Коэффициент мощности — это, по сути, показатель того, насколько эффективно часть оборудования (или целое сооружение) использует электроэнергию для выполнения 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 обычно 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 на полную мощность. А когда эти двигатели слегка нагружены, их коэффициент мощности падает еще ниже — иногда приближается к нулю.

Существует несколько методов повышения коэффициента мощности в промышленных условиях, но когда основными виновниками являются асинхронные двигатели — особенно индукционные двигатели, работающие не с полной нагрузкой, — применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП) часто является лучшим решением.

Напомним, что в асинхронном двигателе переменного тока питание подается непосредственно на статор, а магнитное поле создается вызванныйв роторе. Мощность, 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. Сочетание реальной мощности и реактивной мощности называется “кажущейся” мощностью. Реальная, реактивная и кажущаяся мощность часто изображаются в виде треугольника мощности.

В идеальной системе коэффициент мощности (PF_D) — это косинус θ, который равен действительной мощности (P), деленной на кажущуюся мощность (S).

Обратите внимание на индекс D в обозначении коэффициента мощности. В треугольнике степеней θ представляет собой перемещение(разность фаз) между напряжением и током. Таким образом, это выражение коэффициента мощности часто упоминается конкретно как коэффициент мощности смещения, ПФ_D.

Для резистивных нагрузок вся (или почти вся) используемая мощность — это реальная мощность, 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 напряжения (следовательно, больший угол θ), что приводит к снижению коэффициента мощности.

Количество реальный мощность, требуемая асинхронным двигателем, зависит от нагрузки, но количество реактивный мощность (мощность, необходимая для создания магнитного поля ротора) постоянна независимо от нагрузки. Таким образом, при небольшой нагрузке асинхронного двигателя отношение реальной мощности к кажущейся уменьшается, что приводит к снижению коэффициента мощности.

Использование VFD для привода асинхронных двигателей может повысить коэффициент мощности, но это не панацея, которую предлагают некоторые производители.

Частотно-регулируемые приводы обычно имеют очень высокий PF_D ценности. Это связано с тем, что конденсаторы шины постоянного тока обеспечивают необходимую реактивный ток подается на двигатель для создания магнитного поля ротора, а линия питания переменного тока должна подавать только реальный сила. Это означает, что напряжение и ток остаются почти идеально совпадающими по фазе, с очень небольшим смещением, а коэффициент мощности может быть равен единице или близок к ней.

Но VFD также вносят гармонические искажения тока. А поскольку гармонические токи не производят полезной работы, они являются реактивными, что сводит на нет некоторые преимущества VFD в отношении коэффициента мощности.

Чтобы определить истинный коэффициент мощности, PF_T, который включает в себя эффект гармонических искажений, мы используем уравнение:

THD = полное гармоническое искажение тока

К счастью, существуют способы уменьшить эти гармонические искажения, вызванные VFD, и свести к минимуму их влияние на коэффициент мощности. Для VFD, использующих стандартный диодный выпрямитель, добавляя импеданс через линейный реактор или Дроссель связи постоянного тока уменьшит THD.

Другой вариант — использовать активный передний привод (AFE), который представляет собой VFD, использующий IGBT, а не диоды, для преобразования входящего переменного тока в постоянный. Активные фронтальные приводы имеют значительно более низкий THD, чем стандартные конструкции выпрямителей на основе диодов. Например, привод AFE обычно имеет THD около 5 процентов, в то время как стандартный VFD с выпрямителем на основе диодов может иметь THD в диапазоне 45 процентов.

Q: Почему коммунальные службы заботятся о том, насколько эффективно установка или оборудование использует поставляемую ими электроэнергию?

A: Потому что низкий коэффициент мощности приводит к более высоким линейным токам, 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) должно выдавать предприятие, чтобы соответствовать реальным требованиям к мощности (кВт).