Что такое повер фактор

Что такое коэффициент мощности (power factor, PF)

Что такое коэффициент мощности (power factor, PF)

Коэффициент мощности при нелинейных нагрузках

Реактивная составляющая даёт только один из видов нелинейных искажений (фазовый сдвиг). Однако коэффициент мощности реагирует на любую нелинейность нагрузки (нелинейность ВАХ), когда ток меняется непропорционально приложенному напряжению. Например, коэффициент мощности нагрузки, которая представляет собой последовательно соединённые диод и обычный резистор, составляет около 0,71. Здесь нет никакой реактивной нагрузки, просто нелинейная ВАХ диода приводит к уменьшению коэффициента мощности.
В случае активной нелинейной нагрузки коэффициент мощности определяется отношением активной мощности первой гармоники тока к полной мощности, потребляемой нагрузкой (это определение справедливо только в частном случае, когда напряжение имеет чистую синусоидальную форму).
Некоторые нагрузки могут значительно искажать и форму напряжения.
В случае несинусоидального тока уже следует рассматривать неактивную мощность, состоящую (как минимум) из реактивной и мощности искажения (зависит от коэффициента искажения кривой тока).

PF большинства потребителей меняется в зависимости от их режима работы (как правило он меньше на холостом ходу и выше при номинальной нагрузке)

Источник

Коэффициент мощности – Power Factor (PF)

Коэффициент мощности. Power Factor (PF). Смещённый коэффициент мощности. Displacement Power Factor (DPF).

Power Factor (PF) – коэффициент мощности – англ.
Displacement Power Factor (DPF) – смещенный коэффициент мощности – англ.

Коэффициент мощности – это комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влиянием нагрузки (например, ИБП).

Вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной.

Типовые значения коэффициента мощности:

В случае линейной нагрузки коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига между током и напряжением и в зависимости от характера нагрузки может носить емкостной или индуктивный характер.

В случае активной нелинейной нагрузки коэффициент мощности определяется отношением активной мощности первой гармоники тока к полной мощности, потребляемой нагрузкой (это определение справедливо только в частном случае, когда напряжение имеет чистую синусоидальную форму).

Необходимо заметить, что реальная промышленная нагрузка является нелинейной и носит преимущественно индуктивный характер (PF=0.8).

Терминология, используемая в измерительных приборах (например, анализаторе HIOKI3197)

Если коэффициент мощности характеризует процессы в цепи с несинусоидальными сигналами, то могут применяться два различных термина обозначающих коэффициента мощности:

Power Factor (PF) – коэффициент мощности. Вычисляется с использованием среднеквадратичных значений (СКЗ) всех гармоник сигнала.

Displacement Power Factor (DPF) – смещённый коэффициент мощности. Вычисляется с использованием среднеквадратичных значений (СКЗ) только основной (первой / фундаментальной) гармоники сигнала. То есть он равен косинусу (cos) фазового сдвига между током и напряжением основной гармоники.

PF=DPF при гармонических (синусоидальных) сигналах.

Коэффициент мощности несинусоидальных токов и напряжений

Коэффициент мощности токов и напряжений, в которых присутствуют гармонические (нелинейные) искажения, вычисляется так же как и в случае синусоидальных сигналов (см. «Г.И. Атабеков Основы Теории Цепей» с.176, 434 с):

Коэффициенты, характеризующие периодические несинусоидальные функции. По аналогии с гармоническими функциями отношение активной мощности при несинусоидальных токах к полной мощности называется коэффициентом мощности и обозначается χ:

Планируется размещение дополнительных статей с рабочими названиями:

«Коэффициент мощности. Дополнения».

PF, DPF
Если коэффициент мощности характеризует процессы в цепи с несинусоидальными сигналами, то могут использоваться два различных термина обозначающих коэфф. мощности:
PF – Power Factor или Коэфф. Мощности вычисляется с использованием СКЗ значений всех гармоник сигнала.
DPF – Displacement Power Factor или Смещённый Коэфф. Мощности вычисляется с использованием СКЗ значения только основной (т.е. первой или фундаментальной) гармоники. Тоесть он равен косинусу разницы фаз между током и напряжением основной гармоники.
Для случая синусоидальных сигналов PF=DPF.
Эта терминология используется например в анализаторе HIOKI3197.

Источник

Коэффициент мощности и гармоники в электросети

Контроллер компенсаторной установки для увеличения cos φ

В прошлой статье я рассказал при исследование качества электроэнергии при помощи анализатора HIOKI. Там я обещал продолжить рассказ и поделиться своими знаниями по таким понятиям, как коэффициент мощности (известный в народе как cos φ) и гармоники питающего напряжения.

Кроме того, расскажу, что такое PF, DPF, и докажу, что косинус и синус – две большие разницы! 🙂

Для примера разберём, как обстоят дела с косинусом и гармониками на предприятии, которое мы обследовали совместно с “ИК Энергопартнер”.

Косинус угла в электротехнике

Кто хочет, почитайте про cos φ в Википедии, а я расскажу своими словами.

Итак, что такое косинус в электротехнике? Дело в том, что есть такое явление, как сдвиг фаз между током и напряжением. Он происходит по разным причинам, и иногда важно знать о его величине. Сдвиг фаз можно измерить в градусах, от 0 до 360.

На практике степень реактивности (без указания индуктивного либо емкостного характера) выражают не в градусах, а в функции косинуса, и называют коэффициентом мощности:

Полная мощность является геометрической суммой активной Р и реактивной Q мощностей, поэтому формулу коэффициента мощности можно записать в следующем виде:

Формула коэффициента мощности через активную и реактивную мощности

На самом деле, всё не так просто, подробности ниже.

Легендарный Алекс Жук очень толково рассказал, что такое реактивная мощность, и всё по этой теме:

В видео подробно и доступно изложена вся теория по теме.

Размерности. Что в чём измеряется

Активная мощность Р ⇒ Вт (то, что измеряет домашний счетчик),

Реактивная мощность Q ⇒ ВАР (Вольт · Ампер Реактивный),

Полная мощность S ⇒ ВА (Вольт · Ампер).

Кстати, в стабилизаторах и генераторах мощность указана в ВА. Так больше. Маркетологи знают лучше.

Также маркетологи знают, что на потребителях (например, на двигателях) мощность лучше указывать в Вт. Так меньше.

Минусы и плюсы наличия реактивной составляющей

При питании нагрузки, имеющей только активный характер, сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю. Этот случай можно назвать идеальным, при нем можно питающие сети используются полностью, поскольку нет потерь на бесполезную реактивную составляющую.

Реактивная составляющая не так бесполезна. Она формирует электромагнитное поле, нужное для адекватной работы реактивной нагрузки.

В реальной жизни нагрузка, как правило, имеет индуктивный характер (ток отстает от напряжения), и является активно-реактивной. Поэтому всегда, когда говорят о сдвиге фаз и о косинусе, имеют ввиду индуктивную нагрузку.

Уточню: речь идет о промышленной сфере, где эта проблема стоит особенно остро. В быту нагрузка, как правило, имеет емкостной характер. Но учитывая мизерные мощности и высокий cos φ, реактивные мощности в быту не используют.

Основными источниками реактивной составляющей электроэнергии являются трансформаторы и асинхронные электродвигатели.

Чисто реактивная нагрузка бывает только в учебнике. Реально за счет потерь всегда присутствует и активная составляющая тоже.

Реактивная составляющая мощности питания является негативным фактором, поскольку:

По приведенным причинам необходимо понижать долю реактивной мощности в сети (повышать косинус) – это выгодно и энергоснабжающим организациям, и потребителям с распределенными сетями.

Пример: Для передачи определенной мощности нужен ток 100 А при cos φ = 1. Однако, при cos φ = 0,6 для обеспечения той же мощности нужно будет передать ток 166 А! Соответственно, нужно думать о повышении мощности питающей сети и увеличении сечения проводов…

Реактивная мощность – это часть мощности источника питания, эта мощность была накоплена в магнитном поле, а затем возвращена обратно источнику.

Как компенсируют реактивную составляющую мощности?

Для понижения (компенсации) индуктивного характера реактивной составляющей используют введение емкостной составляющей в нагрузку, которая имеет положительный сдвиг фаз напряжения и тока (ток опережает напряжение). Реализуется это путем подключения параллельно нагрузке конденсаторов необходимой емкости. В результате происходит компенсация, и нагрузка со стороны питающей сети становится активной, с малой долей реактивной составляющей.

Компенсаторная установка на контакторах

Важно, чтобы не происходило перекомпенсации. То есть, даже после компенсации косинус не должен быть выше 0,98 – 0,99, и характер мощности всё равно должен оставаться индуктивным. Ведь компенсация имеет ступенчатый характер (контакторами переключаются трехфазные конденсаторы).

Конденсатор компенсатора реактивной мощности

Однако, для конечного потребителя компенсация реактивной мощности не имеет особого смысла. Польза в её компенсации есть только там, где имеются длинные сети передачи, которые “забиваются” реактивной мощностью, что в итоге снижает их пропускную способность.

Поэтому компенсация реактивной мощности относится к вопросу энергосбережения – она позволяет экономить расход топлива на электростанциях, и выработку бесполезной реактивной энергии, которая в конечном счете преобразуется в тепловую энергию и выбрасывается в атмосферу.

На предприятиях учитывается и активная, и реактивная потребляемые мощности, и при составлении договора оговаривается минимальное значение коэффициента мощности, которое нужно обеспечить. Если косинус упал – включается повышающий коэффициент при оплате.

Отрицательный косинус

Из школьного курса геометрии известно, что cos (φ) = cos (-φ), то есть косинус любого угла будет положительной величиной. Но как же отличить индуктивную нагрузку от емкостной? Всё просто – электрики всех стран условились, что при емкостной нагрузке перед знаком косинуса ставится минус!

В практике пользования прибором анализа напряжения HIOKI у меня были случаи, когда значение косинуса было отрицательным. В последствии выяснилось, что была неправильно включена компенсаторная установка и произошла перекомпенсация. То есть cos φ Коэффициент реактивной мощности Тангенс φ

Часто более удобным является коэффициент реактивной мощности tg φ, который показывает отношение реактивной мощности к активной. Понятно, что при tg φ = 0 достигается идеал cos φ = 1.

Гармоники питающего напряжения

Кроме образования реактивной мощности, на промышленных предприятиях существует такой негативный фактор, как выработка гармоник напряжения питающей сети.

Гармоники – это та часть спектра питающего напряжения, которая отличается частоты промышленной сети 50 Гц. Как правило, гармоники образуются на частотах, кратных основной. Таким образом, 1-я (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, 2-я – 100, 3-я – 150, и так далее.

Для измерения гармоник напряжения существует формула:

Гармоники напряжения – формула расчета

Однако, эта формула не удобна на практике, поскольку не дает представления об уровне каждой гармонике в отдельности. Поэтому для практических целей используют формулу:

Коэффициент каждой гармоники напряжения

Таким образом, при измерении мы получим детальное распределение гармоник в спектре питающего напряжения, что позволит провести детальный анализ полученной информации и сделать правильные выводы.

Есть ещё гармоники тока, но там всё гораздо хуже…

На основе увеличения гармоник тока построен прибор для обмана счетчика. Кстати, там Автор прибора довольно убедительно доказал пользу своего изобретения)

PF или DPF?

Здесь надо сделать оговорку. Всё, что я говорил выше про косинус – относится к линейной нагрузке. Это означает, что напряжение и ток, хоть и гуляют по фазе, имеют форму синуса.

Но в реальном мире вся нагрузка не только не активная, но и не линейная. Значит, ток через неё имеет хоть и периодическую, но далеко не синусоидальную форму. Искаженная синусоида означает, что кроме первой гармоники имеются и другие, вплоть до бесконечности.

Вот как обстоят иногда дела:

Формы напряжения и тока при нелинейной нагрузке

Гармоники напряжения, тока и мощности

Обычно, когда нагрузка симметричная (трехфазные потребители), за счёт принципов работы все гармоники, кратные 2 и 3, почти отсутствуют. В итоге остаются в основном 5, 7, 11, 13 гармоники, имеющие частоты соответственно частоты 250, 350, 550, 650 Гц.

Поэтому надо понимать, что та теория, что я расписал выше – для идеальных условий (без нелинейных искажений), которых в реале не бывает. Либо, если пренебречь высшими гармониками тока, и взять только первую (50 Гц), что обычно и происходит в жизни.

И если подходить к терминологии строго, то cos φ и PF (Power Factor) – это не одно и то же. PF учитывает также все гармоники напряжения и тока. И с учетом нелинейности реальный PF будет меньше.

Для учета коэффициента мощности в приборе HIOKI есть параметр DPF (Displacement Power Factor, смещённый коэффициент мощности), который учитывает только первую гармонику и равен cos φ.

Коэффициенты мощности полный PF и смещённый DPF (для чистого синуса)

В итоге можно сказать, что справедливо выражение:

cos φ = DPF ≤ PF

Измерения на предприятии

При индуктивном характере нагрузки, который наблюдается на практике в большинстве случаев, ток отстает от напряжения (отрицательный сдвиг фаз), что видно на экране прибора HIOKI 3197 (табличные данные) при проведении измерений:

В данном случае видно, что ток отстает от напряжения примерно на 26°.

Из вышеприведенного измерения видно, что при угле отставания тока (сдвиге фаз) 26° cos φ = 0,898. Данный расчет подтверждается измеренным значением.

Измерение проводилось в течение около двух часов, за это время оборудование (нагрузка) циклически включалось и выключалось. За всё время измерения коэффициент нелинейных искажений напряжения THD не превысил 1,3% по каждой из фаз.

Результаты измерений приведены ниже:

Измеренные гармоники напряжения, тока и мощности

Режим мультиметра – на экране разные параметры

Для проверки проведём расчет по выше приведенной формуле для самых интенсивных гармоник (5, 7, 11):

Расчет гармоник напряжения

Как видно, остальные гармоники имеют пренебрежимо малый вес.

Временной график THD:

График THD (коэфта нелинейных искажений)

Временной график cosϕ:

Анализ полученных результатов обследования

На предприятии нужно было выбрать компенсирующую установку для увеличения коэффициента мощности. Но перед её покупкой было решено обратить внимание на гармоники.

Были реальные случаи, когда из-за высокого уровня гармоник напряжения взрывались и загорались конденсаторные установки

В ГОСТ 13109-97 указан допустимый уровень гармонических искажений по напряжению, равный 8%. По проведенным измерениям, этот уровень не превышен. Однако, при увеличении мощности в 5 раз можно ожидать увеличение процента гармоник (THD) в то же количество раз. Следовательно, возможно увеличение коэффициента гармоник с 2,3 % до 11,5 %.

Однако, по рекомендациям производителей для безопасной эксплуатации батарей конденсаторов установок стандартного исполнения уровень THD не должен превышать 2 %. При этом уровень гармоник тока не учитывается и ГОСТом не регламентируется.

Следовательно, необходимо применять совместно с конденсаторными установками фильтры высших частот (фильтрокомпенсирующие устройства).

Рекомендации по уменьшению гармонических составляющих питающего напряжения

Для уменьшения гармоник напряжение рекомендуется сделать следующее:

Для выполнения приведенных рекомендаций желательно обратиться к инструкциям производителей и специалистам.

Креме того, рекомендуется проверить состояние питающих проводов, кабелей, клемм, переходных сопротивлений силовых соединений фазных и нейтральных проводов, качество соединений заземления корпусов электроприборов и т.д. В результате обследования выявлены преобразователи с отключенным заземлением.

Рекомендации по выбору компенсирующих устройств реактивной мощности

Мощность компенсирующего устройства выбирается исходя из мощности нагрузки, а также существующего и желаемого коэффициентов мощности.

Для расчета параметров можно воспользоваться следующей методикой.

Определить из таблицы коэффициент К, который считается по формулам на основе углов фаз некомпенсированного и компенсированного питания:

Таблица для определения коэффициента выбора конденсаторов

Например, текущий cosϕ = 0,7, желаемый cosϕ = 0,96. Тогда К = 0,73.

Как я уже говорил, не рекомендуется компенсировать реактивную мощность полностью (до cosϕ = 1), так как при этом возможна перекомпенсация (за счет переменной величины активной мощности нагрузки и других случайных факторов)

Этот тот самый случай, когда к идеалу стремиться не нужно)

Далее, необходимую емкостную мощность конденсаторных батарей определяют по формуле: Qc = КP (ВАр).

Например, в нашем случае, при мощности 1000 кВт полная мощность конденсаторной батареи будет 730 кВАр.

При выборе конденсаторной батареи она должна обладать следующими параметрами (не хуже):

(рекомендации даны поставщиком КУ)

На этом всё. Если есть желание что-то добавить, или поправить меня – как всегда, рад вашим комментариям!

Источник

Коэффициент мощности Power factor – это показатель насколько разумно устройство распоряжается сетевой энергией.

Коэффициент мощности Power factor – это комплексный показатель, характеризующий формы тока, обусловленные влиянием нагрузки. Если говорить простыми словами, коэффициент мощности показатель насколько разумно устройство распоряжается сетевой энергией.

Для того что бы вычислить коэффициент мощности необходимо сопоставить поглощаемую нагрузку, активной и полной мощности. Чем меньше будет PF, тем ниже качество потребления электроэнергии. Если активная мощность и нагрузка одинаковы, тогда мощность, которая бесполезно рассеивается на проводах, будет обратно пропорциональна коэффициенту мощности.

Чем больше коэффициент мощности, тем лучше.

Если источник света, выдает низкий Power Factor, тогда он увеличивает долю потерь в электрической сети, а так же повышается средний чек за электроэнергию.

Что бы подобрать максимально энергетически эффективный источник света, обязательно учитывайте коэффициент мощности (PF).

Источник

О коэффициенте мощности в сетях переменного тока и его влиянии на потребителей

Люди уже давно массово используют сети переменного тока на собственные нужды, ранее в основном связанные с получением тепла и света. В последние десятилетия значительно возросла доля потребления электроэнергии, связанная с питанием мощных устройств, оборудованных импульсными блоками питания. Их задача состоит в преобразовании электрической энергии, поступающей в виде высоковольтного переменного тока в постоянный низковольтный ток.

При выполнении этой работы происходит множество процессов, в ходе которых возникают нелинейные явления, потери, всплески напряжения, а также происходят другие нежелательные явления. Это связано с природой протекания переменного тока, на которую влияет ряд факторов, главным из которых является cos φ (косинус фи) — фактор мощности (Power Factor).

Электрическая мощность расходуется как на активной, так и на реактивной нагрузке, что связано с наличием активного сопротивления проводников/нагрузки, а также наличием реактивных сопротивлений (индуктивности и емкости).

Конечные потребители пользуются только активной составляющей мощности. В обычных условиях влиянием реактивной составляющей пренебрегают, большинство пользователей даже не знают, что таковая имеется. При высоких нагрузках на электрическую сеть, например, при эксплуатации вычислительных устройств для майнинга, влиянием коэффициента мощности пренебрегать не стоит.

В связи с этим стоит разобраться, чему равна потребляемая мощность подключенных к сети переменного тока компьютеров и других устройств, как подсчитывается мощность в цепях постоянного и переменного тока, а также понимать, что такое коэффициент мощности и как работают схемы его коррекции.

Об электрической мощности, расходуемой на нагрузке в цепи с постоянным напряжением

Мощность P в цепях постоянного тока (DC, Direct Current) можно подсчитать, умножив величину проходящего тока I на напряжение U.

Формула, отображающая величину электрической мощности в зависимости от протекающего постоянного тока и напряжения выглядит так:

Диаграмма, показывающая взаимную зависимость мощности, напряжения, тока и сопротивления в цепях постоянного тока:

При необходимости,можно выразить мощность P через сопротивление R и ток I:

либо через напряжение U и сопротивление R:

Для переменного тока (AC, Alternating Current) подсчет мощности значительно сложнее, так как он меняет свою величину и направление с течением времени. Сопротивление нагрузки, питающейся от переменного тока, имеет не только активную составляющую R, но и реактивную, связанную с индуктивными и емкостными явлениями:

Электрическая мощность на нагрузке в цепи с переменным напряжением

Основными характеристиками переменного тока являются напряжение, частота и число фаз.

Осциллограммы (графики) переменного и постоянного токов:

В сети переменного тока величина и направление проходящего тока и напряжения одной фазы постоянно меняются. Постоянный ток можно представить как частный случай переменного тока, когда используется одна фаза, частота в которой равна нулю, а направление движения тока и напряжения совпадают. В цепях постоянного электрического тока направление всегда совпадают.

Графики напряжения (a) и частоты (b) переменного синусоидального тока (a — однофазного, b — трехфазного):

На графике, иллюстрирующем значение переменного напряжения U в зависимости от времени хорошо видно, что оно постоянно меняется по направлению и величине за период времени T, определяющем его частоту.

Векторные и графические изображения переменного напряжения и тока на активной, индуктивной и емкостной нагрузках:

Полная мощность (S), потребляемая из сети переменного тока, геометрически складывается из векторов активной (P) и реактивной (Q) мощностей. Коэффициент мощности является косинусом угла «Фи» между мощностями P и Q.

Коэффициент мощности (power factor) тем хуже, чем больше сдвиг между фазами напряжения и тока (или чем ближе к нулю косинус фи угла между ними для потребителей электрической энергии):

Мощность в сетях переменного тока связана с наличием трех составляющих, характеризующих нагрузку (сопротивление), на которой расходуется электрическая энергия: активным, реактивным и полным сопротивлением.

Активная нагрузка, имеющая сопротивление R — эта величина, связанная с ее активным сопротивлением, которое зависит от сдвига фаз переменного напряжения и тока. Активная мощность для переменного тока P, как и для постоянного тока, измеряется в Ваттах (Вт). Она равна произведению эффективного тока на эффективное напряжение с учетом сдвига их фаз (пропорциональна значению коэффициента мощности cos φ). Чем ближе величина этого коэффициента к нулю, тем больше реактивные потери в цепи и меньше активная мощность. При значении cos φ, равном единице, потери минимальны, весь ток расходуется на активной нагрузке. Если же значение cos φ нагрузки равно минус единице, то она сама генерирует электрический ток, который на 100% отдается в сеть (это может быть электрогдвигатель с раскрученным внешней силой ротором).

Реактивная нагрузка, имеющая сопротивление Х — эта величина образована наличием емкостной (C) и индуктивной (L) составляющих. Реактивное сопротивление Х увеличивается при росте индуктивности хL и уменьшается при росте емкостного сопротивления хc, что выражается формулой х = хL — хc.

Индуктивное сопротивление зависит от емкости и частоты согласно формуле XL = 2πfL, индуктивное сопротивление XC = 1/ 2πfC. Реактивная мощность Q измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр). Она связана с потребляемой/накапливаемой (генерируемой) на LC-элементах и отдаваемой от них в сеть энергии. Протекающий в сети ток, вызванный воздействием на нее реактивных компонентов, усиливает электромагнитное поле, вызывает нагрев проводов, а также делает неравномерным потребление мощности из сети. Реактивная мощность Q равна sin угла φ умноженному на полную мощность S, иначе говоря Cos φ = R/Z.

Полная нагрузка, имеющая сопротивление Z = √ [R2 + (XL + XC)2] (импеданс), учитывает как активную, так и реактивную составляющие. Полная мощность S измеряется в вольт-амперах (ВА) и равна произведению действующей силы тока на действующее напряжение в цепи или активной мощности, деленной на cos φ.

Она не вся участвует в проведении работы, поэтому ее нужно максимально приближать к величине активной за счет увеличения значения коэффициента мощности cos φ.

Реактивная энергия циркулирует между реактивными элементами (конденсаторы и катушки индуктивности) и сетью:

Реактивная часть полной мощности создает нагрузку на электрическую сеть (провода, трансформаторное оборудование, распределительные щитки, соединительные устройства и т.д.), не выполняя полезной работы, поэтому с ней борются.

Если бы на прохождение переменного тока не действовали LC-факторы (емкостная и индуктивная составляющая), то направления прохождения переменного тока и напряжения тоже бы совпадали, сдвига фаз не было, а мощность все время была бы положительной.

Форма переменного тока и напряжения при коэффициенте мощности, равном единице:

В реальных условиях графики переменного тока и напряжения на подключенной нагрузке не совпадают между собой по фазе. Фаза тока в нагрузке может как отставать, так и опережать фазу напряжения.

Форма синусоидального тока и напряжения при коэффициенте мощности, равном 0.4:

Для того, чтобы сдвиг по фазе между напряжением и током все время был минимальным (косинус фи стремился к единице), на реактивной нагрузке, а также в импульсных блоках питания мощностью более 100 ватт ставят схемы коррекции фактора (коэффициента) мощности (PFC unit), например, для моторов это параллельно включенные конденсаторы:

Коэффициент мощности (Power Factor, PF) является физической величиной, характеризующей полноту (эффективность) использования электрической энергии, поступающей к пользователю из сети переменного тока.

Векторная диаграмма между переменным током и напряжением с углом φ между ними:

На практике коэффициент мощности (Power Factor) обозначается как косинус угла φ в пределах от минус единицы до единицы, либо как величина λ в %.

На приведенном ниже рисунке коэффициент мощности представлен, как соотношение выпиваемого пива (активная мощность) со всей кружкой пива (полная мощность, включая пену — реактивную мощность):

Треугольник мощностей и коэффициент мощности:

Формулы, выражающие мощность через косинус угла фи:

В левой части рисунка изображен график полной мощности, когда угол фи равен нулю (ток и напряжение не имеют фазового сдвига, cos φ = 1), справа — сдвиг по фазе равен 90 градусам, косинус угла фи равен нулю:

На что влияет коэффициент мощности?

Чем выше коэффициент мощности, тем лучше, так как меньше величина потерь:

Устройства, подключенные к сети переменного тока, оказывают на нее влияние не только тем, что потребляют из нее энергию, но и тем, что отдают ее в сеть из-за наличия собственной индуктивности и емкости, либо наличием собственной ЭДС (например, у электродвигателя). которая связана с периодическим накоплением-отдачей электрической энергии.

В нагрузке, на 100% потребляющей энергию из сети переменного тока, значение cos φ равно единице. Генератор, полностью отдающий в сеть энергию имеет фактор мощности, равный минус единице. В остальных случаях в сети происходят потери энергии на нагрев проводов, а также генерацию электромагнитного поля.

Так как компьютерная техника, выполняющая вычисления для майнинга криптовалют потребляет очень большие токи, то влияние фактора, определяющего коэффициент мощности очень велико. Оно проявляется не только в потерях электрической энергии, теряющейся на нагрев проводов и создание электромагнитного поля, но и в появлении искажений синусоидальной формы тока в сети, что негативно влияет на другие устройства, подключенные к этой же сети.

В городских условиях, когда к одному сегменту сети подключено множество мощных устройств, блоки питания которых работают в импульсном режиме такое влияние суммируется, что приводит к появлению всплесков напряжения, сбоям в работе компьютеров и другим негативным последствиям.

Для компенсации токов, возникающих из-за влияния фактора мощности (для потребителей это увеличение значения cos φ максимально близко к единице) в импульсных блоках питания устанавливают специальные узлы PFC (Power Factor Control). Подробнее об их работе речь идет в отдельной статье.

Учитывают ли счетчики электроэнергии потери, связанные с коэффициентом мощности?

Электрические счетчики, устанавливаемые в жилых домах, производят учет тока, проходящего через него. При этом отдельный учет потребления или генерации реактивной электроэнергии не производится. Поэтому как за потери, так и поступление в сеть реактивного тока платит население.

Как влияет на майнеров коэффициент мощности?

При наличии большого количества мощных потребителей (например, компьютеров, выполняющих вычисления в ходе майнинга), производится подключение множества импульсных блоков питания к одному вводу электричества из сети переменного тока. В этом случае, при недостаточной компенсации фактора мощности может значительно возрастать влияние на электрическую сеть, в особенности на ее проводку, устройств, подключенных к ней. Негативное влияние может проявляться в повышенном износе проводки (особенно нулевого провода в трехфазной сети) из-за значительного увеличения протекающих по ней токов, неравномерной нагрузке на сеть, что приводит к несоответствию стандартам ее основных параметров (напряжение, частота и синусоидальная форма тока) и в виде других проявлений.

Например, при входной мощности устройства, равной 60 ватт, в сети переменного тока напряжением 115 вольт на устройстве с PF=1.0, входной RMS-ток равен 521 mA. Если имеется сдвиг по фазе между током и напряжением, например, коэффициент мощности равен 0.4, то увеличивается полная потребляемая мощность, необходимая для отдачи необходимых 600 ватт активной мощности, входной RMS-ток при этом возрастает до 1.3 ампер, что в 2.5 раза увеличивает требования к проводам питания:

В сетях с напряжением 230 вольт ток увеличивается не так сильно, но влияние фактора мощности также существенно.

Увеличение коэффициента мощности позволяет уменьшить потери электроэнергии, снизить нагрузку на провода, подводящие переменный электрический ток к потребителям, уменьшить вероятность их перегрева, а также оптимально использовать мощности, подаваемые от поставщиков электрической энергии. Кроме того, компенсация влияния низкого фактора мощности обеспечивает устранение или значительное уменьшение искажений формы сетевого напряжения.

Все современные мощные импульсные блоки питания, в том числе использующиеся для майнинга, имеют специальные схемы коррекции мощности. Недостатком схем коррекции коэффициента (фактора) мощности является уменьшение надежности устройств, в которых они работают. Это связано с тем, что они работают на высоких напряжениях и мощностях, что требует использования компонентов хорошего качества, а также правильного проектирования и расчета режима их работы. Чем больше электронных компонентов содержит электрический прибор, тем больше вероятность его выхода из строя. Даже дорогие блоки питания иногда ломаются. Так как узлы PFC работают в высоковольтной части импульсных источников питания, то их поломка может привести к печальным последствиям.

В современных квартирах, в которых используются электрические плиты и/или используется электрическое отопление, подача энергии обычно осуществляется через три фазы и один нулевой провод. В связи с этим, даже при равномерном распределении нагрузки по фазам, на нулевой провод приходится в три раза больший ток. Нужно понимать, что установка схем коррекции фактора мощности уменьшает воздействие фактора мощности, но в полной мере не снимает повышенной нагрузки с нулевого провода у многофазных потребителей. Если такие потребители полностью нагружают все три фазы (например, для майнинга), то нужно использовать высококачественный медный нулевой провод большего, чем у фаз сечения.

О фундаментальном значении коэффициента мощности для всего человечества…

Значение понятия косинуса фи выходит за рамки электротехники. Его можно экстраполировать и на другие сферы, в том числе на жизнь любого сообщества, страны/государства.

Если разложить силы, движимые сообществом на три комплексные составляющие: активную, реактивную и полную, то главным фактором, определяющим величину их результирующей (полной) силы, является косинус фи, отображающий взаимодействие этих векторов.

Если общество едино и движется в одном направлении (как ток и напряжение), то его сила максимальна, так как коэффициент мощности равен единице. Если общество разобщено и подобно лебедю, раку и щуке из басни Крылова, то его полная мощность минимальна…

Источник