O introducere în circuitele de corecție a factorului de putere bazate pe condensatori - Blogul componentelor pasive
Sursa: blogul Capacitor Fax
O parte din puterea de curent alternativ consumată de sarcinile inductive este utilizată pentru a menține inversările magnetice datorate defazării între curent și tensiune. Această energie poate fi considerată energie irosită, deoarece nu este utilizată în efectuarea unor lucrări utile. Circuitele de corecție a factorului de putere sunt utilizate pentru a minimiza puterea reactivă și pentru a spori eficiența cu care încărcările inductive consumă curent alternativ. Condensatoarele sunt componente esențiale în circuitele de compensare a factorului de putere, iar acest articol va explora câteva considerații de proiectare atunci când se utilizează aceste componente pentru corectarea factorului de putere.
Puterea reactivă în sarcini inductive
Sarcinile inductive, cum ar fi bobinele, motoarele, echipamentele de încălzire inductivă, generatoarele, transformatoarele și echipamentele de sudură cu arc produc un decalaj electric care este denumit în mod obișnuit inductanță. Această inductanță determină o diferență de fază între curent și tensiune. figura 1 prezintă formele de undă de curent și tensiune pentru o sarcină cu întârziere zero (sarcină pur rezistivă).
Ca urmare a schimbării de fază datorită inductanței, există momente în care curentul și tensiunea au semne diferite. În astfel de perioade, energia negativă este generată și alimentată înapoi în rețeaua de alimentare cu energie electrică. Când cei doi recâștigă același semn, este necesară o cantitate similară de energie pentru a genera câmpurile magnetice. Energia care se pierde din cauza inversărilor magnetice în sarcinile inductive este denumită de obicei putere reactivă.
Sarcinile inductive CA sunt clasificate în linii și dispozitive neliniare. Pentru sarcini liniare, forma de undă curentă și forma de undă de tensiune au profiluri sinusoidale potrivite. Figura 2 prezintă formele de undă de curent și tensiune pentru o sarcină liniară tipică. Pe de altă parte, deoarece încărcările neliniare trag curent la frecvențe diferite, formele de undă de curent și tensiune sunt diferite. Pentru majoritatea sarcinilor neliniare, forma de undă curentă este de obicei non-sinusoidală. Figura 3 prezintă formele de undă de curent și tensiune pentru o sarcină neliniară.
Câteva exemple de sarcini electrice liniare includ echipamente de încălzire, motoare și dispozitive de iluminat cu incandescență. Dispozitivele neliniare includ unități de frecvență variabilă, unități de curent continuu, controlere programabile, dispozitive de iluminat de tip arc, cuptoare cu inducție, surse de alimentare neîntreruptibile și calculatoare personale. Se știe că sarcinile electrice neliniare sunt o cauză majoră a distorsiunilor armonice în sistemele de distribuție a energiei.
Factor de putere
Eficiența cu care dispozitivele sau instalațiile electrice consumă curent alternativ variază. Unele încărcături utilizează energia eficient, în timp ce altele risipesc o parte semnificativă din energia pe care o consumă. Factorul de putere este utilizat pentru a descrie eficiența cu care încărcăturile consumă curent alternativ. Această cantitate fără dimensiuni variază între 0 și 1.
Așa cum se arată în Figura 4 și Figura 5, puterea totală de curent alternativ, cunoscută și sub denumirea de putere aparentă, consumată de un dispozitiv sau echipament electric depinde de două componente: putere utilă (putere activă) și putere reactivă. Puterea utilă se referă la puterea de care are nevoie un dispozitiv pentru a îndeplini o sarcină. Pe de altă parte, puterea reactivă nu produce muncă utilă. Puterea utilă este de obicei măsurată în kW, în timp ce puterea reactivă este măsurată în kVAR.
Așa cum se arată în Ecuația 1, factorul de putere este egal cu raportul dintre puterea activă (putere utilă) și puterea totală (puterea aparentă) extrasă de un dispozitiv sau echipament electric. Se poate arăta matematic că factorul de putere este egal cu cosinusul unghiului θ (Ecuația 2). Cu cât acest raport este mai aproape de 1,0, cu atât este mai mare eficiența dispozitivului sau a echipamentului.
Pentru o sarcină electrică ideală, factorul de putere este egal cu 1,0 (factor de putere unitar). Aceasta înseamnă că toată puterea consumată de o sarcină este utilizată pentru a face o muncă utilă. Cu toate acestea, este dificil pentru o sarcină electrică reală să realizeze acest lucru. Impedanța pentru sarcina reprezentată de Figura 5 este dat de ecuația 3, unde XL este reactanța inductivă și este dat de Ecuația 4.
De ce este dificil pentru o sarcină electrică să atingă factorul de putere unitar? Majoritatea sarcinilor electrice au proprietăți reactive inerente care le îngreunează realizarea factorului de putere ideal. Pentru a depăși această limitare, circuitele de corecție a factorului de putere sunt adăugate la o rețea pentru a compensa caracteristicile reactive ale unei sarcini.
Corecția factorului de putere (compensare)
Sarcinile electrice care au un factor de putere scăzut consumă mai multă energie decât este necesară pentru a efectua o sarcină. Acest lucru poate avea ca rezultat o pierdere considerabilă de putere într-o rețea și pierderi mari ale transformatorului. Astfel de creșteri ale consumului de energie măresc costul funcționării echipamentelor sau instalațiilor. Factorii slabi de putere determină, de asemenea, o rețea de distribuție a energiei să aibă scăderi de tensiune. Este frecvent ca furnizorii de energie să penalizeze industriile al căror factor de putere este sub o valoare specificată.
Furnizorii de energie electrică încurajează consumatorii industriali să-și îmbunătățească factorul de putere din diverse motive. Pentru început, îmbunătățirea factorului de putere poate ajuta la reducerea facturii de energie electrică cu o marjă semnificativă. În al doilea rând, un factor de putere ridicat ajută la minimizarea pierderilor de eficiență în transformatoarele unui consumator. În al treilea rând, adăugarea unui sistem de corecție a factorului de putere ajută la creșterea capacității efective a rețelei de energie electrică a unui consumator. În cele din urmă, un factor de putere ridicat ajută la creșterea duratei de viață a echipamentelor electrice.
O rețea de compensare a factorului de putere reduce puterea necesară unei sarcini, îmbunătățind astfel factorul de putere general. Rețeaua de compensare permite sarcinilor electrice să obțină un factor de putere bun, de obicei între 0,95 și 0,98. Un factor de putere de 0,85 sau mai mic este de obicei considerat de companiile de utilități drept un factor de putere slab.
Circuite de corecție a factorului de putere pe bază de condensator
Există diverse metode de îmbunătățire a factorului de putere al unei sarcini sau al unei instalații. Una dintre metodele utilizate în mod obișnuit implică adăugarea de condensatori de corecție a factorului de putere în rețea. Figura 6 prezintă un circuit simplu format dintr-o sursă de curent alternativ și o sarcină inductivă.