Pochopenie účinníka a jeho vplyv na účty za energiu

Okrem bezpečnosti a spoľahlivosti by sa pri navrhovaní a implementácii elektrických systémov malo sledovať niekoľko ďalších cieľov vrátane efektívnosti. Jedným z opatrení účinnosti v elektrickom systéme je účinnosť, s ktorou systém transformuje prijatú energiu na užitočnú prácu. Túto účinnosť naznačuje komponent elektrických systémov známy ako účinník. Účinník udáva, koľko energie skutočne využívané na vykonávanie užitočnej práce zaťažením a koľko energie je "plytvanie". Akokoľvek znie jeho názov triviálne, je to jeden z hlavných faktorov vysokých účtov za elektrinu a výpadkov napájania.

Aby ste mohli správne opísať účinník a jeho praktický význam, je dôležité osviežiť si pamäť o rôznych druhoch elektrickej záťaže a komponentoch energie, ktoré existujú.

Zo základných tried elektriny sú elektrické záťaže zvyčajne dvoch typov;

1. Odporové zaťaženia
2. Reaktívne zaťaženie

1. Odporové zaťaženie

Odporové záťaže, ako už z názvu vyplýva, sú tieto záťaže zložené z čisto odporových prvkov. Pri tomto druhu záťaže (s prihliadnutím na ideálne podmienky) sa všetka energia, ktorá sa do nej dodáva, odvádza kvôli práci, pretože prúd je vo fáze s napätím. Dobrým príkladom odporovej záťaže sú žiarovky a batérie.

Výkonová zložka spojená s odporovými záťažami sa označuje ako skutočný výkon. Táto skutočná sila sa tiež niekedy nazýva pracovná sila, skutočná sila alebo skutočná sila. Ak ste v oblasti striedavého prúdu nováčikom a máte zmätok so všetkými týmito tvarmi vĺn, potom sa odporúča prečítať si základné informácie o striedavom napájaní, aby ste pochopili, ako funguje striedavé napájanie.

2. Reaktívne záťaže

Reaktívne záťaže sú na druhej strane trochu zložitejšie. Kým oni spôsobujú pokles napätia a odoberajú prúd zo zdroja, ktoré rozptýliť žiadnu užitočnú energiu ako takú, pretože moc čerpajú z dodávok nemá žiadnu prácu. Je to z dôvodu povahy reaktívneho zaťaženia.

Reaktívne záťaže môžu byť kapacitné alebo indukčné. Pri indukčných záťažiach sa odobratý výkon spotrebuje pri nastavovaní magnetického toku bez akejkoľvek priamej práce, zatiaľ čo pri kapacitných zaťaženiach sa výkon využíva pri nabíjaní kondenzátora a nie pri priamej výrobe práce. Výkon takto rozptýlený v jalovom zaťažení sa označuje ako jalový výkon. Reaktívne záťaže sú charakterizované vedením prúdu (Kapacitné záťaže) alebo zaostávaním (Induktívne záťaže) za napätím, ako také obvykle existuje fázový rozdiel medzi prúdom a napätím.

Vyššie uvedené dva grafy predstavujú indukčné a kapacitné zaťaženie, pri ktorých účinník zaostáva a vedie. Tieto rozdiely v týchto dvoch typov vedie zaťaženie na existenciu troch výkonových prvkov v elektrických systémoch, a to;

1. Skutočná sila
2. Jalový výkon
3. Zdanlivá sila

1. Skutočná moc

Toto je výkon spojený s odporovými záťažami. Je to výkonová zložka rozptýlená pri výkone skutočnej práce v elektrických systémoch. Od vykurovania po osvetlenie atď., Vyjadruje sa vo wattoch (W) (spolu s jeho multiplikátormi, kilo, Mega atď.) A symbolicky predstavuje písmeno P.

2. Jalový výkon

Toto je výkon spojený s jalovým zaťažením. V dôsledku oneskorenia medzi napätím a prúdom v reaktívnom zaťažení energia privedená do reaktívneho (kapacitného alebo indukčného) neprodukuje žiadnu prácu. Je označovaný ako jalový výkon a jeho jednotkou je Volt-Ampere Reactive (VAR).

3. Zdanlivá sila

Typické elektrické systémy pozostávajú z odporových aj indukčných záťaží, myslite na svoje žiarovky a ohrievače na odporové záťaže a zariadenie s motormi, kompresormi atď. Ako na indukčné záťaže. V elektrickom systéme je teda celkový výkon kombináciou zložiek skutočného a jalového výkonu, tento celkový výkon sa nazýva aj zdanlivý výkon.

Zdanlivý výkon je daný súčtom skutočného výkonu a jalového výkonu. Jeho jednotkou sú voltampéry (VA) a matematicky ju predstavuje rovnica;

Zdanlivý výkon = skutočný výkon + jalový výkon

V ideálnych situáciách je skutočný výkon rozptýlený v elektrickom systéme zvyčajne väčší ako jalový výkon. Nasledujúci obrázok zobrazuje vektorový diagram nakreslený pomocou troch výkonových komponentov

Tento vektorový diagram je možné transformovať do výkonového trojuholníka, ako je znázornené nižšie.

Účinník možno vypočítať získaním uhla theta (ϴ) uvedeného vyššie. Tu theta je uhol medzi skutočnou silou a zdanlivou silou. Potom podľa kosínusového pravidla (susediace s preponou) možno účinník odhadnúť ako pomer skutočného výkonu k zdanlivému. Na vzorcoch pre výpočet účinník je uvedený nižšie

PF = skutočný výkon / zdanlivý výkon alebo PF = Cosϴ

Ak to dáme vedľa seba s rovnicou na určovanie zdanlivého výkonu, je ľahké vidieť, že zvýšenie jalového výkonu (prítomnosť veľkého počtu jalových záťaží) vedie k zvýšeniu zdanlivého výkonu a väčšej hodnote pre uhol ϴ, čo nakoniec vedie k nízkemu účinníku, keď sa získa jeho kosínus (cos ϴ). Na druhú stranu, zníženie jalového zaťaženia (jalového výkonu) vedie k zvýšeniu účinníka, čo naznačuje vysokú účinnosť v systémoch s menej jalovým zaťažením a naopak. Hodnota účinníka bude vždy medzi hodnotou 0 a 1, čím bližšie k hodnote, tým vyššia bude účinnosť systému. V Indii sa za ideálnu hodnotu účinníka považuje 0,8. Hodnota účinníka nemá jednotku.

Dôležitosť účinníka

Ak je hodnota účinníka nízka, znamená to, že dochádza k plytvaniu energiou zo siete, pretože jej veľká časť sa nepoužíva na zmysluplnú prácu. Je to preto, že záťaž tu spotrebováva viac jalového výkonu v porovnaní so skutočným výkonom. Toto zaťažuje napájací systém a spôsobuje preťaženie distribučnej sústavy, pretože zo systému sa bude odoberať skutočný výkon požadovaný záťažou aj jalový výkon použitý na uspokojenie jalovej záťaže.

Toto napätie a „plytvanie“ zvyčajne vedie k obrovským faktúram za elektrinu pre spotrebiteľov (najmä priemyselných spotrebiteľov), pretože energetické spoločnosti počítajú spotrebu podľa zdanlivej sily, takže nakoniec platia za energiu, ktorá sa nepoužila na vykonanie „zmysluplnej“ práce.. Niektoré spoločnosti pokutujú svojich spotrebiteľov aj v prípade, že odoberajú reaktívny výkon, pretože to spôsobuje preťaženie systému. Táto pokuta sa ukladá s cieľom znížiť nízky účinník spôsobujúci zaťaženie používané v priemysle.

Aj v situáciách, keď energiu poskytujú generátory spoločnosti, sa míňajú peniaze na väčšie generátory, káble väčších rozmerov atď., Ktoré sú potrebné na zabezpečenie napájania, keď sa bude zbytočne míňať veľa z nich. Ak tomu chcete lepšie porozumieť, zvážte nasledujúci príklad

Továreň, ktorá prevádzkuje záťaž 70kW, by mohla byť úspešne napájaná z generátora / transformátora a káblov dimenzovaných na 70 kVA, ak továreň pracuje s účinníkom 1. Ak však účinník klesne na 0,6, potom aj pri rovnakom zaťažení 70 KW, bude potrebný väčší generátor alebo transformátor s výkonom 116,67 kVA (70 / 0,6), pretože generátor / transformátor bude musieť dodávať dodatočný výkon pre jalovú záťaž. Okrem tohto silného nárastu energetických požiadaviek by bolo tiež potrebné zväčšiť veľkosť použitých káblov, čo by viedlo k výraznému zvýšeniu nákladov na zariadenie a zvýšeniu energetických strát v dôsledku odporu pozdĺž vodičov. Trest za to ide nad rámec vysokých účtov za elektrinu v niektorých krajinách, pretože spoločnosti so slabým výkonovým faktorom zvyčajne dostávajú pokuty, obrovské sumy, aby podporili nápravu.

Zlepšenie účinníka

So všetkým, čo bolo povedané, budete so mnou súhlasiť, že má z ekonomického hľadiska väčší zmysel napraviť slabý výkonový faktor, ako platiť obrovské účty za elektrinu, najmä pre veľké priemyselné odvetvia. Odhaduje sa tiež, že viac ako 40% z účtov za elektrinu možno ušetriť v obrovských priemyselných odvetviach a výrobných závodoch, ak dôjde k úprave a udržaniu nízkej hodnoty účinníka.

Okrem zníženia nákladov pre spotrebiteľov prevádzka efektívneho systému prispieva k celkovej spoľahlivosti a účinnosti elektrickej siete, pretože energetické spoločnosti sú schopné znížiť straty na linkách a náklady na údržbu a zároveň zaznamenať zníženie počtu transformátorov a podobnú podpornú infraštruktúru potrebnú pre ich prevádzku.

Výpočet účinníka pre vaše zaťaženie

Prvým krokom k náprave účinníka je určenie účinníka pre vaše zaťaženie. To je možné vykonať pomocou;

1. Výpočet jalového výkonu pomocou reaktančných detailov záťaže

2. Určenie skutočného výkonu rozptýleného záťažou a jeho kombinovanie so zdanlivým výkonom na získanie účinníka.

3. Použitie merača účinníka.

Merač účinníka sa väčšinou používa, pretože pomáha ľahko získať účinník vo veľkých systémových zostavách, kde môže byť zložité určovať podrobnosti reaktancie záťaže a skutočného rozptýleného výkonu.

Keď je známy výkonový faktor, môžete ho opraviť a upraviť ho čo najbližšie k 1. n. Odporúčaný účinník od spoločností poskytujúcich elektrinu je zvyčajne medzi 0,8 a 1 a je ho možné dosiahnuť, iba ak prevádzkujete takmer čisto odporové zaťaženie alebo indukčná reaktancia (záťaž) v systéme sa rovná kapacitnej reaktancii, pretože obidve sa navzájom rušia.

Vzhľadom na to, že použitie indukčných záťaží je častejšou príčinou nízkeho účinníka, najmä v priemyselných prostrediach (v dôsledku použitia ťažkých motorov atď.), Je jednou z najjednoduchších metód korekcie účinníka zrušenie indukčná reaktancia pomocou korekčných kondenzátorov, ktoré zavádzajú kapacitnú reaktanciu do systému.

Korekčné kondenzátory účinníka pôsobia ako generátor jalového prúdu a vyrovnávajú / kompenzujú výkon, ktorý je „premrhaný“ indukčnými záťažami. Pri vkladaní týchto kondenzátorov do zostáv je však potrebné starostlivo zvážiť návrh, aby sa zaistila plynulá prevádzka so zariadeniami, ako sú frekvenčné meniče a efektívna rovnováha s nákladmi. V závislosti od zariadenia a rozloženia záťaže môže návrh obsahovať kondenzátory s pevnou hodnotou inštalované v bodoch indukčného zaťaženia alebo automatické kondenzátorové banky kondenzátorov inštalované na prípojniciach distribučných panelov pre centralizovanú korekciu, ktorá je obvykle nákladovo efektívnejšia vo veľkých systémoch.

Používanie kondenzátorov na korekciu účinníka v zostavách má svoje negatíva, najmä keď sa nepoužívajú správne kondenzátory alebo systém nie je správne navrhnutý. Používanie kondenzátorov môže po zapnutí spôsobiť krátke obdobie „prepätia“, ktoré by mohlo ovplyvniť správnu funkčnosť zariadení, ako sú meniče rýchlosti, spôsobiť ich prerušované vypínanie alebo vybuchovanie poistiek na niektorých kondenzátoroch. Mohlo by sa to však vyriešiť pokusom o úpravu sledu spínania v prípade rýchlostných pohonov alebo vylúčením harmonických prúdov v prípade poistiek.

Unity Power Factor a prečo to nie je praktické

Ak sa hodnota vášho účinníka rovná 1, potom sa o účinníku hovorí, že je jednotkový účinník. Možno by bolo lákavé získať optimálny účinník 1, ale je takmer nemožné ho dosiahnuť, pretože žiadny systém nie je skutočne ideálny. V tom zmysle, že žiadne zaťaženie nie je čisto odporové, kapacitné alebo indukčné. Každé zaťaženie pozostáva z niektorých prvkov druhého, bez ohľadu na to, ako malé, pretože taký typický realizovateľný rozsah účinníka je zvyčajne až 0,9 / 0,95. O týchto parazitických vlastnostiach RLC prvkov sme sa už dozvedeli v našich článkoch ESR a ESL with Capacitors.

Účinník určuje, ako dobre využívate energiu a koľko platíte vo faktúrach za elektrinu (najmä v priemyselných odvetviach). V širšom zmysle významne prispieva k prevádzkovým nákladom a môže byť tým činiteľom znižujúcim ziskové marže, ktorému ste nevenovali pozornosť. Zlepšenie účinníka vášho elektrického systému by mohlo pomôcť znížiť účty za elektrinu a zabezpečiť maximálny výkon.