Коефіцієнт потужності, або косинус фі в електротехніці – це відношення активної потужності P (Вт) до повної S (ВА): cos(?) = P/S. Він вказує на те, наскільки ефективно цей пристрій використовує електричну енергію.
Ідеальна навантаження
Для пояснення фізичного значення коефіцієнта потужності розглянемо приклад розрахунку косинуса фі для різних споживачів. Припустимо, в лінію змінного струму підключений ідеальний конденсатор. Так як змінну напругу безперервно змінює свою полярність, конденсатор половину часу буде заряджатися і половину – повертати збережену енергію назад до джерела. В результаті в лінії будуть постійно циркулювати електрони, але чистої передачі енергії не буде. Отже, в провіднику буде і напруга, струм, але активної потужності не буде. Твір U на I називається уявною потужністю, тому що це просто математичне число, яке не має реального фізичного змісту. У цьому прикладі коефіцієнт потужності дорівнює 0.
Аналогічно розрахунок косинуса фі для єдиного ідеального індуктора призведе до cos(?) = 0 за винятком того, що його струм буде відставати від напруги. Тепер розглянемо протилежний крайній випадок резистивної навантаження. У цьому випадку вся електрична енергія, яка надходить до неї, споживається і перетвориться в інші види енергії, такі як тепло. Це приклад того, коли косинус фі в електриці дорівнює 1. Всі реальні схеми працюють десь у проміжку між цими двома крайнощами.
Векторна математика
При аналізі ланцюгів синусоїдальний сигнал можна представити комплексним числом (називають вектором), модуль якого пропорційний величині сигналу, а кут дорівнює його фазі щодо деякої посилання. В лінійних схемах коефіцієнт потужності дорівнює косинусу фі. В електротехніці це кут між фазами напруги і струму. Ці вектори і відповідні їм активні і реактивні складові потужності можуть бути представлені у вигляді прямокутного трикутника. Звичайно, напруга – це електричне поле, а струм – потік електронів, тому так званий кут між векторами є не більш ніж математичної величиною. Умовилися вважати, що індуктивне навантаження створює позитивну реактивну потужність Q (вимірюється в вольт-амперах-реактивних, ВАр). Це пов'язано з так званим «запаздивающим» коефіцієнтом, оскільки струм відстає від напруги. Аналогічно ємнісна навантаження створює негативну Q і «випереджаюче» ?.
Нелінійні спотворення
Індуктори і конденсатори – не єдині причини низького косинуса фі. В електротехніці це звичайне явище, коли (за винятком ідеальних R, L і C) електричні ланцюги нелинейни, особливо за наявності таких активних компонентів, як випрямлячі. В таких схемах струм I (t) непропорційний напрузі V (t), навіть якщо останнє є чистою синусоїда, оскільки I (t) буде періодичним, але не синусоїдальним. Згідно з теоремою Фур'є, будь-яка періодична функція являє собою суму синусоїдальних хвиль з частотами, кратними вихідної. Ці хвилі називаються гармоніками. Можна показати, що вони не сприяють передачі чистої енергії, а збільшують струм і зменшують коефіцієнт ?. Коли синусоїдальна напруга, тільки перша гармоніка I 1 забезпечить реальну потужність. Однак її величина залежить від фазового зсуву між струмом і напругою. Ці факти відображені в загальній формулі розрахунку коефіцієнта потужності: ? = (I 1 /I) x cos(?). Перший член цього рівняння являє собою спотворення, а другий – зміщення.
Активна і пасивна компенсація
Корекція косинуса фі в електротехніці – це будь-яка техніка збільшення коефіцієнта потужності до 1. У загальному випадку cos(?) може варіюватися від 0 до 1. Чим вище коефіцієнт потужності, тим ефективніше використовується електрика. Причинами недосконалості є спотворення і фазовий зсув між гармоніками напруги і струму тієї ж частоти. Тому існують дві основні категорії методів корекції коефіцієнта потужності. Гармонічні спотворення викликані нелінійними компонентами, такими як міст випрямляча в джерелах живлення постійного струму, який підключається безпосередньо до великого накопичувального конденсатора. Їх можна скоригувати на етапі проектування джерела живлення шляхом введення різних пасивних або активних схем компенсації. Основним джерелом фазового зсуву U-I є промислові асинхронні двигуни, які з точки зору схеми мають індуктивне навантаження. Косинус фі двигуна (який на холостому ходу падає до 01) можна збільшити, додавши зовнішні компенсуючі конденсатори. При цьому їх необхідно встановити якомога ближче до навантаження, щоб уникнути циркуляції реактивної потужності до місця їх розміщення.
Активна компенсація реактивної потужності використовує активні електронні схеми зі зворотним зв'язком, які згладжують форму кривої випрямленого струму. Нелінійні пристрої генерують гармонійні коливання з частотою f=1/(2??LC). Якщо вона збігається з однієї з гармонік, то буде посилюватися, що може призвести до різних наслідків, у т. ч. катастрофічним. Щоб уникнути цього, послідовно з компенсуючим конденсатором під'єднують невеликий індуктор, що утворює т. н. шунтувальний фільтр придушення гармонік.
Навіщо підвищувати коефіцієнт потужності?
Існує кілька причин для коригування косинуса фі для різних споживачів. Відомо, що коли ? < 1, в линии циркулируют переменние токи, которие не передают активную мощность, но визивают рассеивание тепла в проводке, создают дополнительную нагрузку на генератори и требуют электрогенерирующего оборудования большего размера. Вот почему электроэнергетические компании могут взимать с крупних клиентов дополнительную плату при О» < 0,95, виставлять счета за полную мощность или штрафовать за превишение реактивной. Таким образом, для промишленного объекта компенсация мнимой составляющей может бить вигодной.
Корекція ? в побуті
Що стосується електроніки, існують правила, які обмежують гармоніки, що привносяться побутовою технікою (ПК, телевізорами тощо) в мережу. Незважаючи на відсутність міжнародних стандартів, які безпосередньо регулюють коефіцієнт потужності, його коригування автоматично знижує гармонійні спотворення. Таким чином, для розробників блоків живлення основною причиною підвищення косинуса фі трансформатора є задоволення конкретної вимоги до змісту гармонік, навіть якщо воно не може давати ніяких прямих вигод ні для виробника, ні для користувача. У побуті низький ? зменшує пропускну здатність провідників і автоматичних вимикачів. Крім цього, всупереч поширеній помилці осіб, не знайомих з основами електротехніки, домовласники і споживачі від корекції коефіцієнта потужності вигоди не отримують.
Уявна користь
Проводиться ряд «приладів», пропонованих через Інтернет, продавці яких стверджують, що вони скоротять рахунки за електрику, коригуючи коефіцієнт потужності в домашній електромережі. Їх рекламують під різними назвами. У зв'язку з цим споживачі часто запитують, зменшить компенсація реактивної потужності рахунки за електрику? Дійсно, корекція ? знижує споживання повного струму і відповідно зменшує Q. Проте в даний час в житлових будинках реактивна потужність не тарифікується. Знання основ електротехніки дозволяє уникнути долі жертв такого обману.
Потрібно компенсувати Q?
Споживачі платять виключно за активну енергію, тобто за кіловат-години, і це єдине, що можуть виміряти старомодні ротаційні лічильники. Технічно зниження реактивної складової трохи знизить втрати в кабелях між лічильником комунальних послуг і точкою з'єднання компенсатора уявної потужності, але цей ефект зневажливо незначний. За великим рахунком, поліпшення коефіцієнта ? і зниження уявного струму практично не впливає на покази лічильника. Теоретично ситуація зміниться, якщо внутрішні тарифи будуть включати плату за кіловольт-ампер-години, виміряні сучасними лічильниками, однак це малоймовірно. Звичайно, електричним компаніям вигідно знижувати Q, але спочатку потрібно визначити показники домашньої навантаження, щоб не принести більше шкоди, ніж користі.
Потрібні вбудовані компенсатори?
З тих же міркувань немає сенсу купувати техніку з вбудованою корекцією коефіцієнта потужності. Фактично активна система компенсації навіть збільшує витрати за додавання стадії перетворення. Таким чином, при інших рівних умовах, споживання електроенергії може збільшитися. Проте корекція коефіцієнта потужності в електроніці дає певні технічні вигоди. Зокрема, це збільшує кількість ват, які можна витягнути з розетки. Іншою перевагою є те, що прилади можуть працювати при будь-якій напрузі (115 або 230 В). Але чи варто це додаткової плати?
