Коэффициент мощности электродвигателей

Обзор

Коэффициент мощности (PF) переменного тока двигателя — это отношение активной мощности (ватт) к полной мощности (вольт-ампер). Низкий коэффициент мощности означает, что электрическая сеть должна подавать больший ток, чем необходимо, для выполнения той же полезной работы, что увеличивает потери в кабелях, трансформаторах и коммутационном оборудовании. Двигатели являются основным источником низкого коэффициента мощности на промышленных предприятиях, поскольку они потребляют намагничивающий (реактивный) ток для поддержания своих магнитных полей.

Коэффициент мощности выражается как cos φ, где φ — угол сдвига фаз между напряжением и током. Чисто резистивная нагрузка имеет PF = 1,0; типичные асинхронные двигатели имеют PF от 0,15 на холостом ходу до 0,85–0,91 при полной нагрузке в зависимости от мощности.

Опережающий и отстающий коэффициенты мощности

Асинхронные двигатели обычно работают с отстающим коэффициентом мощности, поскольку их намагничивающий ток отстаёт от приложенного напряжения. Батареи конденсаторов или перевозбуждённые синхронные двигатели могут локально компенсировать реактивную мощность и могут создавать опережающий коэффициент мощности, если компенсация превышает потребность нагрузки. Как опережающий, так и отстающий режимы имеют одинаковое числовое определение коэффициента мощности, но знак реактивной мощности и направление потока VAR различаются.

Основные формулы

Коэффициент мощности однофазной сети

$PF = \frac{P}{S} = \frac{W}{V \cdot A} = \cos\varphi$

Активная, реактивная и полная мощность

$S^2 = P^2 + Q^2$

где S — полная мощность (VA), P — активная мощность (W), а Q — реактивная мощность (VAR).

Мощность трёхфазного двигателя

$P_{3\phi} = \sqrt{3} \cdot V_L \cdot I_L \cdot PF$

$S_{3\phi} = \sqrt{3} \cdot V_L \cdot I_L$

Множитель тока при низком коэффициенте мощности

Цепь с пониженным коэффициентом мощности должна пропорционально пропускать больший ток:

$I_{actual} = \frac{I_{unity}}{PF}$

Например, при PF = 0,7 ток составляет 1/0,7 ≈ 1,43 от тока при единичном коэффициенте мощности.

Переменные

Типичные коэффициенты мощности двигателей

Коэффициент мощности значительно зависит от нагрузки и номинальной мощности двигателя. Значения ниже приведены для стандартных двигателей NEMA на 1800 об/мин:

Множитель сечения провода

Когда коэффициент мощности снижается, проводники должны быть увеличены в размере, чтобы выдерживать дополнительный ток. В таблице ниже приведен требуемый множитель сечения относительно проекта с единичным коэффициентом мощности:

Типичные коэффициенты мощности в промышленности

Коэффициент мощности в зависимости от нагрузки двигателя

На графике ниже показано, как коэффициент мощности улучшается с увеличением нагрузки двигателя. Частичная нагрузка является основной причиной низкого коэффициента мощности в парке двигателей.

Калькулятор

Используйте этот калькулятор для нахождения полной мощности и реактивной мощности по измеренной активной мощности и коэффициенту мощности.

Интерактивная диаграмма коррекции коэффициента мощности

Оригинальная диаграмма коррекции конденсатора представлена ниже в виде выбираемых данных. Множитель умножается на активную мощность в кВт для оценки требуемого размера конденсатора в квар.

Восстановленные таблицы из оригинального источника

Следующие таблицы восстановлены со страницы оригинального источника для сохранения полных справочных данных.

Электродвигатели - Типичные коэффициенты мощности

Электрические двигатели - Коэффициенты мощности по отраслям

Электрические двигатели - Коррекция коэффициента мощности с помощью конденсатора

Асинхронные двигатели - единицы коррекции KVAR

Оригинальные исходные изображения

Следующие оригинальные исходные изображения сохранены, чтобы избежать потери визуального справочного материала. Когда изображение содержит диаграмму или табличные данные, извлечённые значения представлены в таблицах страницы, калькуляторах или интерактивных диаграммах; остальные изображения сохраняются как визуальные исходные ссылки.

Инженерные заметки

• Штрафы за переразмер. Предприятию с PF = 0,7 требуются трансформаторы, кабели и коммутационное оборудование, рассчитанные на 43 % выше (1/0,7), чем для той же реальной нагрузки при единичном коэффициенте мощности.
• Надбавки коммунальных служб. Большинство коммунальных служб штрафуют коммерческих клиентов с PF ниже ≈ 0,90–0,95. Коррекция коэффициента мощности может устранить плату за спрос и снизить ежемесячные счета.
• Конденсаторная коррекция. Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности подают реактивный ток локально, уменьшая ток, потребляемый от сети. Конденсаторы должны переключаться вместе с двигателем или группироваться на шине. Чрезмерная коррекция (опережающий PF) может вызвать повышение напряжения и резонанс.
• Стандарты. IEC 61000-3-2 ограничивает искажение гармонических токов, что также влияет на измеренный коэффициент мощности. Преобразователи частоты создают ток, богатый гармониками, и могут требовать линейных реакторов или пассивных фильтров в дополнение к конденсаторам коррекции коэффициента мощности.
• Нагрузка двигателей. Работа двигателей при нагрузке значительно ниже номинальной является наиболее распространённой причиной низкого коэффициента мощности предприятия. Согласование мощности двигателя с приводимой нагрузкой или использование преобразователей частоты напрямую улучшает коэффициент мощности.
• Синхронные двигатели. Перевозбуждённый синхронный двигатель может использоваться для компенсации коэффициента мощности и иногда предпочтителен на крупных предприятиях, поскольку обеспечивает опережающую реактивную мощность (VAR) без отдельных конденсаторных батарей.

Источники

• Оригинальный источник – Engineering ToolBox: Power Factor – Electrical Motors