Что называют коэффициентом мощности
Перейти к содержимому

Что называют коэффициентом мощности

  • автор:

Коэффициент мощности асинхронного двигателя — от чего зависит и как изменяется

Коэффициент мощности асинхронного двигателя

На шильдике (информационной табличке) любого асинхронного двигателя, кроме других рабочих параметров, указан такой его параметр как косинус фи — Cosфи. Косинус фи иначе называется коэффициентом мощности асинхронного двигателя.

Почему этот параметр называется косинусом фи, и какое отношение он имеет к мощности? Все довольно просто: фи — это разность фаз между током и напряжением, и если изобразить графически активную, реактивную и полную мощности, имеющие место при работе асинхронного двигателя (трансформатора, индукционной печи и т. д.), то окажется, что отношение активной мощности к полной мощности — это и есть косинус фи — Cosфи, или другими словами — коэффициент мощности.

Треугольник мощностей и коэффициент мощности

При номинальном напряжении питания и при номинальной нагрузке на валу асинхронного двигателя, косинус фи или коэффициент мощности как раз и будет равен тому значению, которое указано на его шильдике.

Шильдик асинхронного электродвигателя

Например, для двигателя АИР71А2У2 коэффициент мощности будет равен 0,8 при нагрузке на валу 0,75 кВт. Но КПД этого двигателя равен 79%, следовательно потребляемая двигателем активная мощность при номинальной нагрузке на валу окажется больше 0,75 кВт, а именно 0,75/КПД = 0,75/0,79 = 0,95 кВт.

Тем не менее, при номинальной нагрузке на валу, параметр коэффициент мощности или Cosфи связан именно с потребляемой из сети энергией. Значит полная мощность данного двигателя окажется равна S = 0,95/Cosфи = 1,187 (КВА). Где P = 0,95 – потребляемая двигателем активная мощность.

При этом коэффициент мощности или Cosфи связан с нагрузкой на валу двигателя, поскольку при разной механической мощности на валу — разной будет и активная составляющая тока статора. Так, в режиме холостого хода, то есть когда к валу ничего не присоединено, коэффициент мощности двигателя не превысит, как правило, значения 0,2.

Если же нагрузку на валу начать увеличивать, то активная составляющая тока статора также будет расти, следовательно коэффициент мощности возрастет, и при близкой к номиналу нагрузке окажется равным примерно 0,8 — 0,9.

Если теперь нагрузку продолжить увеличивать, то есть нагружать вал сверх номинала, то ротор будет тормозиться, возрастет величина скольжения s, индуктивное сопротивление ротора станет вносить свой вклад, и коэффициент мощности начнет уменьшаться.

Косинус фи

Если двигатель определенную часть рабочего времени работает вхолостую, то можно прибегнуть к снижению подводимого напряжения, например переключением с треугольника на звезду, тогда фазное напряжение на обмотках уменьшится в корень из 3 раз, снизится индуктивная составляющая от крутящегося вхолостую ротора, а активная составляющая в обмотках статора немного возрастет. Коэффициент мощности таким образом немного повысится.

Установка компенсации реактивной мощности

Вообще, системы, питающиеся переменным током, такие как асинхронные двигатели, всегда обладают кроме активной еще и индуктивной и емкостной составляющими, поэтому каждые пол периода в сеть возвращается какая-то определенная часть энергии, называемая реактивной мощностью Q.

Этот факт вызывает у поставщиков электроэнергии проблемы: генератор вынужден поставлять в сеть полную мощность S, которая к генератору возвращается, но провода то все равно требуются соответствующего сечения под эту полную мощность, и, конечно, возникает паразитный нагрев проводов от циркулирующего туда-сюда реактивного тока. Получается, что генератор обязан поставлять полную мощность, часть которой в принципе является бесполезной.

В чисто активной форме генератор электростанции мог бы поставить потребителю гораздо больше электроэнергии, а для этого необходимо, чтобы коэффициент мощности был бы близок к единице, то есть как при чисто активной нагрузке, у которой Cosфи = 1.

Для обеспечения таких условий некоторые крупные предприятия устанавливают у себя на территории установки компенсации реактивной мощности, то есть системы из катушек и конденсаторов, которые автоматически подключаются параллельно асинхронным двигателям когда коэффициент их мощности снижается.

Получается, что реактивная энергия циркулирует между асинхронным двигателем и данной установкой, а не между асинхронным двигателем и генератором на электростанции. Так коэффициент мощности асинхронных двигателей доводят почти до 1.

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!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Коэффициент мощности, что это такое?

Коэффициент мощности (cos φ — косинус фи) — это отношение активной мощности к полной. Чем ближе это значение к единицы, тем лучше, так как при значении cos φ = 1 реактивная мощность равна нулю следовательно меньшая потребляемая мощность в целом.

cos φ = P/S

Активная мощность (P)

Измеряется в ваттах Вт

Активная (средняя) мощность — это среднее значение мощности за период.. Активная мощность используется только на активные сопротивления, то есть на выполнения полезной работы.

P = I*U*cos φ

Активное сопротивление

Как известно сопротивление проводника при переменном токе больше чем при постоянном, в следствии явлений поверхностного эффекта, эффекта близости, возникновение вихревых токов и излучение электромагнитной

энергии в пространство. Именно поэтому сопротивление проводника в постоянных цепях называют омическим, а в переменного тока называют активным сопротивлением.

Реактивная мощность (Q)

Измеряется в вар (вольт ампер реактивный)

Реактивная мощность является мерой потребления (или выработки реактивного тока). То есть это мощность которая сначала накапливается во внешней электрической цепи (в индуктивности и ёмкости), а потом отдаваемая обратно в сеть на протяжения 1/4 периода.

Реактивная мощность может быть как положительной так и отрицательной.

Появление реактивной мощности связанно с наличием в цепях индуктивной и ёмкостной нагрузки.

Q = I*U*sin φ

Реактивная мощность в отличии от активной не расходуется на прямые нужды (преобразование электрической энергии в другие виды энергии). Она как бы не несёт полезной нагрузки, но без неё невозможно осуществление полезной работы. В настоящий момент прилагается много усилий на уменьшение затрачиваемой реактивной мощности, так как это приводит к уменьшению потребления активной мощности.

Полная мощность (S)

Измеряется в вольт-амперах (BA)

Полная мощность (S) — это произведение действующего напряжения и тока на зажимах цепи. То есть полная мощность это вся мощность затраченная в электрической цепи. Полная мощность складывается из геометрической суммы активной и реактивной мощности.

S = I*U

В чем отличие коэффициента мощности и коэффициента полезного действия (КПД)

Коэффициент мощности и коэффициент полезного действия (КПД) — это два разных понятия, которые характеризуют разные аспекты работы электрических систем и устройств.

Коэффициент мощности (косинус фи) обозначает отношение активной мощности (мощность, которая используется для работы устройства) к полной мощности (мощность, которую потребляет устройство из источника питания).

Коэффициент мощности показывает, насколько эффективно устройство использует подаваемую ему электрическую мощность. Обычно коэффициент мощности выражается в виде числа от 0 до 1. Чем ближе коэффициент мощности к 1, тем более эффективно работает устройство.

Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение выходной мощности (мощность, которая используется для полезной работы) к входной мощности (мощность, которую потребляет устройство из источника питания).

Коэффициент полезного действия показывает, насколько эффективно устройство преобразует входную энергию в полезную работу. КПД также выражается в виде числа от 0 до 1. Чем ближе КПД к 1, тем более эффективно работает устройство.

Аналоговый ваттметр

В качестве примера отличия коэффициента мощности и коэффициента полезного действия (КПД) можно привести использование электродвигателей в промышленности.

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, чтобы привести в движение какое-либо оборудование. Коэффициент мощности показывает, какая часть полной мощности, потребляемой электродвигателем из сети, используется для производства полезной механической работы, а какая часть уходит на потери, связанные с магнитными полями, тепловыми потерями и т. д. То есть коэффициент мощности характеризует эффективность преобразования электрической энергии в механическую.

Фазометр

Фазометр на электростанции

КПД же отражает соотношение между полезной механической работой, которую производит электродвигатель, и электрической энергией, которую он потребляет из сети. То есть КПД характеризует общую эффективность работы электродвигателя, учитывая как полезную механическую работу, так и потери на тепловыделение, трение и другие факторы.

Таким образом, коэффициент мощности и КПД — это две разные величины, характеризующие разные аспекты работы электродвигателя и других устройств.

Коэффициент мощности не оказывает существенного влияния на энергопотребление самого устройства, подключенного к электросети, однако он существенно влияет на потери энергии в проводах, а также на местах ее выработки или преобразования.

Это означает, что при использовании электрооборудования с реактивной составляющей, электростанции нужно выделять больше тепла, чем при использовании активной нагрузки. Избыточная передаваемая энергия выделяется в виде тепла в проводах, а на больших объектах, таких как предприятия, потери могут быть довольно значительными.

С другой стороны, КПД напрямую влияет на потребляемую электроприбором активную мощность.

Например, светодиодная лампа, благодаря своему более высокому КПД, потребляет меньше энергии, чем люминесцентная лампа, несмотря на то, что каждая из них может иметь как низкий, так и высокий коэффициент мощности, в зависимости от используемых схемотехнических решений.

Светильник с люминесцентными лампами

Светильник с люминесцентными лампами

Коэффициент мощности у люминесцентных и светодиодных ламп зависит от конструкции их электронных преобразователей (балластов).

У люминесцентных ламп коэффициент мощности может быть низким, так как для их работы необходимо использовать электронные балласты, которые потребляют реактивную мощность и снижают коэффициент мощности.

Однако, в современных электронных балластах для люминесцентных ламп используются компенсационные конденсаторы, которые уменьшают потребляемую реактивную мощность и повышают коэффициент мощности.

У светодиодных ламп коэффициент мощности может быть высоким, так как они не требуют использования электронных балластов, а преобразование напряжения и управление световым потоком осуществляются с помощью электронных компонентов, которые потребляют только активную мощность. Однако, некоторые дешевые модели светодиодных ламп могут иметь низкий коэффициент мощности из-за отсутствия компенсационных элементов.

Таблица с возможным диапазоном значений коэффициента мощности и коэффициента полезного действия для различных типов электротехнического оборудования

Оборудование Коэффициент мощности Коэффициент полезного действия
Генераторы 0,8-1,0 90-98%
Трансформаторы 0,95-1,0 95-99%
Электродвигатели 0,6-0,9 70-95%
Электрические источники света 0,4-0,8 5-40%
Инверторы 0,95-1,0 90-98%

Эти значения являются приблизительными и могут варьироваться в зависимости от характеристик и условий работы конкретных устройств.

Промышленный трехфазный асинхронный электродвигатель

Промышленный трехфазный асинхронный электродвигатель

Например, коэффициент мощности и коэффициент полезного действия электродвигателя зависят от многих факторов, таких как тип электродвигателя, нагрузка, напряжение, ток, частота и другие факторы.

При работе электродвигателя эти коэффициенты могут изменяться в зависимости от степени нагрузки. Обычно электродвигатель имеет наивысший КПД и наименьший коэффициент мощности при номинальной нагрузке. Однако, если нагрузка на электродвигатель уменьшается или увеличивается, коэффициенты могут изменяться.

Когда электродвигатель работает с низкой нагрузкой, его коэффициент может уменьшаться, а КПД увеличиваться. Это связано с тем, что часть передаваемой энергии превращается в реактивную мощность, которая увеличивает коэффициент, но не увеличивает мощность, необходимую для выполнения работы.

С другой стороны, при высокой нагрузке на электродвигатель, его коэффициент мощности может увеличиваться, а КПД уменьшаться, что связано с увеличением потерь в электродвигателе, связанных с тепловыми и электрическими потерями.

Для того чтобы сохранять высокий коэффициент мощности и КПД электродвигателя, следует выбирать электродвигатель с соответствующей мощностью и размером для конкретной нагрузки и регулярно производить обслуживание и ремонт оборудования, чтобы минимизировать потери энергии и поддерживать оптимальные параметры работы электродвигателя.

Таким образом, основное отличие между коэффициентом мощности и коэффициентом полезного действия заключается в том, что первый показывает, как эффективно устройство использует подаваемую ему электрическую мощность, а второй — насколько эффективно устройство преобразует входную энергию в полезную работу.

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!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое коэффициент мощности (косинус фи)

Что такое коэффициент мощности (косинус фи)

Физическая сущность коэффициента мощности (косинуса «фи») заключается в следующем. Как известно, в цепи переменного тока в общем случае имеются три вида нагрузки или три вида мощности (три вида тока, три вида сопротивлений). Активная Р, реактивная Q и полная S мощности соответственно ассоциируются с активным r, реактивным х и полным z сопротивлениями.

Из курса электротехники известно, что активным называется сопротивление, в котором при прохождении тока выделяется тепло. С активным сопротивлением связаны потери активной мощности d P п , равные квадрату тока, умноженному на сопротивление d P п = I 2 r Вт.

Реактивное сопротивление при прохождении по нему тока потерь не вызывает. Обусловливается это сопротивление индуктивностью L, а также емкостью С.

Что такое коэффициент мощности

Индуктивное и емкостное сопротивления являются двумя видами реактивного сопротивления и выражаются следующими формулами:

  • реактивное сопротивление индуктивности, или индуктивное сопротивление,
  • реактивное сопротивление емкости, или емкостное сопротивление,

Тогда х = хL — х c . Например, если в цепи хL= 12 Ом, хс = 7 Ом, то реактивное сопротивление цепи x=х L — хс= 12 — 7 = 5 Ом.

Иллюстрации к объяснению сущности косинуса

Рис. 1. Иллюстрации к объяснению сущности косинуса «фи»: а — схема последовательного включения r и L в цепи переменного тока, б — треугольник сопротивлений, в — треугольник мощностей, г — треугольник мощностей при различных значениях активной мощности.

Полное сопротивление z включает в себя активное и реактивное сопротивления. Для цепи последовательного соединения г и L (рис. 1 , а) графически изображается треугольником сопротивления .

Если стороны этого треугольника умножить на квадрат одного и того же тока, то соотношение сторон не изменится, но новый треугольник будет представлять собой треугольник мощностей (рис. 1,в). Подробнее смотрите здесь — Треугольники сопротивлений, напряжений и мощностей

Как видно из треугольника, в цепи переменного тока в общем случае возникают три мощности: активная Р, реактивная Q и полная S

P = I 2 r = UIcosфи Вт, Q = I 2 х = I 2 х L — I2xc = UIsinфи Вар, S = I 2 z = UI Ва.

Активная мощность может быть названа рабочей, т. е. она «греет» (выделение тепла), «светит» (электрическое освещение), «двигает» (электродвигатели приводят в движение механизмы) и т. д. Измеряется она так же, как и мощность на постоянном токе, в ваттах.

Выработанная активная мощност ь полностью без остатка расходуется в приемниках и подводящих проводах со скоростью света — практически мгновенно. Это является одной из характерных особенностей активной мощности: сколько вырабатывается, столько и расходуется.

Реактивная мощность Q не расходуется и представляет собой колебание электромагнитной энергии в электрической цепи. Переливание энергии из источника к приемнику и обратно связано с протеканием тока по проводам, а так как провода обладают активным сопротивлением, то в них имеются потери.

Таким образом, при реактивной мощности работа не совершается, но возникают потери, которые при одной и той же активной мощности тем больше, чем меньше коэффициент мощности (cosфи , косинус «фи») .

Пример. Определить потери мощности в линии с сопротивлением r л = 1 ом, если по ней передается мощность Р=10 кВт на напряжение 400 В один раз при cosфи 1 = 0,5, а второй раз при cosфи2=0,9.

Решение. Ток в первом случае I1 = P/(Ucosфи 1) = 10/(0 ,4 • 0,5) = 50 А.

Потери мощности dP1 = I1 2 r л = 50 2 •1 = 2500 Вт = 2,5 кВт.

Во втором случае ток I1 = P/(Ucosфи 2 ) = 10/(0 ,4 • 0,9) = 28 А

Потери мощности dP2 = I 2 2 r л = 28 2 •1 = 784 Вт = 0,784 кВт, т.е. во втором случае потери мощности в 2,5/0,784 = 3,2 раза меньше только потому, что выше значение cosфи.

Расчет наглядно показывает, что чем выше величина косинус «фи», тем меньше потери энергии и тем меньше нужно закладывать цветного металла при монтаже новых установок.

Измерение коэффциента мощности

Повышая косинус «фи», преследуем три основные цели:

1) экономию электрической энергии,

2) экономию цветных металлов,

3) максимальное использование установленной мощности генераторов, трансформаторов и вообще электродвигателей переменного тока.

Последнее обстоятельство подтверждается тем, что, например, от одного и того же трансформатора можно получить тем больше активной мощности, чем больше величина со sфи потребителей. Так, от трансформатора с номинальной мощностью Sн=1000 кВа при со sфи 1 = 0,7 можно получить активной мощности Р 1 = S нcosфи 1 = 1000•0,7=700 кВт, а при cosфи2 = 0,95 Р2 = S нcosфи2= 1000•0,95 = 950 кВт.

В обоих случаях трансформатор будет нагружен полностью до 1000 кВа. Причиной низкого коэффициента мощности на предприятиях являются недогруженные асинхронные двигатели и трансформаторы. Например, асинхронный двигатель при холостом ходе имеет cos фихх примерно равный 0,2, тогда как при загрузке до номинальной мощности со sфи н = 0,85.

Для наглядности рассмотрим приближенный треугольник мощности для асинхронного двигателя (рис. 1,г). При холостом ходе асинхронный двигатель потребляет реактивную мощность, примерно равную 30% номинальной мощности, тогда как потребляемая активная мощность при этом составляет около 15%. Коэффициент мощности поэтому очень низок. С возрастанием нагрузки активная мощность увеличивается, а реактивная меняется незначительно и поэтому cosфи возрастает. Подробнее об этом читайте здесь: Коэффициент мощности электропривода

Основным мероприятием, повышающим значение cosфи, является работа на полную производственную мощность. В этом случае асинхронные двигатели будут работать с коэффициентами мощности, близкими к номинальным величинам.

Мероприятия по повышению коэффициента мощности делятся на две основные группы:

1) не требующие установки компенсирующих устройств и целесообразные во всех случаях (естественные способы);

2) связанные с применением компенсирующих устройств (искусственные способы).

Конденсаторная установка для повышения коэффициента мощности

Конденсаторная установка для повышения коэффициента мощности

К мероприятиям первой группы согласно действующим руководящим указаниям относится упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования и повышению коэффициента мощности. К этим же мероприятиям относится применение синхронных двигателей вместо некоторых асинхронных (установка синхронных двигателей рекомендуется вместо асинхронных всюду, где требуется повышать соsфи).

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!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *