2.15. Особые явления в цепях переменного тока
Так как в цепях переменного тока существуют две разновидности реактивных элементов L и С, у которых различны формулы связи напряжения и тока: , то при работе в цепи таких элементов возможно появление резонансных явлений.
Первый вид резонанса – это резонанс напряжений.
Решим задачу:
Дано: u = Um sin wt, L, C, r соединены последовательно (см. рис. 2.14).
Найти: комплекс тока ; составляющие мощностей: P, Q, S ?
Решение
Мгновенное напряжение переведем в комплексный вид:
.
Параметры нагрузок переведем в комплексный вид:
.
По закону Ома найдем ток:
.
По найденному току определим составляющие мощностей:
.
Суммарная реактивная мощность:
.
Полная или кажущаяся мощность:
.
Мощность в комплексной форме записи:
.
Если XL – XC = 0 , то цепь находится в режиме резонанса.
Условиями возникновения резонанса для цепи, содержащей последовательно соединенные LC – элементы является:
,
что соответствует выражению:
.
Если L и C элементы заданы, то можно найти резонансную частоту:
,
которая вводит цепь в резонанс, если же заданы C – элементы, то индуктивность, вводящая цепь в резонанс, равна:
.
Резонансные цепи с последовательно соединенными элементами
.
Если угол сдвига между током и напряжением равна нулю (j = 0), то говорят, что цепь находится в режиме резонанса, то есть реактивная мощность равна:
Q =0 и QL = QC.
Внешний источник при резонансе будет работать, потребляя только активную мощность, не замечая наличия Q
Параметры резонансных цепей:
индуктивное сопротивление:
.
Его называют волновым сопротивлением индуктивности;
емкостное сопротивление при резонансе:
;
волновое сопротивление:
дает основание для определения добротности контура: (добротность – безразмерная величина). Обратную величину добротности называют затуханием: .
Решим следующую задачу. Пусть те же элементы соединены параллельно (рис.
Ток источника равен:
.
Комплексная проводимость имеет вид:
,
где
y – комплексная проводимость; q – активная проводимость; b – мнимая или реактивная проводимость.
Если bC – bL = 0 , то цепь находится в режиме резонанса токов, то есть модули токов индуктивности и емкости равны: IL = IC.
Условием резонанса будет следующее соотношение: .
Вопрос 2. Записать выражение дляполного сопротивления, тока и коэффициента мощности при резонансе напряжений.
;
Величина (модуль) полного сопротивления равна:
;
При резонансе
напряжений
.
Поэтому.
Реактивные сопротивления друг друга
компенсируют, полное сопротивлениестановится чисто активным и равным
сопротивлению катушки.
Ответ 2.2. Из анализа схемы замещения (из 2-го закона Кирхгофа) следует, что:
При резонансе напряжений и, поэтому при резонансе ток равен:.
Вывод:При резонансе ток в цепи и определяется только отношением входного напряжения к чисто активному сопротивлению катушки.
Ответ 2.3 В цепи переменного тока различают активную, реактивнуюи полнуюмощности, которые рассчитываются следующим образом:
, Вт;
, Вар;
, ВА.
Реактивная составляющая полной мощности цепи находится как разность индуктивной QLи емкостнойQCее составляющих:
Коэффициент
мощности электрической цепи cosφпоказывает долю активной мощности Р в
полной мощности цепиS:.
Полная мощность рассчитывается по формуле: .
Вариант ответаa) При резонансе напряжений:cosφ0=Р0/UI0.
Но Р0=I02R,U=I
.
Вариант b)При резонансе напряжений суммарная реактивная мощность равна нулю, поэтому полная мощностьSравна чисто активной мощностиP. Следовательно:
.
Вывод:При резонансе напряжений коэффициент мощности , т.е. вся подводимая мощность расходуется только на нагрев проводов катушки индуктивности.
**) можно определить из соотношения
Ответ 3.1:
В данной цепи при равенстве индуктивного
Падения напряжения на индуктивном и емкостном элементах рассчитываются по закону Ома: ,и т.к.величина напряжения наидеальнойиндуктивностиULравнанапряжению на емкостиUC. , но фазы напряженийULиUCпротивоположны (сдвинуты на 180°).
Режим работы цепи
cпоследовательным
соединениемR,L,Cэлементов при котороми(или)
называют
Сумма комплексов
напряжений
иравна нулю, следовательно и модуль суммы
будет равен нулю. Вольтметр, измеряющий
падение напряжения(модуль комплекса
напряжения)на участке цепи с
идеальной индуктивностью и емкостью,
покажет значение =0. При этом токи напряжениеВХсовпадает по фазе (коэффициент мощности,φ0 =0). Активная
мощностьимеет наибольшее значение, равное полной
мощностиS, в то время как
реактивная мощность цепи оказывается
равной нулю:.
При резонансе напряжения на емкости и на индуктивности могут значительно превышать подводимое напряжение
, .
Физическая причина возникновения повышенных напряжений – это колебания значительной энергии, запасаемой попеременно в электрическом поле емкостного и магнитном поле индуктивного элементов. При резонансе напряжений малые количества энергии, поступающей от источника и компенсирующие потери энергии в активном элементе – сопротивленииR, достаточны для поддержания незатухающих колебаний в системе относительно больших количеств энергии электрического и магнитного полей. Причем в любой момент времени суммарная энергия электрического и магнитного полей остается постоянной.
Резонанс напряжений
в промышленных электрических установках
нежелательное и опасное явление, так
как оно может привести к аварии вследствие
недопустимого перегрева отдельных
элементов электрической цепи или пробою
изоляции.
**) Для мощных двигателей отношение сопротивлений обмоток XL/R на промышленной частоте составляет несколько десятков. Напряжение питания двигателей обычно <380В. Поэтому в случае резонанса напряжение на обмотке UL
В тоже время резонанс напряжений в электрических цепях переменного тока широко используется в радиотехнике, в различных приборах и устройствах, основанных на резонансных явлениях.
Мощность и коэффициент мощности в цепях переменного тока, для ADALM1000 [Analog Devices Wiki]
Эта версия (03 ноября 2021 г., 20:16) была одобрена Дугом Мерсером. Доступна ранее утвержденная версия (27 января 2021 г., 22:36). .
Содержание
Деятельность: мощность и коэффициент мощности в цепях переменного тока, для ADALM1000
Цель:
Примечания:
Фон:
Коррекция коэффициента мощности
Материалы:
Указания для RC цепи:
Процедура:
Указания для цепи RL:
Процедура:
Указания для цепи RLC:
Процедура:
Указания по коррекции коэффициента мощности:
Процедура:
Приложение:
Цель:
В этой лабораторной работе вы определите реальную, реактивную и полную мощность в цепях RC, RL и RLC.
Вы также определите величину емкости, которая требуется для коррекции коэффициента мощности в последовательной цепи RL.
Примечания:
Как и во всех лабораториях ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему M1000 и настройке оборудования. Заштрихованные зеленым прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Выводы канала аналогового ввода/вывода обозначаются как CA и CB. При настройке на форсирование напряжения/измерения тока добавляется –V, как в CA- В или при настройке на форсирование тока/измерение напряжения –I добавляется как в CA-I. Когда канал сконфигурирован в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения –H добавляется как CA-H.
Следы осциллографа аналогичным образом обозначаются по каналу и напряжению/току. Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.
Фон:
Для изменяющихся во времени напряжений и токов мощность, подаваемая на заданную нагрузку, также меняется со временем.
Эта изменяющаяся во времени мощность называется мгновенной мощностью. Мощность в любой момент времени может быть как положительной, так и отрицательной. То есть мощность поступает в нагрузку и рассеивается в виде напора или сохраняется в нагрузке в виде энергии при положительном значении и выходит из нагрузки (из накопленной энергии в нагрузке) при отрицательном значении. Реальная (или фактическая) мощность, подаваемая в нагрузку, представляет собой среднее значение мгновенной мощности.
Для синусоидальных напряжений и токов переменного тока реальная мощность (P) в ваттах, рассеиваемая в цепи нагрузки RC, RL или RLC, рассеивается только в части сопротивления. Реальная мощность не рассеивается в идеальном реактивном элементе, таком как конденсатор или катушка индуктивности. В реактивном элементе энергия запасается в течение половины цикла переменного тока и высвобождается (получается) в течение другой половины цикла. Мощность в реактивном элементе называется реактивной мощностью (Q) и измеряется в варах (Вольт-Ампер-Реактивная).
Реальная мощность (P), рассеиваемая в нагрузке, может быть рассчитана следующим образом:
Где R — резистивная часть нагрузки, а I — (истинный) среднеквадратический ток.
Реактивную мощность в нагрузке можно рассчитать следующим образом:
Где X — реактивное сопротивление нагрузки, а I — среднеквадратичное значение переменного тока.
Когда нагрузка имеет среднеквадратичное напряжение переменного тока ( В ) и среднеквадратичное значение переменного тока (I) через нее, кажущаяся мощность (S) является произведением среднеквадратичного значения напряжения и среднеквадратичного значения тока в вольт-амперах (ВА). Полную мощность можно рассчитать следующим образом:
Если нагрузка имеет как резистивную, так и реактивную части, полная мощность не представляет собой ни реальную мощность, ни реактивную мощность. Она называется полной мощностью, потому что она использует то же уравнение, что и мощность постоянного тока, но не принимает во внимание возможную разность фаз между формами сигналов напряжения и тока.
Треугольник мощности (векторную диаграмму) можно нарисовать, используя реальную, реактивную и полную мощность. Реальная мощность отложена по горизонтальной оси, реактивная мощность отложена по вертикальной оси, а полная мощность образует гипотенузу треугольника, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Треугольник силы
Используя геометрию, S можно рассчитать следующим образом:
Косинус угла θ определяется как коэффициент мощности (pf). Коэффициент мощности представляет собой отношение активной мощности (P) к полной мощности (S) и рассчитывается следующим образом:
Где θ — разность фаз между сигналом напряжения (на нагрузке) и сигналом тока (на нагрузке). Коэффициент мощности рассматривается как отстающий, когда ток нагрузки отстает от напряжения нагрузки (индуктивный), и опережающий, когда ток нагрузки опережает напряжение нагрузки (емкостный).
Реальную мощность также можно найти из кажущейся мощности, умножив кажущуюся мощность на коэффициент мощности:
Реальная мощность в ваттах, рассеиваемая в нагрузке, может быть рассчитана по истинному среднеквадратичному току резистора и сопротивлению следующим образом:
Реактивную мощность в RC-цепи, как показано на рисунке 2, можно рассчитать, используя:
Где В C — среднеквадратичное напряжение на конденсаторе, I — среднеквадратичное значение тока конденсатора, а X C — емкостное реактивное сопротивление.
Реактивную мощность в цепи RL, как показано на рисунке 4, можно рассчитать, используя:
Где В L — среднеквадратичное напряжение на дросселе, I — среднеквадратичное значение тока дросселя, а X L — индуктивное реактивное сопротивление.
Реактивную мощность в цепи RLC, как показано на рисунке 6, можно рассчитать, используя:
Где В Х = В С – В L – среднеквадратичное напряжение на суммарном реактивном сопротивлении, I – среднеквадратичное значение тока реактивного сопротивления, а X = X C – X L – суммарное суммарное реактивное сопротивление. Среднеквадратичное значение напряжения на полном реактивном сопротивлении равно разнице между напряжением конденсатора ( В С ) и напряжением катушки индуктивности ( В L ), поскольку напряжения имеют разность фаз 180° (не в фазе).
между друг другом.
Коррекция коэффициента мощности
Коррекция коэффициента мощности обычно требуется для индуктивных нагрузок, таких как большие двигатели переменного тока. Поскольку коэффициент мощности 1 (единица) требует меньшего пикового тока, целесообразно компенсировать индуктивность, максимально приближая коэффициент мощности к единице. Делая это, мы приближаем реальную мощность к кажущейся мощности (VI). Коэффициент мощности корректируется подключением конденсатора параллельно индуктивной нагрузке.
Чтобы найти правильное значение требуемой емкости конденсатора (рис. 6), сначала нам нужно знать реактивную мощность исходной цепи RL. Это делается путем рисования треугольника мощности и решения для реактивной мощности. Треугольник мощности можно построить из реальной мощности, кажущейся мощности и угла коэффициента мощности θ. Как только реактивная мощность для исходной цепи нагрузки найдена, емкостное реактивное сопротивление X C , необходимые для корректировки коэффициента мощности, можно рассчитать следующим образом:
Где В — среднеквадратичное напряжение в цепи RL.
Перестановка…
При значении XC требуемая емкость может быть найдена на основе частоты (F) следующим образом:
Перестановка:
При правильном подключении конденсатора параллельно нагрузке RL (двигатель) коэффициент мощности будет близок к единице, т.е. напряжение и ток совпадают по фазе. И реальная мощность будет примерно равна кажущейся мощности.
Материалы:
Аппаратный модуль ADALM1000
Макетная плата без пайки и перемычки
1 – Резистор 47 Ом
1 – Резистор 100 Ом
1 – Конденсатор 10 мкФ
1 – Катушка индуктивности 47 мГн
Указания для RC-цепи:
Соберите RC-цепочку, показанную на рис. 2, на макетной плате с номиналами компонентов R 9.0147 1 = 100 Ом и C 1 = 10 мкФ. Требуются три подключения к ALM1000, как показано зелеными прямоугольниками. Откройте программное обеспечение осциллографа ALICE.
Рис.
2. Цепь нагрузки переменного тока RC
Рис. 3. Соединения макетной платы RC AC
Процедура:
В правой части главного окна прицела введите 2,5 для регулировки смещения CA- V и CB- V . Это связано с тем, что в этом эксперименте нам нужно подать сигналы переменного тока (+/- напряжение) на нагрузку и привязать все измерения к +2,5 В общая рейка. Также введите 0 для настроек вертикального положения каналов CH-A и CH-B (внизу окна прицела). Вертикальные шкалы теперь должны быть центрированы на 0 и изменяться от -2,5 до +2,5. Установите вертикальную шкалу CA-I на 5 мА /дел.
Установите минимальное значение канала A AWG на 1,08 и максимальное значение на 3,92 В, чтобы применить 2,84 Впик-пик, 1 В RMS, синусоиду с центром на 2,5 В в качестве входного напряжения для схемы.
Установите частоту на 250 Гц и фазу на 90°. В раскрывающемся меню AWG A Mode выберите режим SVMI. В раскрывающемся меню AWG A Shape выберите Sine. В раскрывающемся меню AWG B Mode выберите режим Hi-Z.
В раскрывающемся меню ALICE Curves выберите CA- V , CA-I и CB- V для отображения. В раскрывающемся меню Trigger выберите CA- V и Auto Level.
Эта конфигурация использует осциллограф для просмотра сигналов переменного напряжения и тока, управляющих цепью на канале A, и напряжения на сопротивлении на канале B. Напряжение на конденсаторе — это просто разница между каналами A и B (выберите CAV — CBV). из выпадающего меню Math). Убедитесь, что вы отметили селектор Sync AWG.
Программное обеспечение может вычислять среднеквадратичные значения для сигналов напряжения и тока канала A, а также для сигнала напряжения канала B. Кроме того, программное обеспечение также вычисляет среднеквадратичное значение поточечной разности между осциллограммами напряжения каналов A и B.
В этом эксперименте это будет среднеквадратичное значение напряжения на конденсаторе. Для отображения этих значений выберите RMS и CA-CB RMS в разделе -CA- V — и RMS в разделе -CA-I- раскрывающегося меню Meas CA. Выберите RMS в -CB- V — раздел выпадающего меню Meas CB. Вы также можете отобразить максимальные (или положительные пиковые) значения для CA- V CA-I и CB- V .
Нажмите кнопку «Выполнить». Настраивайте временную базу, пока на сетке дисплея не будет более двух циклов синусоиды. Установите Hold off на 4,0 мс. Вы должны увидеть 4 кривые: напряжение канала A, напряжение канала B, ток канала A и математическую кривую напряжения CA-CB. Поскольку для резистора было выбрано 100 Ом, а вертикальная шкала для тока равна 5 мА /дел, кривая тока в резисторе будет падать прямо поверх кривой напряжения на резисторе, канал B, с вертикальной шкалой, установленной на 0,5 В /дел, (0,5 мА время 100 Ом = 0,5 В ).
Запишите среднеквадратичное значение напряжения на всей RC-цепи (CHA V RMS), среднеквадратичное значение тока через R 1 , которое также является током в канале A в этой последовательной цепи (CHA I RMS), среднеквадратичное значение напряжения на резисторе (CHB В RMS) и среднеквадратичное значение напряжения на конденсаторе (A-B RMS).
На основе этих значений рассчитайте реальную мощность (P) для RC-цепи. Рассчитайте реактивную мощность (Q). Рассчитайте кажущуюся мощность (S).
На основе рассчитанных значений P, Q и S начертите треугольник мощности, как показано на рисунке 1. Определите коэффициент мощности (pf) и θ для RC-цепи.
Осциллограммы отображают временную зависимость между напряжением (зеленый канал A, кривая напряжения) и током (голубой канал A, кривая тока). С помощью маркеров дисплея или временного курсора измерьте разницу во времени между пересечением нуля двумя кривыми и, исходя из этого, фазовый угол между ними.
Используйте этот угол (θ) для расчета коэффициента мощности.
Как это соотносится со значением, которое вы получили из P, Q и S и треугольника мощности? Отстает или опережает коэффициент мощности и почему?
Указания для цепи RL:
Сначала измерьте сопротивление постоянному току катушки индуктивности 47 мГн с помощью инструмента DC Ohmmeter в ALICE. Общее последовательное сопротивление цепи RL будет равно сопротивлению катушки индуктивности плюс внешний резистор 47 Ом R 1 . Общее сопротивление необходимо учитывать при расчетах активной и реактивной мощности.
Соберите RL-цепь, показанную на рис. 4, на макетной плате со значениями компонентов R 1 = 47 Ом и L 1 = 47 мГн.
Рис. 4. Цепь нагрузки переменного тока РЛ
Рис. 5. Цепь нагрузки переменного тока РЛ
Процедура:
Нажмите кнопку «Выполнить». Настраивайте временную базу, пока на сетке дисплея не будет более двух циклов синусоиды.
Установите Hold off на 4,0 мс. Вы должны увидеть 4 кривые: напряжение канала A, напряжение канала B, ток канала A и математическую кривую напряжения CA-CB.
Запишите среднеквадратичное значение напряжения во всей цепи RL (CHA V RMS), среднеквадратичное значение тока через R 1 , которое также является током в канале A в этой последовательной цепи (CHA I RMS), среднеквадратичное значение напряжения на резисторе (CHB V RMS) и среднеквадратичное значение напряжения на катушке индуктивности (A-B RMS).
На основе этих значений рассчитайте реальную мощность (P) для цепи RL. Рассчитайте реактивную мощность (Q). Рассчитайте кажущуюся мощность (S).
На основе рассчитанных значений P, Q и S начертите треугольник мощности, как показано на рисунке 1. Определите коэффициент мощности (pf) и θ для цепи RL.
Осциллограммы отображают временную зависимость между напряжением (зеленый канал A, кривая напряжения) и током (голубой канал A, кривая тока).
С помощью маркеров дисплея или временного курсора измерьте разницу во времени между пересечением нуля двумя кривыми и, исходя из этого, фазовый угол между ними. Используйте этот угол (θ) для расчета коэффициента мощности.
Как это соотносится со значением, которое вы получили из P, Q и S и треугольника мощности? Отстает или опережает коэффициент мощности и почему?
Указания для цепи RLC:
Соберите схему RLC, показанную на рис. 6, на макетной плате со значениями компонентов R 1 = 47 Ом, C1 = 10 мкФ и L 1 = 47 мГн.
Рис. 6. Цепь нагрузки переменного тока RLC, измеряющая конденсатор
Рис. 7. Соединения макетной платы нагрузки переменного тока RLC
Процедура:
Для схемы RLC вам потребуются измерения среднеквадратического напряжения переменного тока на каждом элементе. В конфигурации, показанной на рисунке 6, с каналом B, подключенным к соединению C 1 и L 1 , мы можем получить среднеквадратичное напряжение на C 1 из разницы между формами сигналов CA и CB.
С каналом B, подключенным к соединению L 1 и R 1 , мы можем получить среднеквадратичное напряжение на R1 непосредственно из формы сигнала CB. Запишите среднеквадратичное значение напряжения во всей цепи RLC (CHA В RMS), среднеквадратичное значение тока через R 1 , которое также является током в канале A в этой последовательной цепи (CHA I RMS), среднеквадратичное значение напряжения на резисторе (CHB V RMS) и среднеквадратичное значение напряжения на конденсаторе (A-B RMS), когда CHB подключен к соединению C 1 и L 1 , и комбинированное реактивное сопротивление L 1 и C 1 , когда CHB подключен к соединению L 1 и R 1 .
Нам еще нужно среднеквадратичное напряжение на катушке индуктивности L 1 . Изменяя порядок компонентов в этой последовательно соединенной цепи, как показано на рисунке 8, мы не меняем общее полное сопротивление цепи нагрузки.
Однако теперь мы можем получить среднеквадратичное значение напряжения на L 1 из разницы между формами сигналов CA и CB, как мы это сделали с конденсатором на рис. 6. Запишите среднеквадратичное значение напряжения на всей цепи RLC (CHA V RMS), среднеквадратичное значение тока через R 1 , которое также является током в канале A в этой последовательной цепи (CHA I RMS), среднеквадратичное значение напряжения на резисторе (CHB V RMS) и среднеквадратичное значение напряжения на индукторе (среднеквадратичное значение AB). Убедитесь, что значение во всей цепи, а также ток через нагрузку и значение на R 1 совпадают с тем, что было измерено на рис. 6. Почему это так?
Рис. 8. Цепь нагрузки переменного тока RLC, измеряющая дроссель
На основе этих значений рассчитайте реальную мощность (P) для цепи RLC. Рассчитайте реактивную мощность (Q) для комбинированного реактивного сопротивления LC и L и C по отдельности.
Рассчитайте кажущуюся мощность (S).
Увеличьте частоту канала А с 250 Гц до 500 Гц и повторно измерьте среднеквадратичное значение напряжения для цепи RLC. Как это изменило реальную, реактивную и полную мощность? Отстает или опережает ток нагрузки и почему?
Уменьшите частоту канала А с до 125 Гц и повторно измерьте среднеквадратичное значение напряжения для цепи RLC. Как это изменило реальную, реактивную и полную мощность? Отстает или опережает ток нагрузки и почему?
Указания по коррекции коэффициента мощности:
Схема, показанная на рис. 9, для коррекции коэффициента мощности такая же, как и на рис. 4, с добавлением конденсатора C 1 параллельно с L 1 .
Рисунок 9. Коррекция коэффициента мощности для нагрузки переменного тока RL
Рис. 10. Соединения макетной платы коррекции коэффициента мощности
Основываясь на ваших измерениях на рисунке 4 и уравнениях в разделе «Коррекция коэффициента мощности» в справочной информации для этой лабораторной работы, рассчитайте соответствующее значение для C 1 при 250 Гц.
Используйте конденсатор ближайшего стандартного номинала (или параллельную комбинацию стандартных номиналов) для C 1 .
Процедура:
Как и для простой цепи RL, запишите среднеквадратичное значение напряжения во всей цепи RL (CHA V RMS), среднеквадратичное значение тока через R 1 , которое также является током в канале A в этом последовательной цепи (CHA I RMS), среднеквадратичное значение напряжения на резисторе (CHB V RMS) и среднеквадратичное значение напряжения на катушке индуктивности (A-B RMS).
На основе этих значений рассчитайте реальную мощность (P) для цепи RL. Рассчитайте реактивную мощность (Q). Рассчитайте кажущуюся мощность (S).
На основании рассчитанных значений P, Q и S нарисуйте треугольник мощности, как показано на рисунке 1. Определите коэффициент мощности (pf) и θ для RL-цепи с поправкой на pf. Сравните этот коэффициент мощности с рассчитанным только для цепи нагрузки RL.
Насколько близким было расчетное значение конденсатора к оптимальному значению, необходимому для того, чтобы сделать pf равным единице? Объясните любые различия.
Приложение:
Использование других значений компонентов
Можно заменить другими значениями компонентов в случаях, когда указанные значения недоступны. Реактивное сопротивление компонента (X C или X L ) зависит от частоты. Например, если доступны катушки индуктивности 4,7 мГн, а не требуемые 47 мГн, все, что необходимо сделать, — это увеличить тестовую частоту с 250 Гц до 2,5 кГц. То же самое будет верно при замене указанного конденсатора 10,0 мкФ конденсатором 1,0 мкФ.
Использование виртуального прибора Phase Analyzer
ALICE включает в себя виртуальный инструмент Phase Analyzer, который может помочь в понимании фазовых соотношений между сигналами напряжения и тока, а также в полярных обозначениях и полярных графиках.
Руководство пользователя анализатора фаз.
Использование инструмента для измерения импеданса RLC
ALICE desktop включает в себя анализатор импеданса / RLC-метр, который можно использовать для измерения последовательного сопротивления (R) и реактивного сопротивления (X). В рамках этой лабораторной работы может быть полезно использовать этот инструмент для измерения компонентов R, L и C, используемых для подтверждения результатов вашего теста.
Ресурсы:
Файлы Fritzing: power_factor_bb
Файлы LTSpice: power_factor_ltspice
Для дальнейшего чтения:
Коэффициент мощности
Мощность в резистивных и реактивных цепях переменного тока
Практическая коррекция коэффициента мощности
Вернуться к содержанию лабораторной работы
университет/курсы/alm1k/circuits1/alm-cir-ac-power-factor.
txt · Последнее изменение: 03 ноября 2021 г., 20:16, автор: Doug Mercer. фактор (спортивная стрельба).
В электротехнике коэффициент мощности системы электроснабжения переменного тока определяется как отношение активной мощности, потребляемой в нагрузку, к полной мощности в цепи и представляет собой безразмерное число в замкнутом интервале от −1 до 1. , Коэффициент мощности меньше единицы означает, что формы волны напряжения и тока не совпадают по фазе, что уменьшает мгновенное произведение двух форм волны (V × I). Реальная мощность – это способность схемы выполнять работу в определенное время. Полная мощность является произведением тока и напряжения в цепи. Из-за энергии, накопленной в нагрузке и возвращенной к источнику, или из-за нелинейной нагрузки, которая искажает форму волны тока, потребляемого от источника, кажущаяся мощность будет больше, чем реальная мощность. Отрицательный коэффициент мощности возникает, когда устройство (которое обычно является нагрузкой) вырабатывает мощность, которая затем возвращается к источнику, который обычно считается генератором.
В электроэнергетической системе нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности при одинаковом количестве передаваемой полезной мощности. Более высокие токи увеличивают потери энергии в системе распределения и требуют более крупных проводов и другого оборудования. Из-за стоимости более крупного оборудования и потерь энергии электрические коммунальные предприятия обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей, где коэффициент мощности низкий.
Линейные нагрузки с низким коэффициентом мощности (например, асинхронные двигатели) можно компенсировать с помощью пассивной сети конденсаторов или катушек индуктивности. Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, искажают ток, потребляемый системой. В таких случаях можно использовать активную или пассивную коррекцию коэффициента мощности для противодействия искажениям и повышения коэффициента мощности. Устройства для коррекции коэффициента мощности могут быть на центральной подстанции, рассредоточены по распределительной системе или встроены в энергопотребляющее оборудование.
9{\ circ}}, {\ displaystyle \ cos \ varphi \ приблизительно 0,71}). Синяя линия показывает, что часть мощности возвращается в сеть во время части цикла, обозначенной {\displaystyle \varphi}.
В чисто резистивной цепи переменного тока формы сигналов напряжения и тока совпадают (или совпадают по фазе), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле. Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется (или рассеивается).
При наличии реактивных нагрузок, таких как конденсаторы или катушки индуктивности, накопление энергии в нагрузках приводит к разнице фаз между формами тока и напряжения. Во время каждого цикла переменного напряжения дополнительная энергия, в дополнение к любой энергии, потребляемой в нагрузке, временно сохраняется в нагрузке в электрических или магнитных полях, а затем возвращается в энергосистему через долю периода.
Поскольку системы распределения переменного тока высокого напряжения представляют собой, по сути, квазилинейные системы цепей, подверженные непрерывным ежедневным изменениям, существует непрерывный «прилив и отлив» непроизводительной мощности.
Непроизводительная мощность увеличивает ток в линии, что может привести к отказу.
Таким образом, цепь с низким коэффициентом мощности будет использовать более высокие токи для передачи заданного количества активной мощности, чем цепь с высоким коэффициентом мощности. Линейная нагрузка не изменяет форму волны тока, но может изменить относительную синхронизацию (фазу) между напряжением и током.
Электрические цепи, содержащие преимущественно активные нагрузки (лампы накаливания, нагревательные элементы), имеют коэффициент мощности почти 1,0, но цепи, содержащие индуктивные или емкостные нагрузки (электродвигатели, электромагнитные клапаны, трансформаторы, балласты люминесцентных ламп и др.), могут иметь мощность коэффициент значительно ниже 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАСЧЕТПоток мощности переменного тока состоит из двух компонентов:
Реальная мощность или активная мощность ({\displaystyle P}) (иногда называемая средней мощностью [1]), выраженная в ваттах )
Реактивная мощность ({\displaystyle Q}), обычно выражаемая в реактивных вольт-амперах (вар) [2]
Они объединяются в комплексную мощность ({\displaystyle S}), выраженную вольт-ампер (ВА).
Величина комплексной мощности — это полная мощность ({\ displaystyle | S |}), также выраженная в вольт-амперах (ВА).
ВА и вар не являются единицами СИ, математически идентичными ватту, но используются в инженерной практике вместо ватта, чтобы указать, какое выражается количество. SI прямо запрещает использование единиц для этой цели или в качестве единственного источника информации об используемой физической величине. [3]
Коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности. Поскольку мощность передается по линии передачи, она состоит не только из активной мощности, которая может совершать работу после передачи на нагрузку, а скорее состоит из комбинации активной и реактивной мощности, называемой полной мощностью. Коэффициент мощности описывает количество реальной мощности, передаваемой по линии передачи, по отношению к полной полной мощности, протекающей по линии. [4][5]
ТРЕУГОЛЬНИК СИЛЫ Можно связать различные компоненты мощности переменного тока, используя треугольник мощности в векторном пространстве.
Реальная мощность простирается горизонтально в направлении î, поскольку представляет собой чисто реальную составляющую мощности переменного тока. Реактивная мощность простирается в направлении ĵ, поскольку она представляет собой чисто мнимую составляющую мощности переменного тока. Комплексная мощность (и ее величина, Полная мощность) представляет собой комбинацию активной и реактивной мощности и, следовательно, может быть рассчитана с использованием векторной суммы этих двух компонентов. Мы можем заключить, что математическая связь между этими компонентами такова: 9{2}}}\\\cos \theta {\text{, коэффициент мощности}}&={\frac {P{\text{, реальная мощность}}}{|S|{\text{, кажущаяся мощность}} }}\end{align}}}
По мере увеличения коэффициента мощности (т. е. cos θ) отношение активной мощности к полной мощности (которое = cos θ) увеличивается и приближается к единице ( 1), при этом угол θ уменьшается, а реактивная мощность уменьшается.
[Поскольку cos θ → 1, его максимально возможное значение, θ → 0 и, следовательно, Q → 0, поскольку нагрузка становится менее реактивной и более чисто резистивной].
При уменьшении коэффициента мощности отношение активной мощности к полной мощности также уменьшается, поскольку угол θ увеличивается, а реактивная мощность увеличивается.
ОТСТАЮЩИЙ И ОПЕРЕЖАЮЩИЙ ФАКТОР МОЩНОСТИ Существует также разница между отстающим и опережающим коэффициентом мощности. Термины относятся к тому, опережает или отстает фаза тока от фазы напряжения. Запаздывающий коэффициент мощности означает, что нагрузка является индуктивной, поскольку нагрузка будет «потреблять» реактивную мощность, и, следовательно, реактивная составляющая {\ displaystyle Q} положительна, поскольку реактивная мощность проходит через цепь и «потребляется» индуктивной нагрузкой. Ведущий коэффициент мощности означает, что нагрузка является емкостной, поскольку нагрузка «поставляет» реактивную мощность, и, следовательно, реактивная составляющая {\displaystyle Q} отрицательна, поскольку в цепь подается реактивная мощность.
Если θ – фазовый угол между током и напряжением, то коэффициент мощности равен косинусу угла, {\ displaystyle \ cos \ theta}:
{\ displaystyle | P | = | S | \ cos \theta }
Поскольку единицы измерения согласованы, коэффициент мощности по определению является безразмерным числом между −1 и 1. Когда коэффициент мощности равен 0, поток энергии является полностью реактивным, и энергия, накопленная в нагрузке, возвращается к источнику. на каждом цикле. Когда коэффициент мощности равен 1, вся энергия, подаваемая источником, потребляется нагрузкой. Коэффициенты мощности обычно указываются как «опережающие» или «отстающие», чтобы показать знак фазового угла. Емкостные нагрузки опережают (ток опережает напряжение), а индуктивные нагрузки отстают (ток отстает от напряжения).
Если к источнику питания подключена чисто резистивная нагрузка, ток и напряжение будут менять полярность ступенчато, коэффициент мощности будет равен 1, а электрическая энергия будет течь по сети в одном направлении в каждом цикле.
Индуктивные нагрузки, такие как асинхронные двигатели (любой тип обмотки), потребляют реактивную мощность, при этом форма волны тока отстает от напряжения. Емкостные нагрузки, такие как батареи конденсаторов или подземные кабели, генерируют реактивную мощность, причем фаза тока опережает напряжение. Оба типа нагрузок будут поглощать энергию в течение части цикла переменного тока, которая хранится в магнитном или электрическом поле устройства, только для того, чтобы возвращать эту энергию обратно к источнику в течение остальной части цикла.
Например, чтобы получить 1 кВт активной мощности, если коэффициент мощности равен единице, необходимо передать 1 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 1 = 1 кВА). При низких значениях коэффициента мощности необходимо передать больше полной мощности, чтобы получить такую же активную мощность. Чтобы получить 1 кВт активной мощности при коэффициенте мощности 0,2, необходимо передать 5 кВА полной мощности (1 кВт ÷ 0,2 = 5 кВА). Эта полная мощность должна производиться и передаваться на нагрузку, и она подвержена потерям в процессах производства и передачи.
Электрические нагрузки, потребляющие мощность переменного тока, потребляют как активную мощность, так и реактивную мощность. Сумма векторов активной и реактивной мощности представляет собой полную мощность. Наличие реактивной мощности приводит к тому, что активная мощность меньше полной мощности, поэтому коэффициент мощности электрической нагрузки меньше 1.
Отрицательный коэффициент мощности (от 0 до −1) может возникнуть в результате возврата мощности источника, например, в случае здания, оснащенного солнечными панелями, когда избыточная мощность возвращается в источник. [6][7][8]
КОРРЕКЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ НАГРУЗОК В системе электроснабжения обычно желателен высокий коэффициент мощности для снижения потерь и улучшения регулирования напряжения на нагрузке. Компенсирующие элементы рядом с электрической нагрузкой снизят кажущуюся потребляемую мощность в системе электроснабжения. Коммунальная служба передачи электроэнергии может применять коррекцию коэффициента мощности для повышения стабильности и эффективности сети.
Индивидуальные потребители электроэнергии, с которых коммунальные предприятия взимают плату за низкий коэффициент мощности, могут установить корректирующее оборудование для увеличения коэффициента мощности и снижения затрат.
Коррекция коэффициента мощности приближает коэффициент мощности силовой цепи переменного тока к 1 за счет подачи или поглощения реактивной мощности, добавления конденсаторов или катушек индуктивности, которые компенсируют индуктивное или емкостное воздействие нагрузки соответственно. В случае компенсации индуктивного влияния нагрузки двигателя конденсаторы могут быть подключены локально. Эти конденсаторы помогают генерировать реактивную мощность для удовлетворения потребностей индуктивных нагрузок. Это предотвратит протекание этой реактивной мощности от генератора общего назначения к нагрузке. В электроэнергетике говорят, что катушки индуктивности потребляют реактивную мощность, а конденсаторы обеспечивают ее, хотя реактивная мощность — это просто энергия, перемещающаяся вперед и назад в каждом цикле переменного тока.
Реактивные элементы в устройствах коррекции коэффициента мощности могут создавать колебания напряжения и гармонические помехи при включении или выключении. Они будут поставлять или потреблять реактивную мощность независимо от того, есть ли поблизости работающая соответствующая нагрузка, увеличивая потери холостого хода в системе. В худшем случае реактивные элементы могут взаимодействовать с системой и друг с другом, создавая резонансные условия, что приводит к нестабильности системы и сильным колебаниям перенапряжения. Таким образом, реактивные элементы не могут быть просто применены без инженерного анализа.
Блок автоматической коррекции коэффициента мощности состоит из ряда конденсаторов, которые переключаются с помощью контакторов. Эти контакторы управляются регулятором, измеряющим коэффициент мощности в электрической сети. В зависимости от нагрузки и коэффициента мощности сети, контроллер коэффициента мощности будет последовательно переключать необходимые блоки конденсаторов, чтобы коэффициент мощности оставался выше выбранного значения.
Вместо набора коммутируемых конденсаторов ненагруженный синхронный двигатель может обеспечивать реактивную мощность. Реактивная мощность, потребляемая синхронным двигателем, является функцией возбуждения его поля. Это называется синхронным конденсатором. Он запущен и подключен к электрической сети. Он работает с опережающим коэффициентом мощности и помещает переменные в сеть по мере необходимости для поддержки напряжения системы или поддержания коэффициента мощности системы на заданном уровне.
Установка и работа синхронного конденсатора идентичны большим электродвигателям. Его основным преимуществом является легкость, с которой можно регулировать величину коррекции; он ведет себя как переменный конденсатор. В отличие от конденсаторов, количество подаваемой реактивной мощности пропорционально напряжению, а не квадрату напряжения; это улучшает стабильность напряжения в больших сетях. Синхронные конденсаторы часто используются в проектах высоковольтной передачи постоянного тока или на крупных промышленных предприятиях, таких как сталелитейные заводы.
Для коррекции коэффициента мощности высоковольтных энергосистем или больших, нестабильных промышленных нагрузок все чаще используются силовые электронные устройства, такие как статический компенсатор реактивной мощности или STATCOM. Эти системы способны компенсировать внезапные изменения коэффициента мощности намного быстрее, чем конденсаторные батареи с контакторным управлением, и, будучи полупроводниковыми, требуют меньшего обслуживания, чем синхронные конденсаторы.
НЕЛИНЕЙНЫЕ НАГРУЗКИ Примерами нелинейных нагрузок в энергосистеме являются выпрямители (например, используемые в источниках питания) и устройства дугового разряда, такие как люминесцентные лампы, электросварочные аппараты или дуговые печи. Поскольку ток в этих системах прерывается действием переключения, ток содержит частотные составляющие, кратные частоте энергосистемы. Коэффициент мощности искажения является мерой того, насколько гармонические искажения тока нагрузки уменьшают среднюю мощность, передаваемую в нагрузку.
Синусоидальное напряжение и несинусоидальный ток дают коэффициент мощности искажения 0,75 для этой нагрузки блока питания компьютера.
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫВ линейных цепях, имеющих только синусоидальные токи и напряжения одной частоты, коэффициент мощности возникает только из разности фаз между током и напряжением. Это «коэффициент вытесняющей мощности». [9]
Нелинейные нагрузки изменяют форму волны тока с синусоидальной на другую форму. Нелинейные нагрузки создают гармонические токи в дополнение к исходному (основной частоте) переменному току. Это важно для практических энергосистем, которые содержат нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, некоторые формы электрического освещения, дуговые электропечи, сварочное оборудование, импульсные источники питания, приводы с регулируемой скоростью и другие устройства. Фильтры, состоящие из линейных конденсаторов и катушек индуктивности, могут предотвратить попадание гармонических токов в систему питания.
Обычный мультиметр будет давать неверные результаты при попытке измерить переменный ток несинусоидальной формы; [10] приборы определяют среднее значение выпрямленного сигнала. Затем средний отклик калибруется по эффективному среднеквадратичному значению. Для измерения фактических среднеквадратичных токов и напряжений (и, следовательно, полной мощности) необходимо использовать мультиметр с измерением среднеквадратичных значений. Для измерения активной мощности или реактивной мощности необходимо использовать ваттметр, предназначенный для правильной работы с несинусоидальными токами. 9{2}}}}={I _{\mbox{1, rms}} \over I _{\mbox{rms}}}}
{\displaystyle {\mbox{THD}}_{i}} – общее гармонические искажения тока нагрузки. {\displaystyle I_{1,{\mbox{rms}}}} – основная составляющая тока, а {\displaystyle I_{\mbox{rms}}} – общий ток – оба являются среднеквадратичными значениями (искажение коэффициент мощности также можно использовать для описания гармоник отдельных порядков, используя соответствующий ток вместо полного тока).
Это определение относительно полного гармонического искажения предполагает, что напряжение остается неискаженным (синусоидальным, без гармоник). Это упрощение часто является хорошим приближением для жестких источников напряжения (на которые не влияют изменения нагрузки ниже по течению в распределительной сети). Общие гармонические искажения типичных генераторов из-за искажения тока в сети составляют порядка 1–2%, что может иметь более масштабные последствия, но в обычной практике ими можно пренебречь. [11]
Результат умножения на коэффициент мощности смещения (DPF) представляет собой общий, истинный коэффициент мощности или просто коэффициент мощности (PF):
{\ displaystyle {\ mbox {PF}} = {I _ {\ mbox {1, rms}} \over I_{\mbox{rms}}}\cos \varphi }
ИСКАЖЕНИЕ В ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЯХ На практике локальное влияние тока искажения на устройства в трехфазной распределительной сети зависит от величины гармоник определенного порядка, а не от общего гармонического искажения.
Например, тройная, или нулевая, гармоника (3-я, 9-я, 15-я и т. д.) имеет свойство находиться в фазе при линейном сравнении. В трансформаторе «треугольник-звезда» эти гармоники могут привести к циркуляции токов в обмотках треугольника и привести к большему резистивному нагреву. В звездообразной конфигурации трансформатора тройные гармоники не будут создавать эти токи, но они приведут к ненулевому току в нейтральном проводе. В некоторых случаях это может привести к перегрузке нейтрального провода и вызвать ошибки в системах учета киловатт-часов и выставлении счетов. [12] [13] Присутствие гармоник тока в трансформаторе также приводит к увеличению вихревых токов в магнитном сердечнике трансформатора. Потери на вихревые токи обычно увеличиваются пропорционально квадрату частоты, снижая эффективность трансформатора, рассеивая дополнительное тепло и сокращая срок его службы. [14]
Гармоники обратной последовательности (5-я, 11-я, 17-я и т. д.) объединяются со сдвигом по фазе на 120 градусов, подобно основной гармонике, но в обратной последовательности.
В генераторах и двигателях эти токи создают магнитные поля, которые препятствуют вращению вала и иногда приводят к разрушительным механическим вибрациям. [15]
Основная статья: импульсные источники питания § коэффициент мощности
Особенно важным классом нелинейных нагрузок являются миллионы персональных компьютеров, которые обычно включают в себя импульсные источники питания. (SMPS) с номинальной выходной мощностью от нескольких ватт до более 1 кВт. Исторически сложилось так, что эти очень недорогие источники питания включали в себя простой двухполупериодный выпрямитель, который работал только тогда, когда мгновенное напряжение сети превышало напряжение на входных конденсаторах. Это приводит к очень высокому соотношению пикового и среднего входного тока, что также приводит к низкому коэффициенту мощности искажений и потенциально серьезным проблемам с нагрузкой фазы и нейтрали.
Типичный импульсный источник питания сначала преобразует сеть переменного тока в шину постоянного тока с помощью мостового выпрямителя или аналогичной схемы.
Затем выходное напряжение выводится из этой шины постоянного тока. Проблема в том, что выпрямитель — это нелинейное устройство, поэтому входной ток сильно нелинейный. Это означает, что входной ток имеет энергию на гармониках частоты напряжения.
Это представляет особую проблему для энергетических компаний, поскольку они не могут компенсировать гармонический ток путем добавления простых конденсаторов или катушек индуктивности, как они могли бы компенсировать реактивную мощность, потребляемую линейной нагрузкой. Многие юрисдикции начинают законодательно требовать коррекции коэффициента мощности для всех источников питания выше определенного уровня мощности.
Регулирующие органы, такие как ЕС , установили предельные значения гармоник в качестве метода улучшения коэффициента мощности. Снижение стоимости компонентов ускорило внедрение двух разных методов. Чтобы соответствовать действующему стандарту ЕС EN61000-3-2, все импульсные источники питания с выходной мощностью более 75 Вт должны включать как минимум пассивную коррекцию коэффициента мощности.
Для сертификации блока питания 80 Plus требуется коэффициент мощности 0,9 или выше. [16]
Самый простой способ управления гармоническим током — использовать фильтр, который пропускает ток только на частоте сети (50 или 60 Гц). Фильтр состоит из конденсаторов или катушек индуктивности и делает нелинейное устройство более похожим на линейную нагрузку. Примером пассивной коррекции коэффициента мощности является схема заполнения долины.
Недостаток пассивного ККМ заключается в том, что для него требуются катушки индуктивности или конденсаторы большей емкости, чем для активной схемы ККМ эквивалентной мощности. [17] [18] [19] Кроме того, на практике пассивная коррекция коэффициента мощности часто менее эффективна для улучшения коэффициента мощности. [20] [21] [22] [23] [24]
ACTIVE PFC Характеристики взяты с упаковки блока питания для ПК мощностью 610 Вт с активной оценкой PFC.
[25] Некоторыми типами активного PFC являются понижающий, повышающий, повышающе-понижающий и синхронный конденсатор. Коррекция активного коэффициента мощности может быть одноступенчатой или многоступенчатой.
В случае импульсного источника питания между мостовым выпрямителем и основными входными конденсаторами вставляется повышающий преобразователь. Повышающий преобразователь пытается поддерживать постоянное напряжение шины постоянного тока на своем выходе, потребляя при этом ток, который всегда совпадает по фазе с линейным напряжением и имеет ту же частоту. Другой импульсный преобразователь внутри блока питания вырабатывает желаемое выходное напряжение от шины постоянного тока. Этот подход требует дополнительных полупроводниковых переключателей и управляющей электроники, но позволяет использовать более дешевые пассивные компоненты меньшего размера. Он часто используется на практике.
Для трехфазного SMPS можно использовать конфигурацию выпрямителя «Вена» для существенного улучшения коэффициента мощности.
SMPS с пассивной коррекцией коэффициента мощности могут достигать коэффициента мощности около 0,7–0,75, SMPS с активной коррекцией коэффициента мощности — до 0,99, в то время как SMPS без какой-либо коррекции коэффициента мощности имеют коэффициент мощности всего около 0,55–0,65. [26]
Из-за очень широкого диапазона входного напряжения многие блоки питания с активной коррекцией коэффициента мощности могут автоматически настраиваться для работы от сети переменного тока примерно от 100 В (Япония) до 230 В (Европа). Эта функция особенно приветствуется в блоках питания для ноутбуков.
ДИНАМИЧЕСКИЙ PFC Динамическая коррекция коэффициента мощности (DPFC), иногда называемая «коррекцией коэффициента мощности в реальном времени», используется для электрической стабилизации в случаях быстрых изменений нагрузки (например, на крупных производственных площадках). DPFC полезен, когда стандартная коррекция коэффициента мощности может вызвать чрезмерную или недостаточную коррекцию.
[27] В DPFC используются полупроводниковые переключатели, обычно тиристоры, для быстрого подключения и отключения конденсаторов или катушек индуктивности от сети с целью повышения коэффициента мощности.
Конденсаторная батарея 75 МВар на подстанции 150 кВ
Коэффициенты мощности ниже 1,0 требуют, чтобы коммунальное предприятие генерировало больше минимального вольт-ампер, необходимого для обеспечения реальной мощности (ватт). Это увеличивает затраты на генерацию и передачу. Например, если бы коэффициент мощности нагрузки был всего 0,7, кажущаяся мощность была бы в 1,4 раза больше реальной мощности, используемой нагрузкой. Линейный ток в цепи также будет в 1,4 раза больше тока, необходимого при коэффициенте мощности 1,0, поэтому потери в цепи удвоятся (поскольку они пропорциональны квадрату тока). В качестве альтернативы, все компоненты системы, такие как генераторы, проводники, трансформаторы и распределительные устройства, будут увеличены в размерах (и стоимости), чтобы выдерживать дополнительный ток.
Коммунальные службы обычно взимают дополнительную плату с коммерческих потребителей, у которых коэффициент мощности ниже определенного предела, который обычно составляет от 0,9 до 0,95. Инженеров часто интересует коэффициент мощности нагрузки как один из факторов, влияющих на эффективность передачи мощности.
В связи с ростом стоимости энергии и опасениями по поводу эффективной подачи энергии активная коррекция коэффициента мощности стала более распространенной в бытовой электронике. [28] Текущие рекомендации Energy Star для компьютеров [29] призывают к коэффициенту мощности ≥ 0,9.при 100% номинальной мощности блока питания ПК. Согласно техническому документу, подготовленному Intel и Агентством по охране окружающей среды США, ПК с внутренними источниками питания потребуют использования активной коррекции коэффициента мощности, чтобы соответствовать требованиям программы ENERGY STAR 5.0 для компьютеров. [30]
В Европе EN 61000-3-2 требует включения коррекции коэффициента мощности в потребительские товары.
Когда с домохозяйств не взимается плата за потребляемую ими реактивную мощность, у них почти нет денежного стимула для установки оборудования для коррекции коэффициента мощности. Сегодня это обычно так, поскольку бытовые электрические счетчики измеряют не полную мощность, а только реальную мощность. Добавление коррекции коэффициента мощности влияет только на подаваемую или потребляемую реактивную мощность, а не на реальную мощность, поэтому затраты на коммунальные услуги не затрагиваются. Однако, если между счетчиком коммунальных услуг и относительно высокой нагрузкой подключены линии с высоким сопротивлением, мощность, измеренная счетчиком, может быть уменьшена на небольшую величину с помощью коррекции коэффициента мощности. Любая такая экономия обычно незначительна.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Коэффициент мощности в однофазной цепи (или уравновешенной трехфазной цепи) можно измерить методом ваттметра-амперметра-вольтметра, где мощность в ваттах делится на произведение измеренного напряжения и силы тока.
Коэффициент мощности сбалансированной многофазной цепи такой же, как и у любой фазы. Коэффициент мощности несимметричной многофазной цепи однозначно не определен.
Измеритель коэффициента мощности прямого считывания может быть изготовлен с измерителем с подвижной катушкой электродинамического типа с двумя перпендикулярными катушками на подвижной части прибора. Поле прибора возбуждается током цепи. Две подвижные катушки, А и В, подключены параллельно нагрузке цепи. Одна катушка A будет подключена через резистор, а вторая катушка B — через катушку индуктивности, так что ток в катушке B будет отставать от тока в A. При единичном коэффициенте мощности ток в A находится в фазе с током цепи, а катушка А обеспечивает максимальный крутящий момент, направляя стрелку прибора к отметке 1,0 на шкале. При нулевом коэффициенте мощности ток в катушке B находится в фазе с током в цепи, и катушка B обеспечивает крутящий момент для перемещения указателя к 0. При промежуточных значениях коэффициента мощности крутящие моменты, создаваемые двумя катушками, складываются, и указатель занимает промежуточное положение.
позиции. [31]
Другой электромеханический инструмент относится к типу поляризованных лопастей. [32] В этом приборе катушка стационарного поля создает вращающееся магнитное поле, как многофазный двигатель. Катушки возбуждения подключаются либо непосредственно к источникам многофазного напряжения, либо к фазосдвигающему реактору при однофазном применении. Вторая катушка постоянного поля, перпендикулярная катушкам напряжения, несет ток, пропорциональный току в одной фазе цепи. Подвижная система прибора состоит из двух лопастей, намагниченных катушкой тока. При работе движущиеся лопасти занимают физический угол, эквивалентный электрическому углу между источником напряжения и источником тока. Прибор этого типа можно настроить для регистрации токов в обоих направлениях, обеспечивая четырехквадрантное отображение коэффициента мощности или фазового угла.
Существуют цифровые приборы, непосредственно измеряющие временную задержку между кривыми напряжения и тока. Недорогие приборы этого типа измеряют пики сигналов.
