Pochopení účiníku a jeho vliv na účty za energii

Kromě bezpečnosti a spolehlivosti by při navrhování a implementaci elektrických systémů mělo být sledováno několik dalších cílů, včetně účinnosti. Jedním z měřítek účinnosti v elektrickém systému je účinnost, s níž systém přeměňuje přijímanou energii na užitečnou práci. Tato účinnost je indikována komponentou elektrických systémů známou jako účiník. Účiník udává, kolik energie skutečně využívány k provádění užitečné práce zatížením a kolik energie je „plýtvání“. Jakkoli zní jeho název, je to jeden z hlavních faktorů vysokých účtů za elektřinu a výpadků proudu.

Abyste byli schopni správně popsat účiník a jeho praktický význam, je důležité si osvěžit paměť o různých typech elektrických zátěží a komponentách Power, které existují.

Ze základních tříd elektřiny jsou elektrické zátěže obvykle dvou typů;

1. Odporová zatížení
2. Reaktivní zatížení

1. Odporová zatížení

Odporová zatížení, jak název napovídá, tato zatížení jsou tvořena čistě odporovými prvky. U tohoto druhu zátěží (s ohledem na ideální podmínky) se veškerý dodávaný výkon rozptýlí pro práci kvůli skutečnosti, že proud je ve fázi s napětím. Dobrým příkladem odporové zátěže jsou žárovky a baterie.

Silová složka spojená s odporovými zátěžemi se označuje jako skutečný výkon. Tato skutečná síla se také někdy nazývá pracovní síla, skutečná síla nebo skutečná síla. Pokud jste v oblasti střídavého proudu nováčkem a máte zmatek se všemi těmito průběhy, doporučujeme vám přečíst si základní informace o střídavém proudu, abyste pochopili, jak střídavé napájení funguje.

2. Jalová zatížení

Reaktivní zátěže jsou na druhou stranu trochu složitější. Zatímco oni způsobují pokles napětí a odebírají proud ze zdroje, které rozptýlit žádnou užitečnou energii jako takovou, protože moc čerpají z dodávek nemá žádnou práci. To je způsobeno povahou reaktivního zatížení.

Reaktivní zátěže mohou být kapacitní nebo indukční. U indukčních zátěží se odebíraný výkon spotřebuje při nastavování magnetického toku bez jakékoli přímé práce, zatímco u kapacitních zátěží se výkon používá při nabíjení kondenzátoru a nikoli při přímé práci. Síla takto rozptýlená v jalovém zatížení se označuje jako jalový výkon. Reaktivní zátěže jsou charakterizovány vedením proudu (Kapacitní zátěže) nebo zaostáváním (Induktivní zátěže) za napětím, jako takové obvykle existuje fázový rozdíl mezi proudem a napětím.

Výše uvedené dva grafy představují indukční a kapacitní zátěž, kde účiník zaostává a vede. Tyto rozdíly v těchto dvou typů vede zatížení na existenci tří výkonových prvků v elektrických systémech, a to;

1. Skutečná síla
2. Reaktivní síla
3. Zdánlivá síla

1. Skutečná síla

Jedná se o výkon spojený s odporovou zátěží. Jedná se o výkonovou složku rozptýlenou na výkon skutečné práce v elektrických systémech. Od ohřevu po osvětlení atd., Vyjadřuje se ve Wattech (W) (spolu s jeho multiplikátory, kilo, Mega atd.) A symbolicky představuje písmeno P.

2. Jalový výkon

Jedná se o výkon spojený s jalovým zatížením. V důsledku zpoždění mezi napětím a proudem v jalových zátěžích nevytváří reaktivní energie (kapacitní nebo indukční) žádnou práci. Je označován jako jalový výkon a jeho jednotkou je voltampérová reaktivní (VAR).

3. Zdánlivá síla

Typické elektrické systémy zahrnují odporové i indukční zátěže, přemýšlejte o žárovkách a ohřívačích pro odporové zátěže a zařízení s motory, kompresory atd. Jako o induktivních zátěžích. V elektrickém systému je tedy celkový výkon kombinací složek skutečného a jalového výkonu, tento celkový výkon se také nazývá zdánlivý výkon.

Zdánlivý výkon je dán součtem skutečného výkonu a jalového výkonu. Jeho jednotkou jsou voltampéry (VA) a jsou matematicky reprezentovány rovnicí;

Zdánlivý výkon = skutečný výkon + jalový výkon

V ideálních situacích je skutečný výkon rozptýlený v elektrickém systému obvykle větší než jalový výkon. Níže uvedený obrázek ukazuje vektorový diagram nakreslený pomocí tří výkonových komponent

Tento vektorový diagram lze transformovat do výkonového trojúhelníku, jak je znázorněno níže.

Účiník lze vypočítat získáním úhlu theta (ϴ) uvedeného výše. Zde theta je úhel mezi skutečnou silou a zdánlivou silou. Poté podle kosinusového pravidla (sousedící s přeponou) lze účinník odhadnout jako poměr skutečného výkonu ke zdánlivému. Na vzorcích pro výpočet účiník je uveden níže

PF = skutečný výkon / zdánlivý výkon nebo PF = Cosϴ

Když to uvedeme vedle sebe s rovnicí pro stanovení zdánlivého výkonu, je snadné vidět, že zvýšení jalového výkonu (přítomnost velkého počtu jalových zátěží) vede ke zvýšení zdánlivého výkonu a větší hodnotě pro úhel ϴ, což nakonec vede k nízkému účiníku, když se získá jeho kosinus (cos ϴ). Na druhou stranu, snížení jalového zatížení (jalového výkonu) vede ke zvýšení účiníku, což naznačuje vysokou účinnost v systémech s menším jalovým zatížením a naopak. Hodnota účiníku bude vždy mezi hodnotou 0 a 1, čím blíže k jednomu, tím vyšší bude účinnost systému. V Indii se za ideální hodnotu účiníku považuje 0,8. Hodnota účiníku nemá žádnou jednotku.

Důležitost účiníku

Pokud je hodnota účiníku nízká, znamená to, že dochází k plýtvání energií ze sítě, protože její velká část se nepoužívá ke smysluplné práci. Je to proto, že zátěž zde spotřebovává více jalového výkonu ve srovnání se skutečným výkonem. To vytváří tlak na napájecí systém, který způsobuje přetížení distribučního systému, protože ze systému bude odebírán jak skutečný výkon požadovaný zátěží, tak jalový výkon použitý k uspokojení jalového zatížení.

Toto napětí a „plýtvání“ obvykle vede k obrovským účtům za elektřinu pro spotřebitele (zejména průmyslové odběratele), protože energetické společnosti vypočítávají spotřebu podle zjevné síly, takže nakonec platí za energii, která nebyla použita k dosažení „smysluplné“ práce. Některé společnosti také pokutují své spotřebitele, pokud odebírají více jalového výkonu, protože to způsobuje přetížení systému. Tato pokuta se ukládá za účelem snížení nízkého účiníku, který způsobuje zatížení používaná v průmyslových odvětvích.

Dokonce i v situacích, kdy energii dodávají generátory společnosti, dochází k plýtvání penězi na větší generátory, kabely větší velikosti atd., Které jsou potřebné k zajištění energie, když se jich bude plýtvat jen dobrý počet. Abyste tomu lépe porozuměli, zvažte následující příklad

Továrna provozující zátěž 70kW by mohla být úspěšně napájena generátorem / transformátorem a kabely dimenzovanými na 70 kVA, pokud továrna pracuje s účinníkem 1. Pokud však účiník klesne na 0,6, pak i při stejné zátěži 70 KW, bude zapotřebí větší generátor nebo transformátor o jmenovitém výkonu 116,67 kVA (70 / 0,6), protože generátor / transformátor bude muset dodat další energii pro jalovou zátěž. Kromě tohoto velkého nárůstu požadavků na napájení by bylo také třeba zvětšit velikost použitých kabelů, což by vedlo k výraznému zvýšení nákladů na zařízení a ke zvýšení ztrát energie v důsledku odporu podél vodičů. Trest za to jde nad rámec vysokých účtů za elektřinu v některých zemích, protože společnosti se špatným výkonovým faktorem obvykle dostanou pokutu obrovských částek, aby podpořily nápravu.

Zlepšení účiníku

Se vším, co bylo řečeno, budete se mnou souhlasit, že má ekonomičtější smysl napravit špatný účiník, než platit obrovské účty za elektřinu, zejména pro velká průmyslová odvětví. Odhaduje se také, že více než 40% účtů za elektřinu lze ušetřit v obrovských průmyslových odvětvích a výrobních závodech, pokud bude účiník opraven a udržen na nízké hodnotě.

Kromě snížení nákladů pro spotřebitele přispívá provozování efektivního systému k celkové spolehlivosti a efektivnosti energetické sítě, protože energetické společnosti jsou schopny snížit ztráty na vedeních a náklady na údržbu a zároveň zaznamenat snížení počtu transformátorů a podobná podpůrná infrastruktura požadovaná pro jejich provoz.

Výpočet účiníku pro vaši zátěž

Prvním krokem k opravě účiníku je určení účiníku pro vaši zátěž. Toho lze dosáhnout pomocí;

1. Výpočet jalového výkonu pomocí reaktančních detailů zátěže

2. Určení skutečného výkonu rozptýleného zátěží a jeho kombinace se zdánlivým výkonem pro získání účiníku.

3. Použití měřiče účiníku.

Měřič účiníku se většinou používá, protože pomáhá snadno získat účiník ve velkých systémových sestavách, kde může být obtížné určit stanovení reaktančních detailů zátěže a skutečného rozptýleného výkonu.

Se známým účinníkem můžete pokračovat v jeho opravě a upravit jej co nejblíže k 1. n Doporučený účiník od dodavatelů elektřiny je obvykle mezi 0,8 a 1 a toho lze dosáhnout pouze tehdy, pokud používáte téměř čistě odporová zátěž nebo indukční reaktance (zátěž) v systému se rovná kapacitní reaktanci, protože se navzájem ruší.

Vzhledem k tomu, že použití indukčních zátěží je častější příčinou nízkého účiníku, zejména v průmyslovém prostředí (kvůli použití těžkých motorů atd.), Je jednou z nejjednodušších metod opravy účiníku zrušením indukční reaktance pomocí korekčních kondenzátorů, které zavádějí kapacitní reaktanci v systému.

Korekční kondenzátory účiníku fungují jako generátor jalového proudu a vyrovnávají / kompenzují energii, kterou „plýtvá“ indukční zátěží. Při vkládání těchto kondenzátorů do nastavení je však třeba pečlivě zvážit návrh, aby byl zajištěn plynulý provoz se zařízeními, jako jsou frekvenční měniče a efektivní rovnováha s náklady. V závislosti na zařízení a rozložení zátěže by návrh mohl zahrnovat kondenzátory s pevnou hodnotou instalované na indukčních bodech zátěže nebo automatické kondenzátorové banky kondenzátorů instalované na sběrnicích distribučních panelů pro centralizovanou korekci, která je obvykle nákladově efektivnější ve velkých systémech.

Použití kondenzátorů pro korekci účiníku v sestavách má své stinné stránky, zejména když se nepoužívají správné kondenzátory nebo systém není správně navržen. Použití kondenzátorů může po zapnutí způsobit krátké období „přepětí“, které by mohlo ovlivnit správné fungování zařízení, jako jsou pohony s proměnnými otáčkami, což by způsobilo, že by přerušovaně zhasly nebo vybuchly pojistky na některých kondenzátorech. Mohlo by to však být vyřešeno pokusem upravit sekvenci řízení spínání v případě rychlostních pohonů nebo vyloučením harmonických proudů v případě pojistek.

Unity Power Factor a proč to není praktické

Když je hodnota vašeho účiníku rovna 1, pak se o účiníku říká, že je jednotkový účiník. Může být lákavé získat optimální účiník 1, ale je téměř nemožné jej dosáhnout, protože žádný systém není skutečně ideální. Ve smyslu, že žádné zatížení není čistě odporové, kapacitní nebo indukční. Každé zatížení se skládá z některých prvků druhého, bez ohledu na to, jak malé, protože takový typický realizovatelný rozsah účiníku je obvykle až 0,9 / 0,95. O těchto parazitických vlastnostech prvků RLC jsme se již dozvěděli v našich článcích ESR a ESL with Capacitors.

Účiník určuje, jak dobře spotřebováváte energii a kolik platíte na účtech za elektřinu (zejména pro průmyslová odvětví). V širším smyslu významně přispívá k provozním nákladům a může to být faktor snižující ziskové marže, kterému jste nevěnovali pozornost. Zlepšení účiníku vašeho elektrického systému by mohlo pomoci snížit účty za elektřinu a zajistit maximální výkon.