Коэффициент мощности

Основные параметры светодиодных систем
• Световой поток, люм
• Потребляемая мощность, Вт
• Рабочее напряжение и частота, В - Гц
• Световая отдача, люм/Вт
• Срок эксплуатации, час
• Цветовая температура, К
• Индекс цветопередачи, Ra
• Диапазон рабочих температур, °С
• Степень защиты, IP
• Класс ударостойкости, IK
• Коэффициент пульсаций светового потока
• Материалы корпуса
• Коэффициент мощности PF
Коэффициент мощности PF в
светодиодных системах
Igor Savchenko
Коэффициент мощности в линейных сетях
Поток энергии (то есть мощность) в цепи переменного тока состоит из трёх
компонент:
• Активная мощность или Real power (P), измеряется в ваттах (Вт, англ. W)
• Реактивная мощность или Reactive power (Q), измеряется в вольт-амперах
реактивных (ВАр, англ. VAr)
• Полная мощность или Apparent power (|S| или просто S), измеряется в вольтамперах (ВА, англ. VA)
Коэффициент мощности для электрической системы переменного тока
определяется как отношение активной мощности к полной мощности, и может
принимать значения от 0 до 1.
Коэффициент мощности (Power Factor) – комплексный показатель,
характеризующий потери энергии в электросети, обусловленные
фазовыми и нелинейными искажениями тока и напряжения в нагрузке,
численно равный отношению активной мощности P нагрузки к её
полной мощности S.
PF=P/S
Коэффициент мощности в линейных сетях
PF =
KW
KVA
PF =
KW
KW+KVAR
PF =
Пиво
Пиво+Пена
Чем больше пены (чем выше процент KVAR), тем меньше отношение KW (пиво) к
KVA (пена + пиво). Тем меньше Коэффициент Мощности PF/\
Если пена (KVAR) приближается к 0, Коэффициент мощности стремится к 1,0.
4
Коэффициент мощности в линейных сетях
Наиболее значимую часть потерь в сети создают реактивные элементы (индуктивности и
емкости) по причине своей физической способности накапливать и возвращать
неиспользованную энергию обратно в источник.
Реактивная составляющая тока нагрузок не осуществляет полезной работы, но остаётся в
виде падения напряжения на активном сопротивлении всех участков сети энергосистемы,
попросту разогревая провода ЛЭП, кабели и трансформаторы подстанций.
В этом случае, если не рассматривать другие потери, коэффициент мощности будет равен
косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением в нагрузке.
PF = P/S = cosφ
PF - Power Factor - Коэффициент Мощности (КМ).
P - Потребляемая (полезная, активная) мощность. P=UIcosφ.
S - Полная мощность. S = UI.
φ - Угол сдвига фаз между током и напряжением, созданный реактивными элементами
нагрузок (обмотки электродвигателей, трансформаторов, электромагнитов ...)
Коэффициент мощности в линейных сетях
Индуктивные нагрузки, такие как трансформаторы и моторы (с любым типом обмоток), потребляют
реактивную мощность, причём синусоида тока отстаёт от синусоиды напряжения.
Ёмкостные нагрузки, такие как конденсаторные батареи или заглублённый (проложенный в грунте) кабель,
генерируют реактивную мощность, причём ток опережает напряжение по фазе.
Ёмкостные и индуктивные нагрузки будут поглощать энергию в течении четверти периода колебания
переменного тока; за эту четверть периода энергия будет запасаться в магнитном или электрическом поле
нагрузочных устройств. В течение следующей четверти периода эта запасённая энергия будет возвращена
обратно к источнику.
Для примера, для получения 1кВт активной мощности, если коэффициент мощности равен единице,
необходимо передать 1кВА полной мощности (1кВт/1=1кВА).
При низком значении коэффициента мощности будет необходимо передать больше полной мощности для
получения той же величины активной мощности.
Для получения 1кВт активной мощности при коэффициенте мощности
равном 0.2, необходимо передать 5кВА полной мощности (1кВт/0.2=5кВА).
Часто принимаются специальные меры по увеличения коэффициента
мощности системы с целью максимально приблизить коэффициент мощности
к единице. Эта практика известна как коррекция коэффициента мощности.
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Все светодиоды питаются постоянным напряжением/током, поэтому все
светодиодные системы всегда имеют в своем составе выпрямители,
преобразующие переменное напряжение в постоянное напряжение.
Входной ток в диодных выпрямителях с фильтрующим конденсатором всегда не
синусоидальный.
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Не синусоидальность тока светодиодных систем ведет к появлению в спектре тока
большого количества высших гармоник (с частотой, кратной основной частоте тока
питающей сети: 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц) , а так же резкому увеличению реактивной
мощности.
На данной диаграмме
приведен пример из
сети США с частотой
сети 60 ГЦ
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Для оценки искажения формы тока и напряжения применяется термин «суммарный
коэффициент нелинейных искажений» THD (коэффициент искажения синусоидальности
кривой напряжения или тока, который широко применяется при определении уровня
содержания гармоник в знакопеременных сигналах.
Коэффициент THD (КНИ) позволяет одним числом выразить степень искажений, влияющих
на ток или напряжение в любом месте электроустановки.
Обычно THD выражается в процентах.
Коэффициент THD, отражающий одним значением степень искажения формы тока или
напряжения, является важным показателем для оценки эффективности системы.
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Высшие гармоники тока (3-я, 5-я и т.д.) на активной нагрузке выделяют активную мощность,
но энергетически не связаны с источником (генератором) и являются потерями для
энергосистемы.
Мощность высших гармоник, как и реактивная мощность, будет рассеиваться на активном
сопротивлении проводов, кабелей, трансформаторов и линий электропередач в виде тепла и
других негативных явлений в силовых установках сети (паразитный резонанс, вихревые токи
и т.д.).
Коэффициент мощности для нелинейных
нелинейных искажений (КНИ) соотношением:
нагрузок
определится
из
коэффициента
DPF (Distortion Power Factor) - это тот же PF, но только для гармонических искажений, без
учёта сдвига фаз.
THD (Total Harmonic Distortion) - коэффициент нелинейных искажений (КНИ), равный
отношению суммы квадратов тока или напряжения высших гармоник к квадрату тока
(напряжения) основной гармоники.
Более существенные гармонические искажения в электросети возникают при использовании
мощных сварочных преобразователей - инверторов, которые могут искажать не только форму
тока, но и напряжения в сети.
А это внесёт дополнительные потери мощности для всех других потребителей этой сети.
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Несколько значений THDu (искажение формы напряжения) и соответствующие им явления,
происходящие в электроустановке:
• THDu < 5% - нормальная ситуация, отсутствие сбоев в работе оборудования;
• 5-8% - значительное загрязнение сети гармониками, возможны некоторые сбои в работе;
• > 8% - большая степень загрязнения сети гармониками, возможны сбои в работе
оборудования. Требуются проведение тщательного анализа и установка компенсирующих
или фильтрокомпенсирующих (ФКУ) устройств.
Несколько значений THDi (искажение формы тока) и соответствующие им явления,
происходящие в электроустановке:
• THDi < 10% - нормальная ситуация, отсутствие сбоев в работе оборудования;
• 10-50% - значительное загрязнение сети гармониками с опасностью повышения
температуры кабелей и обусловленной этим необходимостью перехода на кабели большего
сечения и более мощные источники питания;
• > 50% - большая степень загрязнения сети гармониками, возможны сбои в работе
оборудования. Требуется проведение тщательного анализа и установка компенсирующих или
фильтрокомпенсирующих (ФКУ) устройств.
Зависимость PF oт THD
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
В целях компенсации нелинейных искажений, в электрические потребители, содержащие
нелинейные элементы в силовых цепях, устанавливают специальные Корректоры
Коэффициента Мощности (ККМ) - Power Factor Correction (PFC), которые могут быть как
пассивными (фильтры L или LC), так и активными.
Активные PFC - это преобразователи, способные приблизить форму тока в нагрузке к
синусоидальной, тем самым устранив (по возможности) высшие гармоники из общего
спектра колебаний тока.
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Коэффициент мощности (PF) представляет собой соотношение между активной
мощностью (P) и полной мощностью (S).
Его часто путают с параметром:
где:
P1 - активная мощность тока основной частоты;
S1 - полная мощность тока основной частоты.
Параметр cos φ относится только к основной сетевой частоте и
поэтому отличается от коэффициента мощности PF, который
учитывает наличие в электроустановке высших гармоник.
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Активна потужність споживання (P, Вт)
Коефіцієнт потужності (PF)
Повний коефіцієнт гармонічних спотворень струму (ITHD, %)
Світловий потік (F, лм)
Світлова віддача (Ev, лм/Вт)
Корельована колірна температура (ССТ, К)
Індекс кольоропередачі (Ra)
Коефіцієнт пульсацій освітленості (Кп, %)
Клас світлорозподілу *
Тип умовної екваторіальної сили світла **
209,3
0,99
11,2
23650
113
3944
74
1,0
Прямого світла (П)
Бокова
Тип кривої сили світла (С0/180) ***
Широка (Ш) – KФ =1,6
Тип кривої сили світла (С90/270) *
Косинусна (Д) – KФ =1,9
Тип світлорозподілу в зоні осліплення (С0/180) **
Повністю обмежений
Тип світлорозподілу в зоні осліплення (С90/270)**
Повністю обмежений
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
4
Діюче значення струму споживання (I, А)
0,962
Активна потужність споживання (P, Вт)
209,3
Коефіцієнт потужності (PF)
0,99
Повний коефіцієнт гармонічних спотворень струму (ITHD, %)
11,2
Повний коефіцієнт гармонічних спотворень напруги (UTHD, %)
0,5
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Европейский стандарт EN61000-3-2 определяет требования к PF и THD для
источников света мощностью выше 25W.
4
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Драйверы с ККМ (PFC) потребляют меньше входного тока.
Стандарты Светотехнической Промышленности:
Высокий КМ (HPF):
>90%
Нормальный КМ (NPF):
<90…60%
На автомате 16А:
22 драйвера HPF
16 драйверов NPF
Доп. расходы!!!
Для данной нагрузки HPF драйвер потребляет меньший ток, чем NPF драйвер
Корректировка Коэффициента Мощности не зависит от:
• Мощности
• Эффективности
4
• Способа подачи питания на светодиоды
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Возможные манипуляции при расчете эффективности осветительной системы.
При расчете эффективности осветительной системы простой способ ЛМ/Вт может не дать
корректный результат.
Например, меняем галогеновые лампы эффективностью 18 люм/Вт мощностью 12 кВт (100А
при 120В) с КМ=1
на новую систему мощностью 4.8 кВт (40А) при 45 люм/Вт и PF=0.45 с большим к-том
нелинейных искажений THD.
Вместо расчетной экономии 60% получаем экономию 49% и ток 51А при 120В.
Снижение эффективности 22% и общая эффективность системы снижается с 45 люм/Вт до
35 люм/Вт.
4
Пример взят из практики США с питающим напряжением 120В 60 ГЦ
Коэффициент мощности в нелинейных сетях
Операционное «окно» драйвера
4