Форум сайта mypractic.ru
Коэффициент мощности это параметр, характеризующий искажения формы потребляемого от сети переменного тока. Крайне важный показатель для любого потребителя электроэнергии. От него зависят потери на активном сопротивлении проводов сети.
Если мы подключим к сети переменного тока активное сопротивление, то форма напряжения на нем и форма тока будут совпадать. Все расчеты в такой цепи определяются действующими значениями тока и напряжения. Амперметры и вольтметры переменного тока также измерят действующие величины. Математически они определяются как среднеквадратичное значение тока или напряжения за период и эквивалентны значениям постоянного тока или напряжения по количеству выделяемого тепла. Все просто.
Но давайте подключим реактивный элемент к цепи переменного тока, например конденсатор. Форма тока и напряжения на нагрузке перестанут совпадать. (Я промоделировал в SwCAD).
Конденсатор будет накапливать энергию, и отдавать ее назад в сеть. По диаграмме видно, что средние значения тока и напряжения на конденсаторе равны 0. На конденсаторе не остается энергии. Все, что получил, все вернул. Появилась реактивная мощность. Она не совершает полезной работы. Она накапливается на реактивных элементах, и возвращается в сеть питания. Возвращается по питающим проводам, от чего на их активном сопротивлении выделяется мощность потерь. Поэтому необходимо стремиться к увеличению коэффициента мощности. В идеале, для активной нагрузки он равен 1.
-
P — активная мощность , та, что выделяется на нагрузке, совершает полезную работу. Измеряется в Вт.
Q — реактивная мощность , накапливается на реактивных элементах и возвращается в сеть. Именно она создает тепловые потери в проводах сети. Измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАР).
S – полная мощность . Вычисляется как произведение действующих значений тока и напряжения на нагрузке S = U * I. Измеряется в вольт-амперах (ВА).
Для синусоидальных форм тока и напряжения значение cos ϕ равно коэффициенту мощности. Т.е. cos ϕ это синоним коэффициента мощности для цепей с синусоидальным током нагрузки .
Как только форма тока нагрузки перестает быть синусоидальной, все меняется. Большинство современных потребителей электроэнергии переменного тока имеют выпрямительно-конденсаторную нагрузку и искажают форму тока. Вот эквивалентная схема таких нагрузок.
Напряжение сети выпрямляется, затем сглаживается на конденсаторе. Сама нагрузка имеет активно-емкостной характер, но выпрямительные диоды имеют нелинейную характеристику. В результате ток потребляется только в середине периода и имеет сильно искаженную форму.
У подобных потребителей электроэнергии коэффициент мощности около 0,7.
Вот таблица примерных значений коэффициентов мощности для разных потребителей электроэнергии .
Часто встречается поисковый запрос ”коэффициент мощности на постоянном токе”. Так вот, в цепях постоянного тока понятия коэффициент мощности не существует . Нет реактивной мощности, нет коэффициента мощности.
Как измерить коэффициент мощности.
Для измерения в цепях с синусоидальным током, т.е. для измерения cos ϕ существуют специальные приборы – фазометры.
Для измерения коэффициента тока в цепях с искажением формы тока нагрузки используют следующую методику.
Надо собрать несложную схему.
Дальше необходимо посчитать полную мощность, как произведение показаний амперметра и вольтметра
S = I * U .
Остается разделить активную мощность (показания ваттметра) на вычисленную полную мощность
λ = P / S .
В результате получим значение коэффициента мощности.
Вольтметр и амперметр переменного тока есть у всех. А вот ваттметр активной мощности найти не так просто. Его можно заменить счетчиком электроэнергии. Современные электросчетчики имеют класс точности 1, т.е. измерения получатся по точности не хуже чем с ваттметром.
Для вычисления активной мощности нужно замерить время, например, 10 калибровочных импульсов (миганий светодиода на передней панели электросчетчика). Дальше, вычислить время периода для одного импульса, т.е. разделить на 10. Зная передаточный коэффициент счетчика (обычно 3200 импульсов на 1 кВт ч) можно вычислить активную мощность на нагрузке.
Реле контроля нагрузки, контроля мощности и cos φ
Реле контроля нагрузки позволяют контролировать различные варианты сбоя в работе промышленного оборудования, имеющего своим основным элементов двигатель или насос. Для этого реле контроля подключается в цепь питания электродвигателя, измеряет активную мощность или коэффициент мощности (cos φ) и осуществляет управляющее воздействие при выходе контролируемых значений за предустановленные пороги срабатывания.
Реле контроля мощности и коэффициента мощности cos φ не контролируют параметры цепи питания, как реле контроля фаз. Для вычисления активной мощности или коэффициента мощности необходимо измерить величину напряжения и ток по одной из фаз цепи питания электродвигателя, это может быть однофазная или трехфазная нагрузка. Выводы о работе и состоянии двигателя, делаются на основе контроля за показаниями изменения потребляемой мощности во время работы с помощью реле.
Варианты контроля нагрузки:
- Реле активной мощности — реле контроля потребляемой активной мощности однофазными и трехфазными нагрузками в сетях переменного тока, позволяют уверенно контролировать как ситуацию перегрузки, так и ситуацию недогрузки.
- Реле коэффициента мощности — реле контролирующее фазовое смещение между током и напряжением и анализирует cos-φ, что позволяет уверенно определять только ситуацию недогрузки или перегрузки, при существенном изменении коэффициента мощности в этом случае.
- Реле контроля тока позволяют уверенно определять только ситуацию перегрузки, во время скачка тока.
Как измерить коэффициент мощности:
Измерить коэффициент мощности можно косвенными методами.
В однофазной сети косинус фи можно определить по показаниям амперметра, вольтметра и ваттметра по формуле:
cos φ = P / (U х I), где
Р, U, I — показания приборов.
в цепи трехфазного тока
cos φ = P w / ( √ 3 х Uл х Iл)
где Pw — мощность всей системы, Uл, Iл — линейные напряжение и ток, измеренные вольтметром и амперметром.
В симметричной трехфазной цепи значение косинус фи можно определить из показаний двух ваттметров P w 1 и P w 2 по формуле:
Общая относительная погрешность рассмотренных методов равна сумме относительных погрешностей каждого прибора, поэтому точность косвенных методов невелика.
Численное значение косинус фи зависит от характера нагрузки. Если нагрузкой являются лампы накаливания и нагревательные приборы, то косинус фи = 1, если нагрузка содержит еще и асинхронные электродвигатели, то косинус фи < 1. При изменении нагрузки электродвигателя его косинус фи существенно изменяется (от 0,1 на холостом ходу до 0,86 — 0,87 при номинальной нагрузке), изменяется и косинус фи сетей.
Поэтому на практике в электрических сетях определяют так называемый средневзвешенный коэффициент мощности за какое-то определенное время, допустим, за сутки или месяц. Для этого в конце рассматриваемого периода снимают показания счетчиков активной и реактивной энергии Wa и Wv и определяют средневзвешенное значение коэффициента мощности по формуле:
Это значение средневзвешенного коэффициента мощности желательно иметь в электрических сетях равным 0,92 — 0,95.
Для измерения cos φ (косинуса фи) используют фазометры, позволяющие измерить непосредственно фазовый сдвиг между напряжением и током нагрузки.
Фазометр — электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями.
Электродинамические фазометры в которых неподвижная катушка включена последовательно с нагрузкой, а подвижные катушки — параллельно нагрузке, так, что ток одной из них отстает от напряжения на угол β1. Для этого последовательно с катушкой включена активно-индуктивная нагрузка, а ток другой опережает напряжение на некоторый угол β2 , для чего включена активно-емкостная нагрузка, причем β1 + β2 = 90 о
Угол отклонения стрелки такого прибора зависит только от значения косинуса фи.
Цифровые фазометры для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями.
В цифровых фазометрах прямого преобразования для измерения фазового сдвига его преобразуют в интервал времени и измеряют последним. Исследуемые напряжения подают на два входа прибора, на цифровом отсчетном устройстве прибора снимают показания числа импульсов, поступающих на счетчик прибора за один период исследуемых напряжений, которое соответствует фазовому сдвигу в градусах (или в долях градуса).
Из щитовых приборов, предназначенных для измерения, наиболее простой фазометр типа Д31, который может работать в однофазных сетях переменного тока с частотой 50, 500, 1000, 2400, 8000 Гц. Класс точности 2,5. Пределы измерений косинуса фи от 0,5 емкостного фазового сдвига до 1 и от 1 до 0,5 индуктивного фазового сдвига. Фазометры включают через измерительные трансформаторы тока с вторичным током 5 А и измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 100 В.
Для измерения косинуса фи в трехфазной сети при симметричной нагрузке можно применять щитовые фазометры типа Д301. Класс их точности 1,5. Последовательные цепи включают на ток 5 А непосредственно, а также через трансформатор тока, параллельные цепи включают непосредственно на 127, 220, 380 В, а также через измерительные трансформаторы напряжения.
Диапазоны измерения параметров реле:
Для двигателей небольшой мощности измерение параметров можно проводить напрямую в следующих диапазонах:
Как измерить коэффициент мощности
Для измерения косинус фи лучше всего иметь специальные приборы, предназначенные для непосредственного его измерения — фазометры.
Фазометр — электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями.
Если таких приборов нет, то измерять коэффициент мощности можно косвенным методом . Например, в однофазной сети косинус фи можно определить по показаниям амперметра, вольтметра и ваттметра:
cos фи = P / (U х I), где Р, U, I — показания приборов.
в цепи трехфазного тока cos фи = P w / ( √ 3 х Uл х Iл)
где Pw — мощность всей системы, Uл, Iл — линейные напряжение и ток, измеренные вольтметром и амперметром.
В симметричной трехфазной цепи значение косинус фи можно определить из показаний двух ваттметров P w 1 и P w 2 по формуле
Общая относительная погрешность рассмотренных методов равна сумме относительных погрешностей каждого прибора, поэтому точность косвенных методов невелика.
Численное значение косинус фи зависит от характера нагрузки. Если нагрузкой являются лампы накаливания и нагревательные приборы, то косинус фи = 1, если нагрузка содержит еще и асинхронные электродвигатели, то косинус фи
Поэтому на практике в электрических сетях определяют так называемый средневзвешенный коэффициент мощности за какое-то определенное время, допустим, за сутки или месяц. Для этого в конце рассматриваемого периода снимают показания счетчиков активной и реактивной энергии Wa и Wv и определяют средневзвешенное значение коэффициента мощности по формуле
Это значение средневзвешенного коэффициента мощности желательно иметь в электрических сетях равным 0,92 — 0,95.
Использование фазометра для измерения коэффициента мощности
Измерить непосредственно фазовый сдвиг между напряжением и током нагрузки можно при помощи специальных измерительных приборов — фазометров .
Наибольшее распространение получили фазометры электродинамической системы , в которых неподвижная катушка включена последовательно с нагрузкой, а подвижные катушки — параллельно нагрузке, так, что ток одной из них отстает от напряжения на угол β1. Для этого последовательно с катушкой включена активно-индуктивная нагрузка, а ток другой опережает напряжение на некоторый угол β2 , для чего включена активно-емкостная нагрузка, причем β1 + β2 = 90 о
Рис. 1. Схема включения фазометра (а) и векторная диаграмма напряжений и токов (б).
Угол отклонения стрелки такого прибора зависит только от значения косинуса фи.
Для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями часто применяют цифровые фазометры . В цифровых фазометрах прямого преобразования для измерения фазового сдвига его преобразуют в интервал времени и измеряют последний. Исследуемые напряжения подают на два входа прибора, на цифровом отсчетном устройстве прибора снимают показания числа импульсов, поступающих на счетчик прибора за один период исследуемых напряжений, которое соответствует фазовому сдвигу в градусах (или в долях градуса).
Из щитовых приборов, предназначенных для измерения, наиболее простой фазометр типа Д31, который может работать в однофазных сетях переменного тока с частотой 50, 500, 1000, 2400, 8000 Гц. Класс точности 2,5. Пределы измерений косинуса фи от 0,5 емкостного фазового сдвига до 1 и от 1 до 0,5 индуктивного фазового сдвига. Фазометры включают через измерительные трансформаторы тока с вторичным током 5 А и измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 100 В.
Для измерения косинуса фи в трехфазной сети при симметричной нагрузке можно применять щитовые фазометры типа Д301. Класс их точности 1,5. Последовательные цепи включают на ток 5 А непосредственно, а также через трансформатор тока, параллельные цепи включают непосредственно на 127, 220, 380 В, а также через измерительные трансформаторы напряжения.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Что такое коэффициент мощности, косинус фи и тангенс фи
Одной из важнейших характеристик электрических устройств является мощность. Поэтому желательно знать, что такое коэффициент мощности и как он рассчитывается. Это поможет не только оценить эффективность использования электрической энергии, но и правильно организовать работу электроприбора.
Виды мощности
В цепи переменного электротока возникают три мощности: активная, реактивная и полная. Активную называют полезной или действующей мощностью. Это связано с тем, что она тратится на осуществление полезной работы. Обычно при этом электрическая энергия преобразуется в другие виды.
Реактивная мощность в процессе работы электроприбора не тратится, а лишь переходит из одной формы в другую. В данной мощности нуждаются устройства, принцип действия которых основывается на использовании электромагнитного поля.
Одним из примеров таких устройств может служить колебательный контур, включающий в себя индуктивность и ёмкость в предположении, что активное сопротивление деталей пренебрежимо мало. Ещё одним можно считать трансформатор. В нём ток и напряжение передаются по сердечнику с помощью колебаний электромагнитного поля.
Полную мощность можно получить векторным сложением активной и реактивной составляющих.
Что такое коэффициент мощности
Иногда бывает важно понять, какая часть мощности уходит на выполнение полезной работы. Для этого необходимо узнать активную и реактивную мощность рассматриваемого электрического прибора. Далее на их основе определяют полную.
В электротехнике для определения мощности в сети постоянного тока используется следующее соотношение:
В цепи переменного тока вычисление искомой величины производится более сложным образом. При этом следует учитывать, что изменения напряжения и тока по времени совпадать не будут. Электроток в ёмкостной нагрузке опережает напряжение, а в индуктивной, наоборот, отстает.
Поэтому при вычислении мощности принято использовать эффективные значения тока и напряжения. При этом рассматривается такая постоянная величина тока и напряжения, которая на активном сопротивлении выделит то же количество тепла, что и рассматриваемые переменные величины.
Конечно, в таких случаях можно также вычислить мгновенную мощность. Для этого достаточно перемножить мгновенные значения тока и напряжения. Однако данная величина не учитывает сильную инерцию энергетических процессов, в связи с чем подобный расчет величин имеет ограниченное применение.
Чтобы определить коэффициент активной мощности нужно разделить активную мощность на полную. Данный коэффициент позволяет оценить эффективность использования рассматриваемого технического решения. Соотношение между реактивной и активной мощностью определяет тангенс «фи».
Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА). Для активной используют ватты (Вт). Для реактивной применяется единица измерения вольт-ампер реактивный (ВАР).
Поскольку сложение мощностей происходит по векторным правилам, то нужно учитывать, что векторы активной и реактивной составляющих перпендикулярны друг к другу. Результат вычислений представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника с указанными катетами. Формула полной мощности выглядит следующим образом:
Это следует из теоремы Пифагора. Здесь применяется правило для нахождения гипотенузы прямоугольного треугольника. Если выразить катеты через гипотенузу и угол «фи», то можно получить формулу для определения активной мощности:
Аналогичным образом выражается и реактивная:
Следовательно, из формулы для активной мощности можно найти cosφ:
Для трехфазного напряжения формула принимает следующий вид:
Поэтому следует понимать, что такое косинус «фи» в данной формуле. А это все тот же коэффициент мощности, который позволяет оценивать электроприемники при наличии реактивной составляющей в потребляемом токе.
Называется cosφ коэффициентом мощности в связи с тем, что при векторном сложении в прямоугольном треугольнике значение косинуса угла φ можно найти, разделив длину катета, соответствующего активной мощности, на длину гипотенузы, выражающей полную мощность. Следовательно, формула коэффициента мощности выглядит так:
Коэффициент активной мощности cosφ может иметь значение в диапазоне от 0 до 1. Иногда его выражают в процентах. В таком случае коэффициент обозначают греческой буквой «лямбда». Соотношение катетов в прямоугольном треугольнике определяет тангенс «фи».
Коэффициент мощности является низким в тех случаях, когда активная составляющая мала по сравнению с полной мощностью. Это говорит о неэффективности применяемого оборудования.
Для тока и напряжения синусоидальной формы cosφ соответствует косинусу угла отставания по фазе для этих параметров.
Выгода электрооборудования с высоким коэффициентом мощности
Это связано с наличием следующих факторов:
- Поставщики электроэнергии в некоторых случаях контролируют коэффициент мощности оборудования, используемого потребителями. Они могут выставлять дополнительный счёт, если он будет ниже 0.95. В том случае, когда коэффициент меньше 0.85, поставка электроэнергии может быть ограничена.
- Низкий коэффициент приводит к тому, что при относительно небольшом объёме полезной работы происходят повышенные траты электроэнергии. Таким образом, за определённый объём полезной работы потребителю приходится переплачивать.
- В линиях электропередач наличие высоких показателей указывает на незначительные потери при передаче энергии.
- Низкий коэффициент в системе электроснабжения может приводить к уменьшению напряжения в сети. Это часто становится причиной перегрева используемых потребителем устройств.
При рассмотрении работы электрических устройств нужно учитывать, что часть из них генерирует реактивную мощность, а другие являются потребителями. Следовательно, применение первых приводит к возрастанию реактивной мощности, а использование вторых — к её уменьшению.
Реактивная мощность генерируется при работе асинхронного электродвигателя, трансформаторов, ветряных генераторов, систем освещения на разрядных лампах. Наличие реактивной нагрузки ухудшает эффективность работы оборудования. В качестве потребителей рассматриваются конденсаторы, синхронные двигатели и генераторы.
Для уменьшения реактивной мощности можно использовать следующие способы:
- В цепи устанавливаются конденсаторы. При их использовании совместно с индуктивностью они образуют колебательный контур. В нём мощность от индуктивности будет потребляться ёмкостью.
- Следует избегать работы асинхронных двигателей вхолостую или с малой мощностью.
- Нужно исключить возможность работы оборудования при напряжении, которое превышает номинальное.
- Рекомендуется по мере замены двигателей переходить на те, которые имеют более высокий коэффициент полезного действия.
Оптимальной нагрузкой является номинальная. Если используется нагрузка, значение которой меньше или больше номинальной, то это существенно снижает эффективность работы оборудования.
Как узнать коэффициент мощности
Значение рассматриваемого коэффициента указывается в сопроводительной технической документации к приобретаемому промышленному оборудованию или бытовому прибору. Однако при этом речь идёт о номинальном значении.
Более точно коэффициент измеряется с помощью специализированного прибора, который называется фазометром.
Такие приборы могут быть электродинамическими или цифровыми. С помощью измерений можно достаточно просто и с большой точностью узнать чему равен cosφ и какова эффективность использования прибора.
Если фазометра нет в распоряжении, следует воспользоваться амперметром, вольтметром и ваттметром, с помощью которых измеряются такие физические величины, как сила тока, напряжение и мощность, а затем с помощью соответствующих формул вычислить коэффициент мощности.
Значения коэффициента для различных случаев
При измерении или вычислении коэффициента мощности необходимо знать характерные значения для различных видов оборудования:
- При использовании нагревательных устройств, несмотря на возможное присутствие индуктивных элементов, считается, что вся используемая мощность является активной. В таких случаях принимают косинус «фи» равный единице.
- Для перфораторов и ударных дрелей этот коэффициент составляет 0.95-0.97.
- Сварочные трансформаторы в значительной степени используют индуктивную нагрузку. Поэтому коэффициент мощности трансформатора обычно находится в диапазоне от 0.5 до 0.85.
Когда значения коэффициента являются широко известными, их могут не указывать в сопроводительной документации. Нужно помнить, что хотя в большинстве случаев напряжение меняется синусоидально, иногда оно может существенно отклоняться от этой формы. В такой ситуации говорят о присутствии высших гармоник в колебаниях.
Их появление ведёт к дополнительным затратам мощности, а также снижает компенсацию реактивной мощности, если она применялась. Подобное явление наблюдается при работе с дуговыми сталеплавильными печами, установками дуговой сварки, газоразрядными лампами.