Коэффициент мощности — это, по сути, показатель того, насколько эффективно часть оборудования (или целое сооружение) использует электроэнергию для производства полезной работы, такой как отопление, освещение или движение. Электроэнергетические компании следят за коэффициентом мощности и часто взимают с потребителей штраф, если их коэффициент мощности падает ниже установленного порога — обычно 0,90 или выше.

К счастью, большинство электрических нагрузок в жилых зданиях являются резистивными (например, отопление и освещение) и имеют высокий коэффициент мощности, поэтому потребители обычно не подвержены этому показателю. С другой стороны, промышленные установки, как правило, имеют высокие индуктивные нагрузки, которые значительно снижают их коэффициент мощности. Например, асинхронные двигатели переменного тока, которые используются для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и конвейеров, имеют относительно низкие коэффициенты мощности, даже когда их мощность используется полностью. А когда эти двигатели нагружены мало, их коэффициент мощности падает еще ниже — иногда приближаясь к нулю.

Коэффициент мощности асинхронного электродвигателя

Существует несколько методов повышения коэффициента мощности на промышленных предприятиях, но когда основными виновниками являются асинхронные двигатели — особенно асинхронные двигатели, не работающие при полной нагрузке, — применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП) часто является лучшим решением.

Напомним, что в асинхронном двигателе переменного тока питание подается непосредственно на статор, а наведенное магнитное поле создается в роторе. Энергия, подаваемая на статор, называется “реальной” или “активной” мощностью, поскольку она создает крутящий момент. Мощность, используемая для создания магнитного поля в роторе, называется “реактивной” мощностью, поскольку она не производит активной работы. Комбинация активной мощности и реактивной мощности называется “кажущейся” мощностью. Активная, реактивная и кажущаяся мощность часто изображаются на треугольнике мощности.

В идеальной системе коэффициент мощности (PF_D) является косинусом θ, который равен активной мощности (P), деленной на кажущуюся мощность (S).

Обратите внимание на нижний индекс, D, в обозначении коэффициента мощности. В треугольнике мощности θ представляет собой угол (разность фаз) между напряжением и током. Таким образом, это выражение коэффициента мощности иногда упоминается как коэффициент мощности смещения, PF_D.

Для резистивных нагрузок вся (или почти вся) используемая мощность является активной мощностью, которая производит полезную работу — например, тепло или свет. Следовательно, ток и напряжение остаются в фазе (θ = 0), а коэффициент мощности близок к единице (т.е. 1). Но реактивная мощность, необходимая для индуктивных нагрузок — например, для создания магнитного поля в роторе, — имеет тенденцию выводить ток из фазы с напряжением (следовательно, возникает больший угол θ), что приводит к снижению коэффициента мощности.

Количество активной мощности, требуемое асинхронным двигателем, варьируется в зависимости от нагрузки, но величина реактивный мощности (мощность, необходимая для создания магнитного поля ротора) постоянна независимо от нагрузки. Таким образом, когда асинхронный двигатель слегка загружен, отношение реальной мощности к кажущейся уменьшается, что приводит к снижению коэффициента мощности.

Преобразователи частоты и коэффициент мощности

Использование ЧРП для асинхронных двигателей может улучшить коэффициент мощности, но это не панацея, которую предлагают некоторые производители.

Частотно-регулируемые приводы обычно имеют очень высокое значение PF_D. Это связано с тем, что мощные конденсаторы шины постоянного тока преобразователя частоты обеспечивают необходимый реактивный ток, который подается на двигатель для создания магнитного поля ротора, а через питающую сеть переменного тока потребляется только активная мощность. Это означает, что напряжение и ток остаются почти идеально согласованными по фазе, с очень небольшим смещением, а коэффициент мощности может быть равен единице или близок к ней.

Но ЧРП также вносят гармонические искажения тока. А поскольку гармонические токи не производят полезной работы, они являются реактивными, что сводит на нет некоторые преимущества ЧРП по коэффициенту мощности.

Для определения истинного коэффициента мощности, PF_T, который включает в себя эффект гармонических искажений, мы используем уравнение:

THD = общее гармоническое искажение тока

К счастью, существуют способы уменьшить это вызванное ЧРП гармоническое искажение и свести к минимуму его влияние на коэффициент мощности. Для частотных преобразователей, использующих стандартный диодный выпрямитель, добавление импеданса за счет Сетевого дросселя или Дросселя звена постоянного тока уменьшит величину гармонических искажений THD и увеличит коэффициент мощности.

Коэффициент мощности рекуперативного привода

Другой вариант заключается в использовании привод с рекуперацией (AFE), который представляет собой ЧРП, использующий IGBT, а не диоды, для преобразования входящего переменного тока в постоянный. Приводы с рекуперацией по схеме Active Front End (AFE) имеют значительно меньший THD, чем стандартные конструкции выпрямителей на основе диодов. Например, привод AFE обычно имеет THD около 5 процентов, в то время как стандартный ЧРП с выпрямителем на основе диодов может иметь THD в диапазоне 45 процентов.

Таким образом, из-за внесения гармонических искажений коэффициент мощности преобразователя частоты без сетевого дросселя может опускаться до значения 0.9, в то время, как для рекуперативного преобразователя с AFE коэффициент мощности будет иметь значение, очень близкое к единице, например 0,998.

Q: Почему коммунальное предприятие заботится о том, насколько эффективно установка или оборудование использует поставляемую им электроэнергию?

A: Потому что низкий коэффициент мощности приводит к увеличению токов в сети, которые создают большую нагрузку (в первую очередь в виде тепла) на кабели, трансформаторы и другое оборудование. Кроме того, чем ниже коэффициент мощности, тем большую кажущуюся мощность (кВА) должна обеспечивать коммунальная компания, чтобы соответствовать реальным требованиям к мощности (кВт).