Verstehen des Leistungsfaktors und seiner Auswirkungen auf Ihre Energiekosten

Neben Sicherheit und Zuverlässigkeit sollten beim Entwurf und der Implementierung elektrischer Systeme mehrere andere Ziele verfolgt werden, einschließlich der Effizienz. Eine der Effizienzmessungen in einem elektrischen System ist die Effizienz, mit der das System die Energie, die es erhält, in nützliche Arbeit umwandelt. Dieser Wirkungsgrad wird durch eine Komponente elektrischer Systeme angezeigt, die als Leistungsfaktor bekannt ist. Der Leistungsfaktor gibt an, wie viel Leistung tatsächlich verwendet wird, um nützliche Arbeit von einer Last auszuführen, und wie viel Leistung sie „verschwendet“. So trivial der Name auch klingt, er ist einer der Hauptfaktoren für hohe Stromrechnungen und Stromausfälle.

Um den Leistungsfaktor und seine praktische Bedeutung richtig beschreiben zu können, ist es wichtig, Ihr Gedächtnis über die verschiedenen Arten von elektrischen Lasten und Leistungskomponenten aufzufrischen.

Ausgehend von den grundlegenden Stromklassen gibt es typischerweise zwei Arten von elektrischen Lasten.

1. Widerstandslasten
2. Reaktive Lasten

1. Widerstandslasten

Widerstandslasten bestehen, wie der Name schon sagt, aus rein ohmschen Elementen. Bei dieser Art von Lasten (unter Berücksichtigung idealer Bedingungen) wird die gesamte an sie gelieferte Leistung für die Arbeit abgeführt, da der Strom mit der Spannung in Phase ist. Ein gutes Beispiel für ohmsche Lasten sind Glühlampen und Batterien.

Die mit ohmschen Lasten verbundene Leistungskomponente wird als Istleistung bezeichnet. Diese tatsächliche Kraft wird manchmal auch als Arbeitskraft, wahre Kraft oder wirkliche Kraft bezeichnet. Wenn Sie mit Wechselstrom noch nicht vertraut sind und sich mit all diesen Wellenformen verwirrt fühlen, wird empfohlen, die Grundlagen von Wechselstrom zu lesen, um zu verstehen, wie Wechselstrom funktioniert.

2. Reaktive Belastungen

Reaktive Belastungen sind dagegen etwas komplexer. Während sie einen Spannungsabfall verursachen und Strom von der Quelle beziehen, verbrauchen sie keine Nutzleistung als solche, da die Leistung, die sie aus der Versorgung beziehen, nicht funktioniert. Dies ist auf die Art der reaktiven Lasten zurückzuführen.

Reaktive Lasten können entweder kapazitiv oder induktiv sein. Bei induktiven Lasten wird die aufgenommene Leistung zum Einrichten des Magnetflusses ohne direkte Arbeit verwendet, während bei kapazitiven Lasten die Leistung zum Laden des Kondensators und nicht zum direkten Erzeugen von Arbeit verwendet wird. Die so in Blindlasten verbrauchte Leistung wird als Blindleistung bezeichnet. Reaktive Lasten sind dadurch gekennzeichnet, dass der Strom hinter der Spannung liegt (kapazitive Lasten) oder nacheilt (induktive Lasten), so dass üblicherweise eine Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung besteht.

Die obigen beiden Diagramme stellen eine induktive und eine kapazitive Last dar, bei denen der Leistungsfaktor nacheilend bzw. führend ist. Die Variationen dieser beiden Lasttypen führen zur Existenz von drei Leistungskomponenten in elektrischen Systemen, nämlich:

1. Tatsächliche Leistung
2. Blindleistung
3. Scheinbare Kraft

1. Tatsächliche Leistung

Dies ist die Leistung, die mit ohmschen Lasten verbunden ist. Es ist die Leistungskomponente, die zur Ausführung der tatsächlichen Arbeit in elektrischen Systemen abgeführt wird. Von der Heizung bis zur Beleuchtung usw. wird es in Watt (W) (zusammen mit seinen Multiplikatoren, Kilo, Mega usw.) ausgedrückt und symbolisch durch den Buchstaben P dargestellt.

2. Blindleistung

Dies ist die mit Blindlasten verbundene Leistung. Infolge der Verzögerung zwischen Spannung und Strom in reaktiven Lasten erzeugt die in reaktiven (entweder kapazitiven oder induktiven) verbrauchte Energie keine Arbeit. Es wird als Blindleistung bezeichnet und seine Einheit ist Volt-Ampere-Blindleistung (VAR).

3. Scheinbare Kraft

Typische elektrische Systeme bestehen sowohl aus ohmschen als auch aus induktiven Lasten. Denken Sie an Ihre Glühbirnen und Heizungen für ohmsche Lasten und an Geräte mit Motoren, Kompressoren usw. als induktive Lasten. Somit ist in einem elektrischen System die Gesamtleistung eine Kombination der tatsächlichen und der Blindleistungskomponente. Diese Gesamtleistung wird auch als Scheinleistung bezeichnet.

Die Scheinleistung ergibt sich aus der Summe aus Istleistung und Blindleistung. Seine Einheit ist Voltampere (VA) und wird mathematisch durch die Gleichung dargestellt;

Scheinleistung = Wirkleistung + Blindleistung

In idealen Situationen ist die tatsächlich in einem elektrischen System verbrauchte Leistung normalerweise größer als die Blindleistung. Das folgende Bild zeigt das mit den drei Leistungskomponenten gezeichnete Vektordiagramm

Dieses Vektordiagramm kann wie unten gezeigt in das Leistungsdreieck umgewandelt werden.

Der Leistungsfaktor kann berechnet werden, indem der oben gezeigte Winkel Theta (ϴ) erhalten wird. Hier ist Theta der Winkel zwischen der Wirkkraft und der Scheinkraft. Dann kann gemäß der Kosinusregel (neben Hypotenuse) der Leistungsfaktor als das Verhältnis der tatsächlichen Leistung zur scheinbaren Leistung geschätzt werden. Die Formeln zur Berechnung des Leistungsfaktors sind unten angegeben

PF = Istleistung / Scheinleistung oder PF = Cosϴ

Wenn man dies neben die Gleichung zur Bestimmung der Scheinleistung stellt, ist leicht zu erkennen, dass eine Erhöhung der Blindleistung (Vorhandensein einer hohen Anzahl von Blindlasten) zu einer Erhöhung der Scheinleistung und einem größeren Wert für den Winkel ϴ führt, der führt letztendlich zu einem niedrigen Leistungsfaktor, wenn sein Cosinus (cos ϴ) erhalten wird. Auf der anderen Seite führt die Reduzierung der Blindlast (Blindleistung) zu einem erhöhten Leistungsfaktor, was auf einen hohen Wirkungsgrad in Systemen mit weniger Blindlast hinweist und umgekehrt. Der Wert des Leistungsfaktors liegt immer zwischen 0 und 1. Je näher er dem Wert 1 kommt, desto höher ist die Effizienz des Systems. In Indien wird der ideale Leistungsfaktorwert mit 0,8 angenommen. Der Wert des Leistungsfaktors hat keine Einheit.

Bedeutung des Leistungsfaktors

Wenn der Wert des Leistungsfaktors niedrig ist, bedeutet dies, dass Energie aus dem Stromnetz verschwendet wird, da ein großer Teil davon nicht für sinnvolle Arbeiten verwendet wird. Dies liegt daran, dass die Last hier im Vergleich zur Wirkleistung mehr Blindleistung verbraucht. Dies stellt eine Belastung für das Versorgungssystem dar und führt zu einer Überlastung des Verteilungssystems, da sowohl die von der Last benötigte Wirkleistung als auch die zur Deckung der Blindlasten verwendete Blindleistung aus dem System entnommen werden.

Diese Belastung und „Verschwendung“ führt in der Regel zu enormen Stromrechnungen für Verbraucher (insbesondere Industrieverbraucher), da Versorgungsunternehmen den Verbrauch anhand der Scheinleistung berechnen und am Ende für Strom zahlen, der nicht für „sinnvolle“ Arbeiten verwendet wurde. Einige Unternehmen bestrafen ihre Verbraucher auch dann, wenn sie mehr Blindleistung beziehen, da dies zu einer Überlastung des Systems führt. Diese Geldbuße wird verhängt, um den niedrigen Leistungsfaktor zu verringern, wodurch Lasten in der Industrie verwendet werden.

Selbst in Situationen, in denen der Strom von den Generatoren des Unternehmens bereitgestellt wird, wird Geld für größere Generatoren, größere Kabel usw. verschwendet, die für die Stromversorgung erforderlich sind, wenn eine gute Anzahl davon nur verschwendet wird. Um dies besser zu verstehen, betrachten Sie das folgende Beispiel

Eine Fabrik, die eine Last von 70 kW betreibt, könnte erfolgreich von einem Generator / Transformator und Kabeln mit einer Nennleistung von 70 kVA gespeist werden, wenn die Fabrik mit einem Leistungsfaktor von 1 arbeitet. Wenn der Leistungsfaktor jedoch auf 0,6 abfällt, dann sogar mit derselben Last von 70 kW ist ein größerer Generator oder Transformator mit einer Nennleistung von 116,67 kVA (70 / 0,6) erforderlich, da der Generator / Transformator die zusätzliche Leistung für die Blindlast liefern muss. Abgesehen von diesem starken Anstieg des Strombedarfs müsste auch die Größe der verwendeten Kabel erhöht werden, was zu einem signifikanten Anstieg der Gerätekosten und erhöhten Leistungsverlusten infolge des Widerstands entlang der Leiter führen würde. Die Strafe dafür geht in einigen Ländern über hohe Stromrechnungen hinaus, da Unternehmen mit schlechtem Leistungsfaktor normalerweise hohe Geldstrafen erhalten, um die Berichtigung zu fördern.

Verbesserung des Leistungsfaktors

Nach all dem werden Sie mir zustimmen, dass es wirtschaftlicher ist, den schlechten Leistungsfaktor zu korrigieren, als weiterhin große Stromrechnungen zu bezahlen, insbesondere für große Industrien. Es wird auch geschätzt, dass in großen Industrien und Produktionsstätten über 40% der Stromrechnungen eingespart werden können, wenn der Leistungsfaktor korrigiert und niedrig gehalten wird.

Abgesehen von der Reduzierung der Kosten für die Verbraucher trägt der Betrieb eines effizienten Systems zur allgemeinen Zuverlässigkeit und Effizienz des Stromnetzes bei, da Versorgungsunternehmen in der Lage sind, Leitungsverluste und Wartungskosten zu reduzieren und gleichzeitig die Anzahl der Transformatoren und zu reduzieren ähnliche Support-Infrastruktur für ihren Betrieb erforderlich.

Berechnung des Leistungsfaktors für Ihre Last

Der erste Schritt zur Korrektur des Leistungsfaktors besteht darin, den Leistungsfaktor für Ihre Last zu bestimmen. Dies kann erfolgen durch;

1. Berechnung der Blindleistung anhand der Reaktanzdetails der Last

2. Bestimmen der tatsächlichen Leistung, die von der Last abgeführt wird, und Kombinieren mit der Scheinleistung, um den Leistungsfaktor zu erhalten.

3. Die Verwendung des Leistungsfaktormessers.

Das Leistungsfaktormessgerät wird meistens verwendet, da es dabei hilft, den Leistungsfaktor in großen Systemaufbauten leicht zu ermitteln, wobei die Bestimmung der Reaktanzdetails der Last und der tatsächlich verbrauchten Leistung ein schwieriger Weg sein kann.

Wenn der bekannte Leistungsfaktor bekannt ist, können Sie ihn korrigieren und so nahe wie möglich an 1 einstellen. Der von Stromversorgungsunternehmen empfohlene Leistungsfaktor liegt normalerweise zwischen 0,8 und 1, und dies kann nur erreicht werden, wenn Sie einen fast reinen Leistungsfaktor verwenden Die ohmsche Last oder die induktive Reaktanz (Last) im System ist gleich der Kapazitätsreaktanz, da sich beide gegenseitig aufheben.

Aufgrund der Tatsache, dass die Verwendung von induktiven Lasten eine häufigere Ursache für einen niedrigen Leistungsfaktor ist, insbesondere in industriellen Umgebungen (aufgrund der Verwendung schwerer Motoren usw.), besteht eine der einfachsten Methoden zur Korrektur des Leistungsfaktors darin, den zu löschen induktive Reaktanz durch Verwendung von Korrekturkondensatoren, die kapazitive Reaktanz in das System einführen.

Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren wirken als Blindstromgenerator und wirken der durch induktive Lasten „verschwendeten“ Leistung entgegen. Beim Einsetzen dieser Kondensatoren in Setups muss jedoch sorgfältig überlegt werden, um einen reibungslosen Betrieb mit Geräten wie Frequenzumrichtern und ein effektives Kostengleichgewicht zu gewährleisten. Abhängig von der Einrichtung und der Lastverteilung kann die Konstruktion aus Kondensatoren mit festem Wert bestehen, die an induktiven Lastpunkten installiert sind, oder Kondensatorbänken mit automatischer Korrektur, die an den Sammelschienen von Verteilertafeln installiert sind, um eine zentralisierte Korrektur durchzuführen, die in großen Systemen normalerweise kostengünstiger ist.

Die Verwendung von Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren in Setups hat Nachteile, insbesondere wenn die richtigen Kondensatoren nicht verwendet werden oder das System nicht richtig ausgelegt ist. Die Verwendung der Kondensatoren kann beim Einschalten zu einer kurzen Zeit der „Überspannung“ führen, die die ordnungsgemäße Funktion von Geräten wie Frequenzumrichtern beeinträchtigen und dazu führen kann, dass diese zeitweise ausgehen oder die Sicherungen einiger Kondensatoren durchbrennen. Dies könnte jedoch gelöst werden, indem versucht wird, die Schaltsteuerungssequenz bei Drehzahlantrieben anzupassen oder bei Sicherungen Oberschwingungsströme zu eliminieren.

Unity Power Factor und warum es nicht praktisch ist

Wenn der Wert Ihres Leistungsfaktors gleich 1 ist, wird der Leistungsfaktor als Leistungsfaktor Eins bezeichnet. Es mag verlockend sein, den optimalen Leistungsfaktor 1 zu erhalten, aber es ist fast unmöglich, ihn zu erreichen, da kein System wirklich ideal ist. In dem Sinne ist keine Last rein ohmsch, kapazitiv oder induktiv. Jede Last besteht aus einigen Elementen der anderen, egal wie klein sie ist, da ein typischer realisierbarer Leistungsfaktorbereich normalerweise bis zu 0,9 / 0,95 beträgt. Diese parasitären Eigenschaften der RLC-Elemente haben wir bereits in unseren Artikeln zu ESR und ESL mit Kondensatoren kennengelernt.

Der Leistungsfaktor ist eine Determinante dafür, wie gut Sie Energie verbrauchen und wie viel Sie in Stromrechnungen bezahlen (insbesondere für die Industrie). Im weiteren Sinne trägt es wesentlich zu den Betriebskosten bei und könnte der Faktor für reduzierte Gewinnmargen sein, auf den Sie nicht geachtet haben. Durch die Verbesserung des Leistungsfaktors Ihres elektrischen Systems können Sie die Stromkosten senken und die Leistung maximieren.