Tehokerroin

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 29. maaliskuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Tehokerroin on mittaton fysikaalinen suure , joka luonnehtii vaihtosähkön kuluttajaa kuorman loiskomponentin ja särön tehon suhteen (yhteisnimi on inaktiivinen teho ). " Tehokertoimen " käsite on erotettava käsitteestä " kosini phi ", joka on yhtä suuri kuin kuorman läpi kulkevan vaihtovirran vaihesiirron kosini suhteessa siihen syötettyyn jännitteeseen. Toista käsitettä käytetään sinimuotoisen virran ja jännitteen tapauksessa, ja vain tässä tapauksessa molemmat käsitteet ovat vastaavia.

Määritelmä ja fyysinen merkitys

Tehokerroin on yhtä suuri kuin kuluttajan kuluttaman pätötehon suhde näennäiseen tehoon . Työn tekemiseen käytetään aktiivista voimaa . Sinimuotoisen virran ja jännitteen tapauksessa näennäisteho on pätö- ja loistehon geometrinen summa. Toisin sanoen se on yhtä suuri kuin pätö- ja loistehon neliöiden summan neliöjuuri . Yleensä näennäisteho voidaan määritellä virran ja jännitteen tehollisten (rms) arvojen tulona piirissä. Näennäistehon yksikkönä on tapana käyttää volttiampeeria (V∙A) watin (W) sijaan .

Sähköteollisuudessa hyväksytään tehokertoimen nimitykset (missä on vaihesiirto virran ja jännitteen välillä ) tai . Kun sitä käytetään osoittamaan tehokerrointa , sen arvo ilmaistaan yleensä prosentteina. $\operaattorinimi {cos} \varphi$ $\varphi$ $\lambda$ $\lambda$

Cauchyn-Bunyakovsky-epäyhtälön mukaan pätöteho, joka on yhtä suuri kuin virran ja jännitteen tulon keskiarvo, ei aina ylitä vastaavien neliökeskiarvojen tuloa. Siksi tehokerroin ottaa arvot nollasta yhteen (tai 0 - 100 %).

Tehokerroin voidaan matemaattisesti tulkita virran ja jännitevektorin välisen kulman kosiniksi (yleensä ääretön). Siksi sinimuotoisen jännitteen ja virran tapauksessa tehokertoimen arvo osuu yhteen kulman kosinin kanssa, jolla vastaavat vaiheet jäävät jälkeen.

Kun kyseessä on sinimuotoinen jännite mutta ei-sinimuotoinen virta, jos kuormassa ei ole loiskomponenttia, tehokerroin on yhtä suuri kuin virran ensimmäisen harmonisen tehon osuus kuorman kuluttamasta kokonaistehosta .

Kun kuormassa on reaktiivinen komponentti, tehokertoimen arvon lisäksi joskus ilmoitetaan myös kuorman luonne: aktiivinen-kapasitiivinen tai aktiivinen-induktiivinen. Tässä tapauksessa tehokerrointa kutsutaan vastaavasti johtavaksi tai viiveeksi.

Applied sense

Voidaan osoittaa, että jos kuorma kytketään sinimuotoiseen jännitelähteeseen (esimerkiksi pistorasiaan ~ 230 V, 50 Hz ), jossa virta johtaa tai viivästyy vaiheeseen tietyn kulman verran jännitteestä, niin teho on kasvanut . vapautuu lähteen sisäisestä aktiivisesta resistanssista . Käytännössä tämä tarkoittaa, että käytettäessä kuormalla reaktiivisella komponentilla voimalaitokselta tarvitaan enemmän lämpöä kuin resistiivisellä kuormalla; ylimäärä siirretystä energiasta vapautuu lämpönä johtimissa, ja esimerkiksi yrityksen mittakaavassa häviöt voivat olla varsin merkittäviä.

Älä sekoita tehokerrointa ja kuormituskerrointa (COP). Tehokerroin ei käytännössä vaikuta itse verkkoon kytketyn laitteen energiankulutukseen, mutta se vaikuttaa energiahäviöön siihen menevissä johtimissa sekä energiantuotanto- tai muunnospaikoissa (esim. sähköasemilla). ). Eli asunnon sähkömittari ei käytännössä reagoi laitteiden tehokertoimeen, koska vain työn suorittava sähkö (kuorman aktiivinen komponentti) on maksettava. Samanaikaisesti sähkölaitteen kuluttama aktiivinen teho riippuu suoraan hyötysuhteesta . Esimerkiksi pienikokoinen loistelamppu ("energiansäästö") kuluttaa noin 1,5 kertaa enemmän energiaa kuin vastaavan kirkas LED-lamppu . Tämä johtuu jälkimmäisen suuremmasta tehokkuudesta . Tästä huolimatta jokaisella näistä lampuista voi olla sekä pieni että korkea tehokerroin, joka määräytyy käytetyn piirin mukaan.

Matemaattiset laskelmat

Sähköverkkoja suunniteltaessa on otettava huomioon tehokerroin. Matala tehokerroin johtaa sähköverkon sähköhäviöiden osuuden kasvuun kokonaishäviöistä. Jos sen lasku johtuu kuorman epälineaarisesta ja erityisesti impulsiivisesta luonteesta, se johtaa lisäksi jännitteen aaltomuodon vääristymiseen verkossa. Tehokertoimen lisäämiseksi käytetään kompensoivia laitteita . Väärin laskettu tehokerroin voi johtaa liialliseen virrankulutukseen ja heikentää tästä verkosta saamiensa sähkölaitteiden tehokkuutta .

Harmonisten muuttujien (jännite) ja (virta) laskennassa käytetään seuraavia matemaattisia kaavoja: $U$ $minä$

$\chi ={\frac {P}{S}}$
$P=U\times I\times\cos\varphi$
$Q=U\kertaa I\kertaa\sin\varphi$
$S=\textstyle \sum _{k=1}^{\infty }\displaystyle (U)\times I={\sqrt {P^{2}+Q^{2}+T^{2} }}$

Tässä - pätöteho, - näennäisteho, - loisteho, - säröteho. $P$ $S$ $K$ $T$

Tyypillisiä arvioita virrankulutuksen laadusta

Tehotekijän arvo _	Korkea	Hyvä	Tyydyttävä	Matala	epätyydyttävä
$\operaattorinimi {cos} \varphi$	0,95…1	0,8…0,95	0,65…0,8	0,5…0,65	0…0,5
$\lambda$	95…100 %	80…95 %	65…80 %	50…65 %	0…50 %

Samalla aktiivisella kuormitusteholla johtoihin turhaan haihtunut teho on kääntäen verrannollinen tehokertoimen neliöön. Eli mitä pienempi tehokerroin, sitä huonompi on sähkönkulutuksen laatu. Tehonkulutuksen laadun parantamiseksi käytetään erilaisia menetelmiä tehokertoimen korjaamiseksi eli nostamiseksi lähelle yksikköä.

Esimerkiksi useimmat vanhat loistelamput sytytykseen ja palamisen ylläpitämiseen tarkoitetut valaisimet käyttävät sähkömagneettisia liitäntälaitteita (EMPRA), joille on ominaista alhainen tehokerroin eli tehoton virrankulutus. Monille pienikokoisille loistelampuille ("energiansäästö") elektronisilla liitäntälaitteilla on myös alhainen tehokerroin (0,5 ... 0,65). Mutta samanlaiset tunnettujen valmistajien tuotteet, kuten useimmat nykyaikaiset valaisimet, sisältävät tehokertoimen korjauspiirejä, ja niille arvo on lähellä 1, eli ihannearvoa. $\operaattorinimi {cos} \varphi$

Ei-sinimuotoinen

Sähkönkuluttajien heikko laatu, joka liittyy kuorman särötehon esiintymiseen, toisin sanoen epälineaariseen kuormaan (etenkin kun se on pulssitettu), johtaa syöttöjännitteen sinimuotoisen muodon vääristymiseen. Ei-sinimuotoisuus on eräänlainen epälineaarinen jännitevääristymä sähköverkossa, joka liittyy harmonisten esiintymiseen jännitekoostumuksessa taajuuksilla, jotka ovat monta kertaa suurempia kuin pääverkon taajuus. Korkeamman jännitteen harmoniset vaikuttavat negatiivisesti tehonsyöttöjärjestelmän toimintaan aiheuttaen ylimääräisiä aktiivisia häviöitä muuntajissa, sähkökoneissa ja verkoissa; lisääntynyt tapaturmaprosentti kaapeliverkoissa.

Korkeamman virran ja jännitteen yliaaltolähteitä ovat tehonkuluttajat, joilla on epälineaarinen kuorma. Esimerkiksi tehokkaat AC-tasasuuntaajat , joita käytetään metallurgisessa teollisuudessa ja rautatieliikenteessä, kaasupurkauslamput, kytkentävirtalähteet jne.

Tehokertoimen korjaus

Tehokertoimen korjaus ( PFC) on prosessi , jossa pienen tehokertoimen omaavan päätelaitteen kulutus saatetaan vaihtovirtaverkosta tilaan, jossa tehokerroin täyttää hyväksytyt standardit.

Ei-resistiiviset kuormat johtavat tehokertoimen heikkenemiseen (kulutusvirran muutos suhteettomasti käytettyyn jännitteeseen): reaktiivinen ja epälineaarinen. Reaktiiviset kuormat korjataan ulkoisella reaktiivisuudella, niille määritetään arvo . Epälineaarinen kuormituksen korjaus toteutetaan teknisesti yhden tai toisen lisäpiirin muodossa laitteen sisääntulossa. $\cos \varphi$

Tämä menettely on tarpeen vaihetehon tasaisen käytön varmistamiseksi ja kolmivaiheisen verkon nollajohtimen ylikuormituksen välttämiseksi . Joten se on pakollinen kytkettäessä virtalähteitä , joiden teho on 100 wattia tai enemmän. . Kompensointi varmistaa virrankulutuspiikkien puuttumisen syöttöjännitteen siniaallon yläosassa ja tasaisen kuormituksen voimalinjassa.

Tehokertoimen korjauksen lajikkeet

Laitteen kokonaisvirrankulutuksen reaktiivisen komponentin korjaus . Se suoritetaan sisällyttämällä piiriin reaktiivinen elementti, joka tuottaa päinvastaisen vaikutuksen. Esimerkiksi AC-moottorin toiminnan kompensoimiseksi, jolla on korkea induktiivinen loiskomponentti täydellä teholla, kondensaattori on kytketty rinnan tehopiirin kanssa . Yritysmittakaavassa loistehon kompensoimiseen käytetään kondensaattoriryhmiä ja muita kompensoivia laitteita .
Virrankulutuksen epälineaarisuuden korjaus syöttöjännitteen vaihtelujakson aikana . Jos kuorma kuluttaa virtaa suhteettomasti syötettyyn jännitteeseen, tehokertoimen parantamiseksi tarvitaan passiivinen (PPFC) tai aktiivinen tehokertoimen korjauspiiri (APFC). Yksinkertaisin passiivinen tehokertoimen korjain on korkean induktanssin kuristin , joka on kytketty sarjaan syötettävän kuorman kanssa. Induktori suorittaa impulssikuorman kulutuksen tasoituksen ja virrankulutuksen alimman eli pääharmonisen valinnan, mikä on mitä tarvitaan (vaikka tämä saavutetaankin virrankulutuksen tuloon syötetyn jännitteen muodon kustannuksella. laite). Aktiivisen tehokertoimen korjaus, laitepiirin joidenkin komplikaatioiden kustannuksella, pystyy tarjoamaan parhaan korjauslaadun ja tuo tehokertoimen lähemmäksi yhtä.