Что такое «коэффициент мощности»?
Автор: Вадим Дубинский и Анатолий Савельев
Вадим Дубинский, РЕДАКТОР И ИНЖЕНЕР FLUKE CIS
Анатолий Савельев, соавтор и инженер продаж TDK
03 сентября 2019
Статья разработана в соавторстве с TDK Corporation.

Коэффициент мощности

Счета за электроэнергию составляют заметную долю в текущих расходах любого предприятия или объекта коммерческой недвижимости. Добавьте к этому риски простоев и дорогостоящего ремонта, связанные с перегрузкой сети, и станет понятно, почему вопросы обеспечения качества электроэнергии требуют значительного внимания.

Одной из проблем качества электроэнергии, которые потребители электроэнергии наиболее часто называют главной для своего объекта, является реактивная мощность (коэффициент мощности). Повышение К М означает снижение величины реактивной мощности (и тока), что увеличивает эффективность за счет:

  • экономии на счетах за электроэнергию (многие промышленные предприятия оплачивают активную и реактивную мощности);
  • экономии на штрафах за низкий КМ;
  • снижения нагрузки на питающие трансформаторы, линии электропередачи и распределительные устройства, что позволяет снизить затраты на их приобретение (можно использовать меньший номинал);
  • выигрыша в активной мощности от использующегося источника;
  • увеличения срока службы машин и оборудования, сокращения простоев благодаря снижению нагрузки…
Что такое «коэффициент мощности»? Сначала мы рассмотрим более простой случай. При присутствии в цепи только основной частоты (50 Гц), энергия выражается в виде активной, реактивной и полной мощности.
Действительная (P) или активная мощность измеряется в ваттах (Вт). Это та часть мощности, которая нужна для выполнения работы. P=UIcosϕ.
Реактивная мощность (Q) выражается в вольт-амперах реактивной мощности (ВАр). Она является следствием фазового сдвига между колебаниями напряжения и тока, вызванного реактивными нагрузками (емкости и индуктивности). Реактивная мощность передается между источником и нагрузкой, но не выполняет работу. Тем не менее, она нагружает электрическую систему (проводники и трансформаторы), и это приходится учитывать. Угол сдвига фаз между током и напряжением, созданный реактивными элементами нагрузок принято обозначать символом ϕ.
Полная мощность — это потребление (кВА). Эта величина измеряет общую потребность покупателя в поставке тока и напряжения на объект, независимо от выполнения при этом фактической работы.
Коэффициент мощности (powerfactor) равен отношению активной мощности к полной мощности PF = P/S. В случае, когда в системе только синусоидальные ток и напряжение на одной частоте, PF = P/S = cosϕ - характеризует угол сдвига по фазе между током и напряжением.

Как это работает? При чисто резистивной нагрузке (например, лампы накаливания и электронагреватели), напряжение и ток меняют полярность на обратную одновременно. Произведение напряжения и тока имеет положительное значение, переносится только активная мощность P (кВт). Происходит чистый перенос энергии к нагрузке.
Если нагрузка чисто реактивная (например, обмотки электродвигателей, трансформаторов, электромагнитов), то напряжение и ток смещены по фазе, и их произведение может иметь положительное или отрицательное значение, указывая, что некоторая часть энергии передается на нагрузку, а часть протекает обратно. Суммарная передача энергии к нагрузке равна нулю, передается только реактивная энергия Q (ВАр).

В реальности, нагрузки являются комбинацией сопротивления, индуктивности и емкости, в результате чего в системе создаются как активная, так и реактивная мощность. Полная мощность — это векторная сумма активной и реактивной мощности.

Полная мощность нас интересует потому, что даже если ток, связанный с реактивной мощностью, не производит работу у потребителя, он нагревает провода, приводя к потерям энергии. Размеры проводников, трансформаторов и генераторов должны быть подобраны таким образом, чтобы они могли выдерживать полный ток, а не только ток, выполняющий полезную работу.
Поскольку реактивная мощность требует от системы емкости, но не производит никакой работы, предприятия стараются поддерживать значение чистого ВАр на низком уровне. Низкий коэффициент мощности ограничивает производительность системы, может приводить к перепадам напряжения и перегреву. Чем больше реактивных нагрузок индуктивного характера подключено к сети, тем хуже происходит потребление и тем больше процентное отношение потерь, которые можно выявить и количественно оценить с помощью коэффициента мощности. А реактивные нагрузки емкостного характера (т.н. генерация в сеть) может вызывать перенапряжение, и, в ряде регионов, где наблюдается избыток генерирующих мощностей, сопровождаться штрафными санкциями со стороны электроснабжающей компании.
Для измерения реальной мощности нам понадобится прибор учета, который сможет одновременно измерять напряжение, силу тока в течение одной секунды. Цифровой мультиметр для этого не годится. Решением является прибор для измерения качества электроэнергии. В зависимости от выбранной модели вы сможете производить измерения в сетях с конфигурацией с одной фазой, расщеплением фазы, тремя фазами (3 или 4-проводные) и измерять или регистрировать вольты, амперы, ватты, вольт-амперы, ВА реактивной мощности, а также коэффициент мощности и гармоники за определенный промежуток времени.

Некоторые модели регистраторов также дают возможность вести учет измерений за период времени для создания отчетов с показаниями потребления энергии, которые используются поставщиком электроэнергии — кВт·ч, кВА-ч и кВА (реакт.)-ч.
Для трехфазных сетей можно присмотреться к моделям Fluke 1732 и 1734 — они выполняют все необходимые требования и быстро окупятся при использовании на предприятии. Другие трехфазные регистраторы и анализаторы Fluke также имеют этот функционал. На скриншоте справа — экран с анализатора Fluke 435.

Fluke 1732 и 1734
Fluke 435
Оптимизация электросети внутри предприятия часто требует коррекции коэффициента мощности. Если при обследовании выявлено низкое значение cosϕ, то с помощью линейной нагрузки возможно повысить коэффициент мощности. Для коррекции нужно включить в цепь реактивный элемент, производящий обратное действие. Асинхронный двигатель — наиболее распространенный тип нагрузки — имеет индуктивный характер (потребляемый ток отстает от напряжения). Источник бесперебойного питания (ИБП) и синхронный двигатель — наиболее распространенные типы емкостной нагрузки (потребляемый ток опережает напряжение).

Для снижения реактивной мощности (повышения КМ) можно:

  • установить управляемый блок конденсаторов (емкостной характер), который будет создавать в нужный момент опережающий ток и компенсировать отставание тока, создаваемое в двигателе;
  • недогруженный двигатель имеет низкий cosϕ => коэффициент мощности можно повысить, заменить такой электродвигатель на менее мощный;
  • часть асинхронных двигателей заменить на синхронные (эквивалентные по мощности оставшимся асинхронным двигателям). Синхронный двигатель генерирует реактивную мощность при перевозбуждении, а потребляет при недовозбуждении. Регулирование напряжения с помощью СД осуществляется плавно;
  • отключать асинхронные двигатели и трансформаторы, работающие на холостом ходу.

Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, небольшое повышение cosϕ приводит к значительному снижению потерь.
Все это работает при постоянном или медленно меняющемся cosϕ, но на практике ситуация может быть сложнее. В случае резко переменной реактивной мощности (изменение быстрее секунды), для cosϕ отстающего и для опережающего, возможное решение — это устройство PQVar. Оно поможет максимально точно и плавно (бесступенчато) поддерживать итоговый уровень реактивной мощности близко к нулю в независимости от типа cosϕ (опережающий/отстающий).

Коэффициент реактивной мощности, который мы рассматривали выше, учитывает только основную частоту, но не гармоники. Они будут обсуждаться в следующей статье.
Информация показалась интересной?
Договоритесь о демонстрации с вашим представителем Fluke.
Нужна демонстрация!
Поделиться
Напишите в комментариях ваше мнение по теме!
Читайте другие наши статьи!