Współczynnik mocy

Współczynnik mocy jest cechą charakterystyczną odbiornika elektrycznego, która wyjaśnia jego sprawność w pobieraniu mocy, gdy przepływa przez niego prąd.

Dla dipola elektrycznego zasilanego zmiennym reżimem prądu w czasie ( sinusoidalnym lub nie), jest on równy mocy czynnej P pobieranej przez ten dipol, podzielonej przez iloczyn wartości skutecznej prądu I i napięcia U ( moc pozorna S ). Zawsze wynosi od 0 do 1.

W szczególności, jeśli prąd i napięcie są sinusoidalnymi funkcjami czasu, współczynnik mocy jest równy cosinusowi przesunięcia fazowego między prądem a napięciem:

Analogia

Możliwym porównanie mechaniczny byłby czynnikiem sprzęgło z przekładnią  :

Charakterystyka odbiornika ze względu na jego współczynnik mocy

Gdy współczynnik mocy jest równy 1, mówimy, że odbiornik jest czysto rezystancyjny , co oznacza, że ​​jest idealnym przewodnikiem omowym (lub czystym oporem) i że prąd ma taki sam kształt jak napięcie, a ten odbiornik nie '' nie ma charakteru indukcyjnego ani pojemnościowego: nie ma przesunięcia fazowego między prądem, który pobiera, a napięciem, które jest do niego przyłożone.

Gdy współczynnik mocy jest równy 0, odbiornik mówi się, że jest czysto reaktywny , nie rozprasza żadnej energii w postaci ciepła. W tym samym okresie w określonych momentach pobiera energię z sieci, a w innych momentach ją całkowicie przywraca.

Te dwa skrajne przypadki dotyczą tylko modeli, a prawdziwe odbiorniki nigdy nie są idealne. Ale te modele mogą być odpowiednie w danych warunkach użytkowania odbiornika.

Znaczenie współczynnika mocy dla dystrybutora

Dystrybutorzy energii elektrycznej generalnie rozliczają pobraną moc czynną na podstawie pomiaru dokonanego w punkcie dostawy, podczas gdy straty w liniach są rozliczane globalnie. Zależą one jednak od pozornej intensywności żądanej przez konsumentów (straty spowodowane efektem Joule'a ). Jeśli współczynnik mocy instalacji jest niski, zapotrzebowanie na prąd jest wysokie, ale pobór mocy jest niski. Dlatego w przypadku dużych odbiorców (instalacje podłączone do wysokiego napięcia) rozliczenie nie tylko uwzględnia pobraną moc czynną. We Francji takie rozliczenia są bardzo złożone. Jest on regulowany przez Ministerstwo Przemysłu: OJ n o  170 z 23 lipca 2002 roku, na stronach 12600 i kolejne. Obecnie dotyczy tylko klientów podłączonych do wysokiego napięcia w miesiącach zimowych iw godzinach szczytu.

Przykład: albo czysto reaktywny dipol (na przykład kondensator), w którym przebiega sinusoidalny prąd przemienny o natężeniu 1 A poniżej 230 woltów. Ponieważ ten dipol wprowadza przesunięcie fazowe między napięciem a prądem, współczynnik mocy wynosi zero. W związku z tym moc czynna naliczana przez dystrybutora wynosi zero. Jednak moc pozorna wynosi 230 VA i rzeczywiście przekracza 1A w linii, co implikuje straty spowodowane efektem Joule'a i zobowiązuje dystrybutora do odpowiedniego doboru wyposażenia (transformatory, linie  itp. ).

Dla konsumenta tak „pobrana” moc bierna jest jedynie wymianą ładunków elektrycznych między generatorem a dipolem, o zerowej średniej mocy w danym okresie.

Współczynnik mocy w prądzie sinusoidalnym

Efekty współczynnika mocy

Wykres obok przedstawia chwilową moc (iloczyn chwilowego napięcia i prądu) pobieraną przez dipol poddany napięciu 230 V, przez który przepływa prąd 18 A w trzech przypadkach:

Rysunek przedstawia sytuację dipola indukcyjnego, takiego jak cewka  : prąd opóźnia się w stosunku do napięcia. Okresowo przywracana moc pochodzi ze zmagazynowanej energii magnetycznej.

Sytuacja „symetryczna” występuje z dipolem pojemnościowym  : w tym przypadku prąd wyprzedza napięcie. Moc odnawiana okresowo pochodzi z energii zmagazynowanego ładunku elektrycznego.

Skutki bardziej złożonych dipoli (np. Dużej liczby telewizorów) mogą modyfikować napięcie nominalne sieci zasilającej, generować zakłócenia o przebiegu sinusoidalnym oraz wytwarzać prądy harmoniczne, które mogą zakłócać prawidłowe działanie innych urządzeń. Operator sieci dystrybucyjnej zobowiązuje się utrzymać akceptowalny poziom zniekształceń harmonicznych , nawet jeśli oznacza to narzucania ograniczeń dotyczących niektórych klientów, którzy je wytwarzają.

Straty w przewodach elektrycznych są równe:

.

Gdzie L jest długością linii P moc czynna transportowane na przewodność przewodu, U napięcie między fazami i A przekrój drutu. Utrzymanie wysokiego współczynnika mocy jest zatem korzystne z punktu widzenia strat. Powyższą relację można też zapisać prościej:

gdzie R oznacza rezystancję linii, a I wartość skuteczną prądu płynącego w linii.

ponieważ i .

Sytuacja cewki indukcyjnej (cewki)

Rozważmy cewkę i równanie różniczkowe modelu ( prąd jednofazowy ) zawierającego cewkę połączoną szeregowo z rezystorem o wartości  :

Dla częstotliwości z jej pulsacją przyjmuje się, że prąd jest sinusoidalny o nominalnym natężeniu . Równanie różniczkowe prowadzi do

Definiując i przez relacje

a ,

rysujemy

i ,

albo i chwilową moc .

To okresowe rozwiązanie modelu indukcyjności pokazuje, że prąd opóźnia się z napięciem z przesunięciem fazowym . Sytuacja opisana na powyższym rysunku odpowiada przypadkowi cewki indukcyjnej.

Osiągnięto średnią (czynną) moc

.

Załóżmy z drugiej strony, że ten system jest zasilany przez sieć, której opór jest . Straty przesyłu (z powodu efektu Joule'a ), których średnia wynosi Tak więc średnie straty w stosunku do dostarczonej mocy sięgają

.

Dlatego straty względne rosną odwrotnie proporcjonalnie do współczynnika mocy.

Sytuacja kondensatora (kondensator)

Rozważmy dipol pojemnościowy zawierający kondensator kondensator połączony równolegle z rezystorem wartości . Równanie różniczkowe tego układu ( prąd jednofazowy ) jest napisane:

Dla częstotliwości z jej pulsacją przyjmuje się, że napięcie jest sinusoidalne od napięcia znamionowego . Równanie różniczkowe prowadzi do

Definiując i przez relacje

a ,

rysujemy

i ,

albo i chwilową moc .

Okresowe rozwiązanie tego modelu pojemnościowego pokazuje, że prąd wyprzedza napięcie z przesunięciem fazowym .

Osiągnięto średnią (czynną) moc

.

Załóżmy z drugiej strony, że ten system jest zasilany przez sieć, której opór jest . Straty przesyłu (z powodu efektu Joule'a ), których średnia wynosi Tak więc średnie straty w stosunku do dostarczonej mocy sięgają

.

Dlatego straty względne rosną odwrotnie proporcjonalnie do współczynnika mocy.

Mechaniczna analogia ilustrująca współczynnik mocy i jego skutki

Rozważmy system mechaniczny składający się z dwóch kół pasowych (zamocowanych na dwóch osiach) połączonych ze sobą liną (jak uproszczony wyciąg narciarski). Koło pasowe A wprawiane jest w ruch przez siłę zewnętrzną (silnik), drugie jest napędzane przez linkę w podobny sposób. Załóżmy, że ruch przekazywany do A jest sinusoidalny, a masy elementów są pomijalne.

Analogie z dipolami są następujące:

Możemy wyobrazić sobie następujące efekty, które przejawiają się również w świecie elektrycznym:

Poprawiony współczynnik mocy

W przypadku trójfazowej sinusoidy do obliczeń półproduktów stosuje się następujące definicje mocy :

We Francji dla producentów zasilanych wysokim napięciem całkowita część mocy biernej jest bezpłatna do . Udział własny jest fakturowany w godzinach szczytu w miesiącach zimowych (dekret nr 2002-1014 z 19 lipca 2002). Zawsze dobrze jest zmodyfikować impedancję obciążenia, aby zminimalizować jego moc bierną.

Zdegradowane współczynniki mocy dużej liczby punktów poboru są kompensowane na różne sposoby:

Zastosowanie baterii kondensatorów

Metodą Boucherota określamy minimalną wartość , zawsze ujemnej mocy biernej kondensatorów, czyli tzw

( Branża wykorzystująca głównie maszyny indukcyjne jest pozytywna ).

Minimalna wartość kondensatorów, które mają być dodane do obwodu, jest następnie wyprowadzana z tego, aby zachować zgodność z planowanymi specyfikacjami.

Te banki kondensatorów są czasami rozmieszczone jako filtry antyharmoniczne .

Stosowanie kompensatorów synchronicznych

Niektóre firmy używają generatorów synchronicznych do wytwarzania prądów przed napięciem, aby skompensować opóźnienie prądów pobieranych przez silniki elektryczne, zwane kompensatorami synchronicznymi .

Korzystanie z FAKTÓW

Systemy FACTS to urządzenia oparte na energoelektronice, zaprojektowane w celu poprawy jakości energii elektrycznej. Wśród nich niektóre, takie jak SVC, umożliwiają zarówno regulację napięcia, jak i poprawę współczynnika mocy.

Współczynnik mocy i współczynnik jakości

W elektronice określa się współczynnik jakości dla oscylujących dipoli, który jest tym większy, im współczynnik mocy jest niski. Powodem jest to, że perspektywa nie jest taka sama w elektronice i elektrotechnice.

Współczynnik mocy dla prądu niesinusoidalnego

Jeśli pobierany prąd nie jest sinusoidalny, problem jest bardziej złożony: nawet jeśli prąd jest w fazie z napięciem (przesunięcie fazowe wynosi zero), moc nie jest równa iloczynowi wartości skutecznych

Na ogół stosuje się dwie metody badawcze:

Definicje

Obliczenie mocy czynnej daje w rezultacie:

.

Z drugiej strony moc pozorną można zapisać:

.

Dlatego współczynnik mocy, zawsze równy , jest napisany:

.

Z definicjami następujących półproduktów obliczeniowych:

i:

Szczegóły obliczeń

mamy z i

Skąd :

Uwagi i odniesienia

  1. Hoffman, Schlabbach i Just 2012 , s.  24
  2. Dekret nr 2002-1014 z dnia 19 lipca 2002 r. Ustalający taryfy za korzystanie z publicznych sieci przesyłowych i dystrybucyjnych energii elektrycznej w zastosowaniu art. 4 ustawy nr 2000-108 z dnia 10 lutego 2000 r. W sprawie modernizacji i rozbudowy sieci publiczna usługa energii elektrycznej
  3. Schneider Electric, „  Przewodnik po kompensacji energii biernej i filtrowaniu harmonicznych  ”, publikacja Schneider Electric ,Lipiec 2001

Załączniki

Bibliografia

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">