PF = Cosϴ

Stavljajući ovo uz bok jednadžbi za određivanje prividne snage, lako je uočiti da povećanje jalove snage (prisutnost velikog broja reaktivnih opterećenja) dovodi do povećanja prividne snage i veće vrijednosti za kut ϴ, što u konačnici rezultira malim faktorom snage kada se dobije njegov kosinus (cos ϴ). S druge strane, smanjenje reaktivnog opterećenja (reaktivne snage) dovodi do povećanog faktora snage, što ukazuje na visoku učinkovitost u sustavima s manje reaktivnog opterećenja i obrnuto. Vrijednost Faktora snage uvijek će biti između vrijednosti 0 i 1, što je bliže jednom to će veća biti učinkovitost sustava. U Indiji se smatra da je idealna vrijednost faktora snage 0,8. Vrijednost faktora snage nema jedinicu.

Važnost faktora snage

Ako je vrijednost faktora snage niska, to znači da se energija iz mreže troši, jer se njezin veliki dio ne koristi za smislen rad. To je zato što ovdje opterećenje troši više reaktivne snage u odnosu na stvarnu snagu. To predstavlja opterećenje opskrbnog sustava uzrokujući preopterećenje distribucijskog sustava jer će se iz sustava crpiti i stvarna snaga potrebna za opterećenje i jalova snaga koja se koristi za zadovoljavanje reaktivnih opterećenja.

Ovo naprezanje i "rasipanje" obično dovodi do ogromnih računa za električnu energiju za potrošače (posebno industrijske potrošače) jer komunalna poduzeća računaju potrošnju u smislu prividne snage, kao takva, na kraju plaćaju za energiju koja nije korištena za postizanje bilo kakvog "smislenog" posla. Neke tvrtke također kažnjavaju svoje potrošače ako crpe više reaktivne snage jer to uzrokuje preopterećenje sustava. Ova se novčana kazna izriče kako bi se smanjio faktor male snage koji uzrokuje opterećenja koja se koriste u industriji.

Čak i u situacijama kada električnu energiju daju generatori tvrtke, novac se troši na veće generatore, kabele veće veličine itd. Potrebne za napajanje kad će se dobar dio njih samo potrošiti. Da biste to bolje razumjeli, razmotrite donji primjer

Tvornica koja radi sa opterećenjem od 70kW mogla bi se uspješno napajati generatorom / transformatorom i kabelima snage 70 kVA ako tvornica radi s faktorom snage 1. Ali, ako faktor snage padne na 0,6, čak i s istim opterećenjem 70KW, bit će potreban veći generator ili transformator snage 116,67 kVA (70 / 0,6), jer će generator / transformator morati isporučiti dodatnu snagu za reaktivno opterećenje. Uz ovaj veliki porast zahtjeva za snagom, također bi se trebala povećati veličina upotrijebljenih kabela, što bi dovelo do značajnog povećanja troškova opreme i povećanih gubitaka snage kao rezultat otpora duž vodiča. Kazna za to nadilazi visoke račune za struju u nekim zemljama, jer tvrtke s lošim faktorom snage obično dobivaju novčane kazne kako bi potaknule ispravljanje.

Poboljšanje faktora snage

Uz sve rečeno, složit ćete se sa mnom da je ekonomski logičnije ispraviti loši faktor snage nego nastaviti plaćati goleme račune za struju, posebno za velike industrije. Također se procjenjuje da se preko 40% na računima za električnu energiju može uštedjeti u ogromnim industrijama i proizvodnim pogonima ako se faktor snage korigira i održi na niskom nivou.

Osim smanjenja troškova za potrošače, upravljanje učinkovitim sustavom pridonosi ukupnoj pouzdanosti i učinkovitosti elektroenergetske mreže, jer komunalna poduzeća mogu smanjiti gubitke u vodovima i troškove održavanja, a istovremeno imaju i smanjenje količine transformatora i slična infrastruktura podrške potrebna za njihovo poslovanje.

Izračunavanje faktora snage za vaše opterećenje

Prvi korak ispravljanja faktora snage je određivanje faktora snage za vaše opterećenje. To može učiniti;

1. Izračun reaktivne snage pomoću pojedinosti reaktancije tereta

2. Određivanje stvarne snage koju troši teret i kombiniranje s prividnom snagom da bi se dobio faktor snage.

3. Korištenje mjerača faktora snage.

Mjerač faktora snage uglavnom se koristi jer pomaže u jednostavnom dobivanju faktora snage u velikim postavkama sustava, gdje određivanje detalja reaktancije opterećenja i stvarne raspršene snage može biti težak put.

S poznatim faktorom snage možete ga nastaviti ispravljati, prilagođavajući ga što je moguće bliže 1.nPreporučeni faktor snage od strane tvrtki za opskrbu električnom energijom obično je između 0,8 i 1, a to se može postići samo ako radite gotovo čisto otporno opterećenje ili induktivna reaktancija (opterećenje) u sustavu jednaka je reaktanciji kapacitivnosti jer će se oboje međusobno poništiti.

S obzirom na činjenicu da je uporaba induktivnih opterećenja češći uzrok faktora male snage, posebno u industrijskim uvjetima (zbog upotrebe teških motora itd.), Jedna od najjednostavnijih metoda ispravljanja faktora snage je poništavanjem induktivna reaktancija upotrebom korekcijskih kondenzatora koji u sustav unose kapacitivnu reaktanciju.

Kondenzatori za korekciju faktora snage djeluju kao generator reaktivne struje, suprotstavljajući / kompenzirajući snagu koja se „troši“ induktivnim opterećenjima. Međutim, prilikom umetanja ovih kondenzatora u postavke treba pažljivo razmotriti dizajn kako bi se osigurao nesmetan rad s opremom poput pogona s promjenjivom brzinom i učinkovita ravnoteža s troškovima. Ovisno o objektu i raspodjeli opterećenja, dizajn bi se mogao sastojati od kondenzatora fiksne vrijednosti instaliranih na induktivnim mjestima opterećenja ili automatski kondenzatorskih kondenzatora instaliranih na sabirnicama razdjelnih ploča za centraliziranu korekciju koja je obično isplativija u velikim sustavima.

Upotreba kondenzatora za korekciju faktora snage u postavkama ima i svojih loših strana, posebno kada se ne koriste pravi kondenzatori ili sustav nije pravilno dizajniran. Korištenje kondenzatora moglo bi proizvesti kratkotrajno razdoblje "prenapona", kada se uključi, što bi moglo utjecati na pravilan rad opreme poput pogona s promjenjivom brzinom, uzrokujući njihovo povremeno isključivanje ili puhanje osigurača na nekim kondenzatorima. Međutim, to bi se moglo riješiti pokušajem podešavanja redoslijeda upravljanja prebacivanjem, u slučaju pogona brzine ili uklanjanjem harmonskih struja u slučaju osigurača.

Unity Power Factor i zašto to nije praktično

Kad je vrijednost vašeg faktora snage jednaka 1, tada se kaže da je faktor snage jedinstveni faktor snage. Možda bi bilo primamljivo dobiti optimalni faktor snage 1, ali gotovo ga je nemoguće postići zbog činjenice da niti jedan sustav nije uistinu idealan. U tom smislu nijedno opterećenje nije isključivo otporno, kapacitivno ili induktivno. Svako se opterećenje sastoji od nekih elemenata drugog, koliko god malen bio, jer je takav tipičan raspon faktora snage ostvarive obično do 0,9 / 0,95. O tim parazitskim svojstvima RLC elemenata već smo saznali u našim člancima o ESR i ESL s kondenzatorima.

Faktor snage je odrednica koliko dobro koristite energiju i koliko plaćate račune za električnu energiju (posebno za industriju). U produžetku, on glavno pridonosi operativnim troškovima i mogao bi biti onaj čimbenik koji stoji iza smanjenih profitnih marži na koji niste obraćali pažnju. Poboljšanje faktora snage vašeg električnog sustava moglo bi pomoći u smanjenju računa za električnu energiju i osigurati maksimalne performanse.