Косинус фи (cos φ) — Коэффициент мощности

На двигателях и некоторых других устройствах можно видеть непонятный параметр косинус фи (cos φ).

Косинус фи (cos φ) часто называют «Коэффициент мощности». Это почти одно и то же при правильной синусоидальной форме тока.

Условные обозначения

P — активная мощность S — полная мощность Q — реактивная мощность, U — напряжение I — ток.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

Косинус фи (cos φ) - это косинус угла между фазой напряжения и фазой тока.
При активной нагрузке фаза напряжения совпадает с фазой тока, φ (между фазами) равен 0 (нулю). А как мы знаем cos0=1. То есть при активной нагрузке коэффициент мощности равен 1 или 100%.

Рисунок 3 - Активная нагрузка

При емкостной или индуктивной нагрузке фаза тока не совпадает с фазой напряжения. Получается «сдвиг фаз».При индуктивной или активно-индуктивной нагрузке (с катушками: двигатели, дросселя, трансформаторы) фаза тока отстает от фазы напряжения.При емкостной нагрузке (конденсатор) фаза тока опережает фазу напряжения. Косинус фи (cos φ) это тоже самое что коэффициент мощности, потому что S=U*I. На графики видно, что φ = 90, (cosφ)=0(нулю).

Рисунок 4 - Индуктивная нагрузка

Рисунок 5 - Емкостная нагрузка

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

Попытаемся вычислить мощность для простоты возьмем максимальное значение напряжения равное 1(100%) в этот момент ток равен 0(нулю) соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот когда ток максимальный напряжение равно нулю. Получается что полезная, активная мощность равна 0(нулю).

Коэффициент мощности это соотношение полезной активной мощности к полной мощности, то есть cosφ=P/S.

Треугольник мощностей

P=U x I x cos φ

Q =U x I x sin φ

Пример на практике:

Если подключить асинхронный двигатель в сеть без нагрузки, в холостую. Напряжение вроде как есть, ток, если замерить тоже есть, при этом ни какой полезной работы не совершается. Соответственно активная мощность минимальна. Если на двигателе увеличить нагрузку то сдвиг фаз начнет умень

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

шаться и соответственно косинус фи (cos φ) будет увеличиваться, а с ним и активная мощность.Счетчики активной мощности фиксируют соответственно только активную мощность. И поэтому не приходится переплачивать за полную мощность.

Однако у реактивной мощности есть большой минус она создает бесполезную нагрузку на электрическую сеть из-за этого образуются потери. Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в электроизоляционном материале под воздействием на него электрического поля. Способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле обычно характеризуют углом диэлектрических потерь, а также тангенсом угла диэлектрических потерь. При испытании диэлектрик рассматривается как диэлектрик конденсатора, у которого измеряется емкость и угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Этот угол называется углом диэлектрических потерь.

§ Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

Для измерения емкости и угла диэлектрических потерь (или tgδ) эквивалентную схему конденсатора представляют как идеальный конденсатор с последовательно включенным активным сопротивлением (последовательная схема) или как идеальный конденсатор с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема).

Рисунок 5 - Векторная диаграмма тока и напряжения в диэлектрике с потерями

Для последовательной схемы активная мощность:

Р=(U²ωtgδ)/(1+tg²δ), tgδ = ωСR

Для параллельной схемы:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

Р=U2ωtgδ, tgδ = 1/(ωСR)

где С - емкость идеального конденсатора; R - активное сопротивление.

Значение угла диэлектрических потерь обычно не превышает сотых или десятых долей единицы (поэтому угол диэлектрических потерь принято выражать в процентах), тогда 1+tg²δ≈ 1, а потери для последовательной и параллельной схем замещения Р=U²ωtgδ, tgδ = 1/(ωСR)

Значение потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте, что необходимо учитывать при выборе электроизоляционных материалов для аппаратуры высокого напряжения и высокочастотной. С увеличением приложенного к диэлектрику напряжения до некоторого значения Uо начинается ионизация имеющихся в диэлектрике газовых и жидкостных включений, при этом δ начинает резко возрастать за счет дополнительных потерь, вызванных ионизацией. При U1 газ ионизирован и уменьшается.

Рисунок 6 - Ионизационная кривая tgδ = f (U)

Значение тангенса угла диэлектрических потерь измеряют при напряжениях, меньшихUо(обычно 3 - 10 кВ). Напряжение выбирается так, чтобы облегчить испытательное устройство при сохранении достаточной чувствительности прибора.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

Значение тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) нормируется для температуры 20 °С, поэтому измерение следует производить при температурах, близких к нормированной (10 - 20 ^оС). В этом диапазоне температур изменение диэлектрических потерь невелико, и для некоторых типов изоляции измеренное значение может без пересчета сравниваться с нормированным для 20 °С.

Для устранения влияния токов утечки и внешних электростатических полей на результаты измерения на испытуемом объекте и вокруг измерительной схемы монтируют защитные приспособления в виде охранных колец и экранов. Наличие заземленных экранов вызывает появление паразитных емкостей; для компенсации их влияния обычно применяют метод защитного - напряжения, регулируемого по значению и фазе.

§ Проблемы энергосбережения в системах промышленного электропривода нефтехимической промышленности (НХП).

Крупным резервом экономии энергоресурсов в нефтехимической промышленности является утилизация вторичных энергетических ресурсов, в том числе внедрение котлов-утилизаторов для производства пара и горячей воды с целью утилизации тепла высокопотенциальных газовых выбросов.

Среди промышленных производств выпуск минеральных удобрений является одним из более энергоемких. Энергетические затраты в себестоимости отдельных видов продукции этой отрасли составляют примерно третью часть. Повышение энергетической эффективности связано с необходимостью разработки принципиально новых видов оборудования для производства минеральных удобрений, основанных на применении современных физических, физико-химических и физико-механических воздействий (акустических, вибрационных, электромагнитных) на технологические процессы, в том числе тепломассообменных аппаратов, фильтров перемешивающих устройств, грануляторов и др.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

Энергосберегающие технологии в промышленности

В промышленности более 2/3 потенциала энергосбережения находится в сфере потребления наиболее энергоемкими отраслями- химической и нефтехимической, топливной, строительных материалов, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно- бумажной, пищевой и легкой промышленностью.

Значительные резервы экономии ТЭР в этих отраслях обусловлены несовершенством технологических процессов и оборудования, схем энергоснабжения, недостаточным внедрением новых энергосберегающих и безотходных технологий, уровнем утилизации вторичных энергоресурсов, малой единичной мощностью технологических линий и агрегатов, применением неэкономичной осветительной аппаратуры, нерегулируемого электропривода, неэффективной загрузкой энергооборудования, низкой оснащённостью приборами учета, контроля и регулирования технологических и энергетических процессов, недостатками, заложенными при проектировании и строительстве предприятий и отдельных производств, низким уровнем эксплуатации оборудования, зданий и сооружений.

Электроприводы потребляют до 65% электроэнергии и осуществляют практически все технологические процессы, связанные с движением. Считается, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1 т топлива в условном исчислении, вдвое дешевле, чем ее добыть.

Если в нерегулируемом электроприводе доминировал и продолжает доминировать асинхронный двигатель, то в регулируемом приводе до недавнего времени применялся почти исключительно двигатель постоянного тока. В последние годы, в связи с появлением надежных и приемлемых по цене преобразователей частоты, ситуация кардинально изменилась. В Европе к 2000 году лишь 15% регулируемых электроприводов укомплектовано двигателями постоянного тока. Поэтому актуально рассматривать проблему энергосбережения главным образом применительно к асинхронному электроприводу, в

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

том числе частотно-регулируемому. В мировой практике сложилось несколько основных направлений решения указанной проблемы.

Энергоэффективные двигатели (ЭД) - это асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять на 1-2% (мощные двигатели) или на 4-5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя. Этот подход может приносить пользу, если нагрузка меняется мало, регулирование скорости не требуется и двигатель правильно выбран.

Правильный выбор двигателя по мощности для конкретного технологического процесса. Известно, что средняя загрузка электродвигателя (отношение мощности, потребляемой рабочим органом машины к номинальной мощности электродвигателя) в отечественной промышленности составляет 0,3-0,4 (в европейской практике эта величина составляет 0,6). Это значит, что двигатель работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная "на всякий случай" мощность двигателя часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемой электроприводом технологической сфере, например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь, снижению надежности и т.п. Применение фильтрокомпенсирующих устройств в цепи питания электропривода с целью повышения коэффициента мощности и фильтрации высших гармоник тока. В нерегулируемом электроприводе с асинхронным двигателем, работающем часть цикла вхолостую, - снижение напряжения при уменьшении нагрузки.

Вышеуказанные направления касаются энергосбережения собственно в приводе и преследуют цель сократить потери на преобразование электрической энергии в механическую и повысить энергетические показатели электропривода. Автоматизированный электропривод дает более широкие возможности по энергосбережению вплоть до создания новых энергосберегающих технологий.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП 13.03.02 09 16 ПЗ

Поэтому основной путь энергосбережения средствами электропривода - это подача в каждый момент времени конечному потребителю необходимой мощности именно в этот момент. Это может быть достигнуто посредством управления координатами (т.е. скоростью и моментом) электропривода в регулируемом электроприводе. Этот процесс стал в последние годы основным в развитии электропривода, и ожидается, что переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому в технологиях, где это требуется, позволит сократить до 30% электроэнергии.