Конденсаторы и коэффициент мощности: инженерное решение, которое сокращает затраты на электроэнергию

Конденсаторы и коэффициент мощности: почему классическое решение по-прежнему побеждает

Коэффициент мощности электростанции опускается ниже порогового значения контракта с коммунальным предприятием, а ежемесячные счета растут, хотя объем производства никогда не менялся. Наиболее экономичной коррекцией редко является трансформатор большей мощности — это батарея конденсаторов, рассчитанная на нагрузку. Конденсаторы обеспечивают опережающий реактивный ток, который компенсирует запаздывающий ток, потребляемый двигателями и трансформаторами, и делают это пассивно, надежно и за небольшую часть затрат на модернизацию источника питания.

О чем на самом деле говорит коэффициент мощности

Коэффициент мощности — это отношение рабочей мощности к общей потребляемой мощности — реальная мощность в киловаттах, деленная на полную мощность в киловольт-амперах. При коэффициенте мощности 1,0 каждый ампер совершает полезную работу. При значении 0,7 примерно тридцать процентов тока циркулирует по системе, не создавая крутящего момента, тепла или света.

Раскол становится более ясным, если разделить три величины:

• Реальная мощность (кВт) — часть, которая вращает двигатели, нагревает элементы и управляет цепями управления.
• Реактивная мощность (квар) — часть, которая поддерживает магнитные поля в обмотках двигателя, сердечниках трансформаторов и дросселях.
• Полная мощность (кВА) — векторная сумма двух и значения, которое утилита должна преобразовать, переключить и перенести.

Этот последний пункт движет экономикой. Все кабели, трансформаторы и выключатели имеют номинальную мощность в кВА. Когда коэффициент мощности падает, те же киловатты требуют больше киловольт-ампер, что увеличивает ток, увеличивает I ² R потерь и сил более тяжелого оборудования при той же полезной нагрузке. Поэтому коммунальные предприятия применяют штраф ниже порогового значения контракта — обычно в диапазоне от 0,85 до 0,95 — и штраф увеличивается по мере падения коэффициента мощности.

Откуда берется отставание

Виновниками являются индуктивные нагрузки. Асинхронные двигатели, трансформаторы, сварочные аппараты, балласты и дроссели с фильтрами потребляют ток, который отстает от напряжения, поскольку их магнитным полям требуется время, чтобы создаться и разрушиться. Фазовый угол между сигналами тока и напряжения равен φ, а cos φ — коэффициент мощности. Чем глубже задержка, тем ниже косинус и тем больше циркулирующий ток.

Коэффициент мощности двигателя не является фиксированным числом. При полной нагрузке большинство асинхронных двигателей работают в диапазоне от 0,80 до 0,88 и работают экономично. Уменьшите номинал того же двигателя до половины нагрузки, и коэффициент мощности может упасть ниже 0,60, поскольку ток намагничивания остается примерно постоянным, а полезный ток уменьшается. Двигатели увеличенной мощности, установленные «в целях безопасности», являются одной из наиболее частых причин хронически низкого коэффициента мощности электростанции.

Почему конденсаторы являются лекарством

Конденсаторы ведут себя противоположным образом. В чистом конденсаторе ток опережает напряжение почти на 90°, поэтому конденсатор, подключенный параллельно с индуктивной нагрузкой, может локально компенсировать запаздывающий реактивный ток — еще до того, как он достигнет счетчика. Поэтому блоки коррекции устанавливаются на служебном входе, на распределительных щитках или непосредственно на больших двигателях: обмен реактивной мощностью осуществляется в точке, где ее измеряет энергоснабжающая компания.

Конденсатор не генерирует реактивную мощность. Он сохраняет энергию в течение полупериода и возвращает ее в следующем, поэтому индуктивная нагрузка и конденсатор обмениваются друг с другом реактивной мощностью, в то время как источник питания видит только оставшуюся активную составляющую.

Почему конденсаторы, а не катушки индуктивности? Индуктор сдвигает ток в том же направлении, что и нагрузка, и увеличивает запаздывание. Конденсаторы являются пассивными, модульными и не требуют особого обслуживания: секции батареи можно переключать поэтапно, чтобы отслеживать изменяющуюся нагрузку, а правильно установленная батарея не имеет движущихся частей. Единственная реальная дисциплина — не перегружаться, потому что ведущий коэффициент мощности влечет за собой свои штрафы и риски перенапряжения.

Определение размера коррекционного банка

Если у вас есть существующий коэффициент мощности и целевой показатель, расчет становится компактным:

Qc = P × (tan φ1 − tan φ2) , где Qc — требуемая емкость в кВАр, P — реальная нагрузка в кВт, а φ1 и φ2 — фазовые углы до и после коррекции. В таблице ниже показан рабочий мультипликатор для целевого значения 0,95, которое является значением, которое большинство промышленных тарифов считают хорошей практикой.

Пример: станция потребляет 400 кВт при коэффициенте мощности 0,70 и хочет 0,95. Требуемая емкость 400×0,692 ≈ 277 кВАр. Этот результат является отправной точкой, а не последним словом. Частичная загрузка и существующие гармоники изменяют практический размер, поэтому окончательный банк лучше всего определять с помощью короткой кампании измерений, а не одной проверки паспортной таблички. Чрезмерная коррекция ровно до 1,0 является наиболее распространенной ошибкой определения размера; на самом деле желаемое рабочее окно составляет примерно от 0,95 до 0,98.

Выбор правильного конденсаторного оборудования

На стороне переменного тока традиционные блоки коррекции используют пленочные конденсаторы, рассчитанные на непрерывную работу в сети. Алюминиевый электролитический конденсатор поляризован и никогда не должен подключаться непосредственно к линии переменного тока. Однако в современной силовой электронике коррекция коэффициента мощности в основном активна: преобразователь формирует входной ток в соответствии с напряжением, а алюминиевый электролитический конденсатор в звене постоянного тока поглощает пульсации и поддерживает стабильное напряжение на шине. Именно здесь важен выбор продукции и важна структура поставщика.

CD135 Алюминиевый электролитический конденсатор с винтовой клеммой и высокой пульсацией Этот конденсатор с винтовыми клеммами выдерживает высокие пульсации тока и обеспечивает надежный тепловой путь через клемму, что подходит для промышленных приводов и инверторов для применения в цепи постоянного тока в источниках питания с коррекцией коэффициента мощности. Посмотреть продукт →

Конденсатор звена постоянного тока в источнике питания с коррекцией коэффициента мощности сталкивается с двумя важными условиями: большая составляющая пульсаций на удвоенной частоте сети плюс высокочастотный ток от коммутационного каскада. Оба выделяют тепло, а тепло определяет срок службы компонента. Для промышленных приводов, сварочного оборудования и больших инверторов обычным решением является конденсатор с винтовой клеммой и высоким номинальным током пульсаций, а форма клеммы создает надежный тепловой путь к шине или радиатору. Поведение интерфейса подробно описано в этом руководство по выбору конденсатора с винтовыми клеммами .

Для каскадов PFC средней мощности — встроенных зарядных устройств, сетевых источников питания, приводов машин — практичным выбором являются клеммы Snap-in, поскольку они монтируются непосредственно на печатную плату, выдерживают значительные пульсации и обеспечивают длительный срок службы в ограниченном корпусе.

CD295 Прочный алюминиевый электролитический конденсатор с высокой пульсацией Этот подключаемый конденсатор, предназначенный для каскадов PFC средней мощности, обеспечивает срок службы до 5000 часов, высокую устойчивость к пульсациям и широкий диапазон напряжений, что делает его надежным для зарядных устройств и приводов машин. Посмотреть продукт →

В компактном конце спектра радиальные полимерные конденсаторы обменивают некоторую емкость на более низкое ESR на порядок. В каскадах PFC с высоким пульсирующим током и ограниченным пространством на плате более низкое значение ESR приводит к меньшему внутреннему нагреву и упрощению тепловой схемы.

HLL Радиальный полимерный алюминиевый электролитический конденсатор с низким ESR Благодаря низкому ESR и высокой пульсационной способности в компактном радиальном полимерном корпусе этот конденсатор снижает выделение тепла, что делает его идеальным для источников питания и схем регулирования напряжения. Посмотреть продукт →

Какой бы ни была химия, процедура отбора остается прежней:

1. Подтвердите установившееся напряжение шины и выберите номинальное напряжение как минимум на 20 % выше.
2. Измерьте пульсации тока на рабочей частоте; конденсатор должен превышать его, а не просто соответствовать ему.
3. Оценивайте срок службы по кривым пульсирующего тока и температуры окружающей среды, а не по номинальной мощности в часах.
4. Подберите тип клеммы к сборке: винтовая клемма для шинной конструкции, защелкивающаяся для монтажа на печатной плате, полимерная радиальная для компактных каскадов с низким ESR.

Распространенные ошибки, которые сокращают срок службы конденсатора

Конденсаторы выходят из строя раньше, если применение не соответствует химическому составу. Большинство проблем на местах связано с четырьмя ситуациями, которых можно избежать.

Итог

Конденсаторы корректируют коэффициент мощности, поскольку они обеспечивают опережающий реактивный ток, который компенсирует запаздывающий ток, потребляемый индуктивными нагрузками. Коррекция является пассивной, модульной и быстро окупается при условии, что размер банка выбран на основе измеренного коэффициента мощности и удерживается в пределах окна от 0,95 до 0,98. Там, где активна коррекция — внутри импульсных источников питания, инверторов и зарядных устройств — алюминиевый электролитический конденсатор в звене постоянного тока является компонентом, который поглощает пульсации и поддерживает шину, поэтому его запас по напряжению, номинальная пульсация и термический срок службы заслуживают того же внимания, что и сам расчет кВАр.

Это практическая связь между конденсатором и коэффициентом мощности: пассивная батарея обостряет сторону сети, а электролитический конденсатор стабилизирует сторону преобразователя. Если вы определяете характеристики конденсатора для конструкции PFC, полный ассортимент алюминиевых электролитических конденсаторов является хорошей отправной точкой для обсуждения пульсаций тока, типа клемм и ожидаемого срока службы.