Förstå effektfaktorn och hur den påverkar dina energiräkningar

Förutom säkerhet och tillförlitlighet bör flera andra mål, inklusive effektivitet, eftersträvas vid utformning och implementering av elektriska system. Ett av måtten på effektivitet i ett elektriskt system är effektiviteten som systemet omvandlar den energi det får till användbart arbete. Denna effektivitet indikeras av en komponent i elektriska system som kallas Power Factor. Den effektfaktorn anger hur mycket kraft som faktiskt används för att utföra nyttigt arbete genom en belastning och hur mycket kraft som det är ”slöseri”. Så trivialt som namnet låter är det en av de viktigaste faktorerna bakom höga elräkningar och strömavbrott.

För att korrekt kunna beskriva effektfaktorn och dess praktiska betydelse är det viktigt att uppdatera ditt minne om de olika typerna av elektriska laster och kraftkomponenter som finns.

Från grundläggande elklasser är elektriska belastningar vanligtvis av två typer;

1. Motståndskraft
2. Reaktiva belastningar

1. Resistiva belastningar

Resistiva belastningar, som namnet antyder, består dessa laster av rent resistiva element. För denna typ av laster (med tanke på idealiska förhållanden) försvinner all ström som tillförs den för arbete på grund av att strömmen är i fas med spänningen. Ett bra exempel på resistiva belastningar inkluderar glödlampor och batterier.

Effektkomponenten associerad med resistiva belastningar kallas faktisk effekt. Denna faktiska kraft kallas också ibland för Working Power, True Power eller Real Power. Om du är nybörjare av växelström och känner dig förvirrad med alla dessa vågformer, rekommenderas det att du läser om grunderna för växelström för att förstå hur växelström fungerar.

2. Reaktiva belastningar

Reaktiva belastningar är å andra sidan lite mer komplexa. Medan de orsakar spänningsfall och drar ström från källan, släpper de ingen användbar effekt som sådan eftersom den ström som de drar från matningen inte fungerar. Detta beror på arten av de reaktiva belastningarna.

Reaktiva belastningar kan antingen vara kapacitiva eller induktiva. I induktiva belastningar används den upptagna effekten för att ställa in magnetiskt flöde utan att något direkt arbete utförs medan kapacitiva belastningar används, för att ladda kondensatorn och inte producera direkt arbete. Kraften som sålunda försvinner i reaktiva belastningar kallas reaktiv effekt. Reaktiva belastningar kännetecknas av den strömledande (kapacitiva belastningen) eller eftersläpande (induktiva belastningar) bakom spänningen, som sådan finns en fasskillnad vanligtvis mellan ström och spänning.

Ovanstående två grafer representerar en induktiv och kapacitiv belastning där effektfaktorn släpar respektive leder. De variationer i dessa två typer av last leder till existensen av tre kraftkomponenter i elektriska system, nämligen;

1. Verklig kraft
2. Responsiv kraft
3. Tydlig kraft

1. Verklig kraft

Detta är den kraft som är förknippad med resistiva belastningar. Det är kraftkomponenten som försvinner för att utföra verkligt arbete i elektriska system. Från uppvärmning till belysning etc. uttrycks den i watt (W) (tillsammans med dess multiplikatorer, kilo, mega, etc.) och representeras symboliskt av bokstaven P.

2. Reaktiv kraft

Detta är den kraft som är förknippad med reaktiva belastningar. Som ett resultat av fördröjningen mellan spänning och ström i reaktiva belastningar producerar den energi som tas i reaktiva (antingen kapacitiv eller induktiv) inget arbete. Det kallas reaktiv effekt och dess enhet är Volt-Ampere Reactive (VAR).

3. Tydlig kraft

Typiska elektriska system består av både resistiva och induktiva belastningar, tänk på dina glödlampor och värmare för resistiva belastningar, och utrustning med motorer, kompressorer, etc. som induktiva belastningar. Således i ett elektriskt system är Total Power en kombination av de faktiska och reaktiva effektkomponenterna, denna totala effekt kallas också som Apparent Power.

Den uppenbara kraften ges av summan av den faktiska kraften och den reaktiva kraften. Enheten är voltförstärkare (VA) och representeras matematiskt av ekvationen.

Tydlig kraft = Verklig kraft + Reaktiv kraft

I ideala situationer är den faktiska effekten som försvinner i ett elektriskt system vanligtvis större än den reaktiva effekten. Bilden nedan visar vektordiagrammet med de tre kraftkomponenterna

Detta vektordiagram kan omvandlas till kraft triangeln som visas nedan.

Effektfaktorn kan beräknas genom att erhålla den vinkel theta (ϴ) som visas ovan. Här är theta vinkeln mellan Real Power och Apparent Power. Sedan, efter cosinusregeln (intill över hypotenus), kan effektfaktorn uppskattas som förhållandet mellan verklig effekt och den uppenbara kraften. De formler för att beräkna effektfaktor ges nedan

PF = Faktisk kraft / uppenbar kraft eller PF = Cosϴ

Att sätta detta sida vid sida med ekvationen för att bestämma skenbar effekt, är det lätt att se att en ökning av reaktiv effekt (närvaro av ett stort antal reaktiva belastningar) leder till en ökning av skenbar effekt och ett större värde för vinkel ϴ, vilket slutligen resulterar i en låg effektfaktor när dess cosinus (cos ϴ) erhålls. På baksidan leder minskning av reaktiva belastningar (reaktiv effekt) till en ökad effektfaktor, vilket indikerar hög effektivitet i system med mindre reaktiva belastningar och vice versa. Värdet på Power Factor kommer alltid att ligga mellan värdet 0 och 1, ju närmare det kommer en desto högre blir systemets effektivitet. I Indien anses det ideala effektfaktorn vara 0,8. Värdet på effektfaktorn har ingen enhet.

Betydelsen av kraftfaktor

Om värdet på effektfaktorn är lågt betyder det att energi från elnätet slösas bort eftersom en stor del av den inte används för meningsfullt arbete. Detta beror på att lasten här förbrukar mer reaktiv effekt jämfört med den verkliga effekten. Detta belastar försörjningssystemet och orsakar en överbelastning på distributionssystemet eftersom både den verkliga effekten som krävs av lasten och den reaktiva effekt som används för att tillfredsställa reaktiva belastningar kommer att dras från systemet.

Denna belastning och "slöseri" leder vanligtvis till enorma elräkningar för konsumenter (särskilt industrikonsumenter) eftersom elföretag beräknar förbrukningen i termer av skenbar effekt, som sådan slutar de betala för kraft som inte användes för att uppnå något "meningsfullt" arbete. Vissa företag böter också sina konsumenter om de tar mer reaktiv effekt eftersom det orsakar överbelastning på systemet. Detta böter åläggs för att minska lågeffektfaktorn som orsakar belastningar som används i industrier.

Även i situationer där strömmen tillhandahålls av företagets generatorer slösas pengar bort på större generatorer, kablar av större storlek osv. Som krävs för att ge ström när ett stort antal av det bara kommer att slösas bort. För att bättre förstå detta, överväg nedanstående exempel

En fabrik som driver en 70 kW belastning kan drivas framgångsrikt av en generator / transformator och kablar med en klass på 70 kVA om fabriken arbetar med en effektfaktor på 1. Men om effektfaktorn sjunker ner till 0,6, även med samma belastning på 70KW, en större generator eller transformator med en nominell effekt på 116,67 kVA (70 / 0,6) kommer att krävas, eftersom generatorn / transformatorn måste leverera den extra effekten för den reaktiva belastningen. Bortsett från denna kraftiga ökning av effektbehov, skulle storleken på de använda kablarna också behöva ökas, vilket skulle leda till en betydande ökning av utrustningskostnader och ökade effektförluster som ett resultat av motståndet längs ledarna. Straffen för detta går längre än höga elräkningar i vissa länder, eftersom företag med dålig effektfaktor vanligtvis får böter med stora summor för att uppmuntra till rättelse.

Förbättra effektfaktorn

Med allt som har sagts, håller du med mig om att det är mer ekonomiskt vettigt att rätta till den dåliga effektfaktorn än att fortsätta att betala enorma elräkningar, särskilt för stora industrier. Det uppskattas också att över 40% av elräkningarna kan sparas i stora industrier och tillverkningsanläggningar om effektfaktorn korrigeras och hålls låg.

Bortsett från minskad kostnad för konsumenter, bidrar ett effektivt system till den totala tillförlitligheten och effektiviteten i elnätet, eftersom elföretag kan minska förluster i ledningar och underhållskostnader samtidigt som de upplever en minskning av mängden transformatorer och liknande stödinfrastruktur som krävs för deras verksamhet.

Beräknar effektfaktor för din belastning

Det första steget för att korrigera effektfaktorn är att bestämma effektfaktorn för din last. Detta kan göras av;

1. Beräkna den reaktiva effekten med hjälp av lastens reaktansdetaljer

2. Bestämma den verkliga kraften som försvinner av lasten och kombinera den med den uppenbara effekten för att erhålla effektfaktorn.

3. Användning av effektfaktormätaren.

Effektfaktormätaren används mest eftersom det hjälper till att enkelt få effektfaktorn i stora systemuppsättningar, där det kan vara en svår väg att bestämma lastens reaktansdetaljer och den verkliga strömmen.

Med känd effektfaktor kan du sedan fortsätta att korrigera den, justera den så nära som möjligt till 1. nDen rekommenderade effektfaktorn från elföretag är vanligtvis mellan 0,8 och 1 och detta kan endast uppnås om du kör en nästan rent resistiv belastning eller induktiv reaktans (belastning) i systemet är lika med kapacitansreaktansen eftersom de båda kommer att avbryta varandra.

På grund av att användningen av induktiva belastningar är en vanligare orsak till låg effektfaktor, särskilt i industriella miljöer (på grund av användningen av tunga motorer etc.), är en av de enklaste metoderna för att korrigera effektfaktorn genom att avbryta induktiv reaktans genom användning av korrigeringskondensatorer som introducerar kapacitiv reaktans i systemet.

Effektfaktorkorrigeringskondensatorer fungerar som en reaktiv strömgenerator och motverkar / kompenserar effekten som "slösas bort" med induktiva belastningar. Dock måste noggrann konstruktionshänsyn tas när du sätter in dessa kondensatorer i inställningar för att säkerställa smidig drift med utrustning som frekvensomriktare och en effektiv balans med kostnaden. Beroende på anläggning och belastningsfördelning kan konstruktionen bestå av kondensatorer med fast värde installerade vid induktiva belastningspunkter eller automatiska korrigeringskondensatorbankar installerade på distributionspanelernas samlingsskenor för en central korrigering som vanligtvis är mer kostnadseffektiv i stora system.

Användningen av effektfaktorkorrigeringskondensatorer i inställningar har sina nackdelar, särskilt när rätt kondensatorer inte används eller systemet inte är korrekt utformat. Användningen av kondensatorerna kan ge en kort period av "överspänning", när den är påslagen, vilket kan påverka korrekt funktion av utrustning som frekvensomriktare, vilket får dem att avbryta intermittent eller spränga säkringarna på några av kondensatorerna. Det kan dock lösas genom att försöka göra justeringar av omkopplingsstyrningssekvensen i fallet med hastighetsdrivningar eller eliminera harmoniska strömmar vid säkringar.

Unity Power Factor och varför det inte är praktiskt

När värdet på din effektfaktor är lika med 1, sägs effektfaktorn vara enhetseffektfaktor. Det kan vara frestande att få den optimala effektfaktorn 1, men det är nästan omöjligt att uppnå den på grund av att inget system verkligen är perfekt. I den meningen är ingen belastning rent resistiv, kapacitiv eller induktiv. Varje last består av några av elementen i den andra oavsett hur liten den typiska realiserbara effektfaktorn är vanligtvis upp till 0,9 / 0,95. Vi har redan lärt oss om dessa parasitiska egenskaper hos RLC-elementen i våra ESR och ESL med kondensatorartiklar.

Effektfaktor är avgörande för hur bra du använder energi och hur mycket du betalar i elräkningar (särskilt för industrier). I förlängning bidrar det till driftskostnaderna och kan vara den faktorn bakom minskade vinstmarginaler som du inte har varit uppmärksam på. Förbättrad effektfaktor i ditt elektriska system kan bidra till att minska elräkningarna och säkerställa att prestanda maximeras.