Teljesítménytényező

A teljesítménytényező az elektromos vevő azon jellemzője, amely figyelembe veszi az energiafogyasztás hatékonyságát, amikor az áram áthalad rajta.

Az elektromos dipólus számára, amelyet idővel változó áramszabályozással táplálunk ( szinuszos vagy nem), ez megegyezik ennek a dipólusnak a fogyasztott P aktív teljesítményével , elosztva az I áram effektív értékének és az U feszültségnek ( látszólagos teljesítménynek) a szorzatával. S ). Mindig 0 és 1 között van.

Különösen, ha az áram és a feszültség az idő szinuszos függvényei, a teljesítménytényező megegyezik az áram és a feszültség közötti fáziseltolás koszinuszával:

Analógia

A lehetséges mechanikus összehasonlítás a sebességváltó tengelykapcsoló-tényezője lehet  :

A vevő jellemzése teljesítménytényezője szerint

Ha a teljesítménytényező egyenlő 1-vel, akkor azt mondjuk, hogy a vevő tisztán ellenálló , ami azt jelenti, hogy ideális ohmos vezető (vagy tiszta ellenállás), és hogy az áramnak ugyanaz az alakja, mint a feszültségnek, és hogy ez a vevő nem " nincs induktív vagy kapacitív jellege: nincs fáziseltolás az általa felvett áram és a rá alkalmazott feszültség között.

Ha a teljesítménytényező 0, a vevő tisztán reaktívnak mondható, nem oszlat el semmilyen energiát hő formájában. Ugyanebben az időszakban bizonyos időpontokban elnyeli a hálózat energiáját, máskor pedig teljesen visszaállítja.

Ez a két szélsőséges eset csak a modelleknek felel meg, a valós vevők soha nem ideálisak. De ezek a modellek megfelelőek lehetnek a figyelembe vett vevő használati körülményei között.

A teljesítménytényező jelentősége az elosztó számára

A villamosenergia-elosztók általában az ellátás helyén végzett mérés alapján számlázzák az elfogyasztott aktív teljesítményt, miközben a vezetékekben keletkező veszteségeket globálisan számlázzák. Ezek azonban a fogyasztók által igényelt látszólagos intenzitástól függenek ( Joule-effektus által okozott veszteségek ). Ha egy létesítmény teljesítménytényezője alacsony, az áramigény nagy, de az elfogyasztott energia alacsony. Éppen ezért a nagyfogyasztók (nagyfeszültségre csatlakoztatott berendezések) számára a számlázás nem csak az elfogyasztott aktív teljesítményt veszi figyelembe. Franciaországban ez a számlázás nagyon összetett. Ez szabályozza az Ipari Minisztérium: OJ n o  170 2002. július 23-oldalas 12600 és az azt követő. Jelenleg csak a nagyfeszültségre kapcsolt ügyfeleket érinti a téli hónapokban és a csúcsidőben.

Példa: vagy egy tisztán reaktív dipól (például egy kondenzátor), amelyet 1 A intenzitású szinuszos váltakozó áram keresztez 230 V alatt. Mivel ez a dipólus fáziseltolódást vezet be a feszültség és az áram között, a teljesítménytényező nulla. Az elosztó által számlázott aktív teljesítmény tehát nulla. A látszólagos teljesítmény azonban 230 VA, és valóban meghaladja az 1A-t a vezetékben, ami Joule-effektussal járó veszteségeket von maga után, és arra kötelezi az elosztót, hogy ennek megfelelően méretezze berendezését (transzformátorok, vezetékek  stb. ).

A fogyasztó számára az így „elfogyasztott” reaktív teljesítmény csak az elektromos töltések cseréje a generátor és a dipól között, nulla átlagos teljesítmény az adott időszakban.

Teljesítménytényező a szinuszos áramban

Teljesítménytényezők hatásai

A szemközti diagram az a pillanatnyi teljesítmény (a pillanatnyi feszültség és áram szorzata), amelyet egy 230 V feszültségnek kitett dipólus fogyaszt, és amelyen keresztül 18 A áram halad át, három esetben:

Az ábra egy induktív dipólus, például egy tekercs helyzetét jeleníti meg  : az áram elmarad a feszültségtől. Az időszakosan helyreállított energia a tárolt mágneses energiából származik.

"Szimmetrikus" helyzet fordul elő kapacitív dipólus esetén  : ebben az esetben az áram megelőzi a feszültséget. Az időszakosan helyreállított energia a tárolt elektromos töltés energiájából származik.

A bonyolultabb dipólusok (például nagyszámú televízió) hatásai módosíthatják az ellátó hálózat névleges feszültségét, zavart okozhatnak a szinusz hullámban, és olyan harmonikus áramokat hozhatnak létre, amelyek megzavarhatják más készülékek megfelelő működését. Az elosztóhálózat-üzemeltető vállalja, hogy fenntartja a harmonikus torzítások elfogadható szintjét , még akkor is, ha ez korlátozásokat jelent bizonyos fogyasztók számára, akik ezeket generálják.

Az elektromos vezetékek veszteségei megegyeznek:

.

Ahol l a vezeték hossza, P a szállított aktív teljesítmény, a vezető vezetőképessége , U a fázisok közötti feszültség és A a vezeték keresztmetszete. A nagy teljesítménytényező fenntartása tehát előnyös a veszteségek szempontjából. A fenti összefüggés egyszerűbben is írható:

A R az ellenállás a vonal és azt az effektív értéke folyó áram a vezetékben.

mert és .

Az induktor (tekercs) helyzete

Tekintsünk egy tekercset és a modell differenciálegyenletét ( egyfázisú áram ), amely egy ellenállással sorba kapcsolt induktort tartalmaz  :

Egy frekvencia annak pulzálás , azt feltételezzük, hogy az áram szinuszos névleges intenzitása . A differenciálegyenlet arra vezet

Meghatározással és kapcsolatok által

és ,

rajzolunk

és ,

bármelyik és a pillanatnyi erő .

Ez a periodikus megoldás az induktivitás modell azt mutatja, hogy a jelenlegi elmarad a feszültség egy fáziseltolódás . A fenti ábrán leírt helyzet megfelel az induktor esetének.

Elérte az átlagos (aktív) teljesítményt

.

Tegyük fel viszont, hogy ezt a rendszert egy hálózat táplálja, amelynek ellenállása igen . Átviteli veszteségek (a Joule-effektus miatt ), amelyek átlaga így az átlagos energiaveszteség eléri a tápfeszültséget

.

A relatív veszteségek tehát a teljesítménytényezőhöz képest fordított arányban nőnek.

Kondenzátor (kondenzátor) helyzete

Vegyünk egy kapacitív dipólust, amely egy kondenzátor kondenzátort tartalmaz, amely párhuzamosan van kötve egy ellenállással . Ennek a rendszernek a differenciálegyenletét ( egyfázisú áram ) írjuk:

Egy frekvencia annak lüktetését , azt feltételezzük, hogy a feszültség szinuszos névleges feszültség . A differenciálegyenlet arra vezet

Meghatározással és kapcsolatok által

és ,

rajzolunk

és ,

bármelyik és a pillanatnyi erő .

Ennek a kapacitív modellnek a periodikus megoldása azt mutatja, hogy az áram fáziseltolással megelőzi a feszültséget .

Elérte az átlagos (aktív) teljesítményt

.

Tegyük fel viszont, hogy ezt a rendszert egy hálózat táplálja, amelynek ellenállása igen . Átviteli veszteségek (a Joule-effektus miatt ), amelyek átlaga így az átlagos energiaveszteség eléri a tápfeszültséget

.

A relatív veszteségek tehát a teljesítménytényezőhöz képest fordított arányban nőnek.

A teljesítménytényezőt és annak hatásait szemléltető mechanikai analógia

Vegyünk egy mechanikus rendszert, amely két (két tengelyre rögzített) tárcsából áll, amelyeket kábel köt össze (például egy egyszerűsített sífelvonó). Az A tárcsát külső erő (motor) mozgatja, a másikat a kábel hasonló mozdulattal hajtja. Tegyük fel, hogy az A-nak továbbított mozgás szinuszos, és a komponensek tömegei elhanyagolhatók.

A dipólusokkal való analógiák a következők:

Elképzelhetjük a következő hatásokat, amelyek az elektromos világban is megnyilvánulnak:

Javított teljesítménytényező

Szinuszos háromfázisú esetben a következő teljesítménydefiníciókat használják az intermedierek kiszámításához:

Franciaországban a nagyfeszültséggel ellátott gyártók számára a teljes reaktív teljesítményrész legfeljebb . A többletet a téli hónapok csúcsidején számlázzák (2002. július 19-i 2002-1014. Sz. Rendelet). Mindig jó ötlet módosítani a terhelés impedanciáját a reaktív teljesítmény minimalizálása érdekében.

Számos fogyasztási pont leromlott teljesítménytényezőit különféle módon kompenzálják:

Kondenzátorbank használata

Segítségével Boucherot módszere , mi határozza meg a minimális érték , mindig negatív, reaktív teljesítmény kondenzátorok, úgyhogy

( Az ipar elsősorban induktív gépeket használ, pozitív ).

Ezután az áramkörhöz hozzáadandó kondenzátorok minimális értékét ebből levezetik annak érdekében, hogy megfeleljenek az előírt előírásoknak.

Ezeket a kondenzátorbankokat néha anti-harmonikus szűrőként rendezik el .

Szinkron kompenzátorok használata

Néhány vállalat szinkron generátorokat használ a feszültség előtti áramok előállítására, hogy kompenzálja az elektromos motorok által felhasznált áram késését, az úgynevezett szinkron kompenzátorokat .

TÉNYEK használata

TÉNYEK rendszerek vannak az erősáramú elektronika alapú berendezések tervezett minőségének javítása érdekében a villamos energiát. Közülük néhány, például az SVC, lehetővé teszi a feszültségszabályozást és a teljesítménytényező javítását is.

Teljesítménytényező és minőségi tényező

Az elektronikában minőségi tényezőt határoznak meg az oszcilláló dipólusokra, ami annál nagyobb, mivel a teljesítménytényező alacsony. Ennek oka az, hogy a perspektíva nem azonos az elektronikában és az elektrotechnikában.

Teljesítménytényező nem szinuszos áramban

Ha az elnyelt áram nem szinuszos, a probléma összetettebb: még akkor is, ha az áram fázisban van a feszültséggel (a fáziseltolás nulla), a teljesítmény nem egyenlő az effektív értékek szorzatával

Két vizsgálati módszert alkalmaznak általában:

Definíciók

Az aktív teljesítmény kiszámítása ennek eredményeként:

.

Másrészt a látszólagos erő leírható:

.

Ezért a mindig egyenlő teljesítménytényezőt írják:

.

A következő számítási intermedierek definícióival:

és:

A számítás részletei

mi az , és

honnan :

Megjegyzések és hivatkozások

  1. Hoffman, Schlabbach és Just 2012 , p.  24.
  2. 2002. július 19-i 2002-1014 sz. Rendelet a villamos energia korszerűsítéséről és fejlesztéséről szóló, 2000. február 10-i 2000-108 törvény 4. cikkének alkalmazásában a nyilvános villamosenergia-átviteli és -elosztó hálózatok használati díjainak rögzítéséről állami villamosenergia-szolgáltatás
  3. Schneider Electric, „  Útmutató a reaktív energia kompenzálásához és a harmonikus szűréshez  ”, Schneider Electric kiadvány ,2001. július

Függelékek

Bibliográfia

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">