Такое понятие как коэффициент мощности является одним из базовых в электротехнике. Для того чтобы понять что собой представляет эта величина, необходимо немного углубиться в теорию, вспомнить что такое мощность, какие виды электрической мощности бывают.
Но для начала сформулируем определение коэффициента мощности.
Коэффициент мощности (cos φ) – это отношение активной мощности (P) к полной мощности (S) электроустановки.
cos φ = P/S
где:
cos φ – коэффициент мощности;
Р - активная мощность Вт;
S - полная мощность ВА;
Активной мощностью (P) называется такой тип энергии, который может быть преобразован в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую и др. То есть он представляет собой полезную мощность, которую можно использовать для выполнения работы.
Полная мощность (S) складывается из двух типов мощности - активной мощности и реактивной (Q). Полная мощность = √ (Активная мощность2 + Реактивная мощность2)
Реактивная мощность представляет собой энергию, которая идет на создание переменного магнитного потока (магнитного поля). То есть это энергия, которая не рассеивается на нагрузке, а сначала накапливается в ее магнитном поле, а затем возвращается обратно источнику.
Реактивная составляющая возникает там, где имеется индуктивная и емкостная нагрузка. Например, любой электроприбор, где есть обмотки катушки, имеет реактивную нагрузку (вентилятор, холодильник).
При этом в такой нагрузке будет присутствовать сдвиг фаз между силой тока и напряжением равный 90°. Этот сдвиг обозначается углом φ, который также называется угол сдвига фаз.
Косинус этого угла (cos φ) и называется коэффициентом мощности.
В качестве наглядного объяснения всех этих соотношений можно привести такой пример.
Предположим, у нас в сосуде есть 1 литр воды. Это полная мощность.
Поставим сосуд на огонь и доведем его до кипения. Когда вода закипает, часть воды превращается в пар, например, около 0,1 литра, тогда оставшаяся вода составляет 0,9 литра.
Испарившуюся воду можно сравнить с реактивной мощностью, а оставшуюся в сосуде – с активной мощностью.
Тогда коэффициент мощности будет равен = 0,9 литра/1 литр = 0,9
Приведу еще один пример, расчета мощности генератора, с учетом коэффициента.
Допустим, генератор имеет следующие заявленные характеристики:
· Номинальная мощность: 2750 кВА
· Напряжение: 400 В
· Количество фаз: 3
· Частота: 50 Гц
· Номинальный ток: 3969 А
· cos φ: 0,8
Номинальная мощность равна полной мощности. Она получается из расчета:
Полная мощность = Напряжение х Ток х √3
Полная мощность = 400 х 3969 х 1.732
Полная мощность = 2749723 ВА = 2750 кВА.
Коэффициент мощности генератора равен 0,8, следовательно:
Активная мощность = Полная мощность х cos φ
Активная мощность = 2750 х 0,8
Активная мощность = 2200 кВт
Таким образом, генератор с заявленной мощностью 2750 кВА и коэффициентом мощности 0,8, будет выдавать активную мощность 2200 кВт.
Но имейте в виду, что эта величина активной мощности при условии, что генератор не нагружен. При подключении нагрузки, на мощность генератора будет влиять коэффициент мощности нагрузки.
Причины низкого коэффициента мощности
Если значение полной и активной мощности совпадают, то коэффициент мощности равен единице или, другими словами, потери мощности отсутствуют. Но, если в качестве потребителя выступает индуктивная нагрузка, вырабатывающая реактивную мощность, значение активной мощности будет меньше, чем полной.
И чем больше будет такого электрооборудования, тем больше будет вырабатываться реактивная мощность, вследствие чего будут больше потери и больше разница между активной мощностью и полной мощностью, что приводит к снижению коэффициента мощности.
Это в свою очередь негативно сказывается на работу электросистемы в целом и отдельных ее компонентов.
Создаются дополнительные нагрузки на силовые линии питания, что приводит к дополнительным потерям мощности, перепадам напряжения в распределительных линиях, необходимости в увеличении сечения проводников линий электропередач и распределительных сетей, к необходимости увеличения полной мощности трансформаторов.
Кроме того, это касается промышленных потребителей, увеличение реактивной составляющей и соответственно уменьшение коэффициента мощности, приводит к увеличению расходов за оплату электроэнергии.
Это вызвано штрафами, накладываемыми поставщиками электроэнергии за избыточную реактивную мощность, увеличением потребления полной мощности, повышенным энергопотреблением внутри электроустановок.
Способы повышения коэффициента мощности
Есть два способа повышения коэффициента мощности – естественный и искусственный.
Естественный способ заключается в правильном подборе оборудования и его рациональном использовании.
Так, электродвигатели необходимо выбирать в соответствии с нагрузкой, так как неполная загрузка двигателя приводит к снижению cos φ. Также следует не допускать длительной работы двигателя на холостом ходу.
Рекомендуется также заменять или временно отключать трансформаторы, загруженные в среднем меньше чем на 30% от их номинальной мощности.
Но этот способ далеко не всегда бывает действенным, поэтому часто приходится прибегать к увеличению (коррекции) коэффициента мощности за счет УКРМ.
УКРМ – это устройства компенсации реактивной мощности, основной задачей которых является компенсация сдвига фаз между напряжением и общим током за счет подключения в цепь конденсаторных батарей.
Подключенные параллельно индуктивным нагрузкам, конденсаторы позволяют увеличить коэффициент мощности, тем самым снижая реактивную мощность и увеличивая долю полезной активной мощности.
Благодаря этому происходит оптимизация работы электроустановки за счет снижения энергопотребления и увеличения доступной мощности. Кроме того, УКРМ позволяет сократить расходы на электроэнергию в среднем на 5-10%.
Более подробно работу УКРМ я описывал в статье на сайте.