Косинус фи в электротехнике

Норматив и толкование значения

У К_ИМ нет нормативных значений. В каждом отдельно взятом случае будут свои границы желаемой эффективности, тем более, если речь идет о человеческих ресурсах. Однако по значению показателя можно сделать определенные выводы:

• низкое значение говорит о неэффективном управлении и нерациональном подходе к организации внутренних процессов на предприятии. Для улучшения положения необходимо вовлекать дополнительное оборудование и менять схему работы;
• при значении коэффициента более 0,7 (70% эффективности) можно повысить производительность собственными силами без привлечения дополнительных ресурсов;
• показатель, равный 1 (100%), свидетельствует о полной загруженности ресурсов, и для увеличения объемов производства нужно дополнительное оборудование.

В западных странах хорошим показателем является величина обобщенного коэффициента 80-82%. Можно использовать эти данные для сравнения К_ИМ в целом по предприятию.

Значение коэффициента не может быть более 100. В противном случае необходимо будет повышать производительность оборудования на единицы времени или пересматривать сменность работ.

Важно! На значение КИМ могут влиять внешние факторы, такие как волантильность спроса, появление новых конкурентов, форс-мажорные обстоятельства. Чтобы оставаться конкурентоспособным, предприятию следует постоянно совершенствовать свою работу, улучшать и обновлять оборудование, повышать производительность труда

Определение коэффициента

Коэффициент использования мощности (К_ИМ) характеризует фактическое применение оборудования в сравнении с его потенциалом при полной загрузке линий в производственном цикле предприятия. Он указывает на производительность.

Справка! Несмотря на то, что показатель ориентирован на промышленный сектор, он может применяться на предприятиях других направленностей работы. Например, его прямо или косвенно используют в торговле и сфере услуг для оценки производительности оборудования и команды.

К_ИМ помогает определить потенциал предприятия, понять его слабые места, определить, что действительно есть проблемы с эффективностью использования машин и оборудования. Эти знания помогут выстроить производственный процесс без прежних ошибок и будут способствовать максимальному использованию имеющихся мощностей.

Мощность и прогресс светодиодных ламп

По мере развития технологии производства лед-светильников совершенствовалась их энергоэффективность. Наряду с ростом мощности улучшался и ее удельный коэффициент, иначе называемый косинусом фи. Для расчета его величины применяется формула:

cosφ=P/S

Где P – реальная величина потребляемой нагрузки (затраченной на полезную работу), а S – полная мощность (по паспортным данным). Чем она выше, тем больше коэффициент КПД источника света, а, следовательно, и его энергоэффективность. Его значение в зависимости от экземпляра светильника может варьироваться в широких пределах от 0 до 1. У лучших светодиодных ламп он может достигать 0,95 и выше.

Не затраченная на полезную работу электроэнергия носит название реактивной мощности (в противоположность коэффициенту фи). Как правило, это обычные теплопотери. Например, у стандартной лампы накаливания этот параметр может достигать 95%. Это значит, что всего лишь 5% потребляемой мощности преобразуется в световое излучение, а основная – тратится на нагрев окружающего пространства!

Совершенно иная картина у светодиодных светильников. Их коэффициент мощности начинается как минимум с 0,85. Благодаря этому для достижения заданной яркости, сравнимой со стандартной лампой накала, потребляемую мощность можно снизить на порядок (наглядно это будет показано в ниже приводимых таблицах). Помимо этого показателя, среди их наиболее явных преимуществ выделяются:

1. Срок службы до 100 тыс. часов.
2. Максимальная энергоэффективность.
3. Пожаробезопасность.
4. Высокое качество цветопередачи.
5. Широкий спектр температуры цвета.
6. Экологичность.

Однако, чтобы параметры светодиодных светильников, в том числе коэффициент мощности, соответствовали принятым стандартам, производители должны строго соблюдать технологии изготовления. Поэтому распространенные многочисленные подделки и дешевые изделия фирм-однодневок не могут характеризоваться высоким качеством.

Типовые оценки качества электропотребления

При одной и той же активной мощности нагрузки мощность, бесполезно рассеиваемая на проводах, обратно пропорциональна квадрату коэффициента мощности. Таким образом, чем меньше коэффициент мощности, тем ниже качество потребления электроэнергии. Для повышения качества электропотребления применяются различные способы коррекции коэффициента мощности, то есть его повышения до значения, близкого к единице.

Например, большинство старых светильников с люминесцентными лампами для зажигания и поддержания горения используют (ЭмПРА), характеризующиеся низким значением коэффициента мощности, то есть неэффективным электропотреблением. Многие компактные люминесцентные («энергосберегающие») лампы, имеющие ЭПРА, тоже характеризуются низким коэффициентом мощности (0,5…0,65). Но аналогичные изделия известных производителей, как и большинство современных светильников, содержат схемы коррекции коэффициента мощности, и для них значение cos⁡φ{\displaystyle \operatorname {cos} \varphi } близко к 1, то есть к идеальному значению.

Несинусоидальность

Низкое качество потребителей электроэнергии, связанное с наличием в нагрузке мощности искажения, то есть нелинейная нагрузка (особенно при импульсном её характере), приводит к искажению синусоидальной формы питающего напряжения. Несинусоидальность — вид нелинейных искажений напряжения в электрической сети, который связан с появлением в составе напряжения гармоник с частотами, многократно превышающими основную частоту сети. Высшие гармоники напряжения оказывают отрицательное влияние на работу системы электроснабжения, вызывая дополнительные активные потери в трансформаторах, электрических машинах и сетях; повышенную аварийность в кабельных сетях.

Источниками высших гармоник тока и напряжения являются электроприёмники с нелинейными нагрузками. Например, мощные выпрямители переменного тока, применяемые в металлургической промышленности и на железнодорожном транспорте, газоразрядные лампы, и др.

Пример простого расчёта

Предположим, что абстрактная электростанция с электрической мощностью 1000 МВт выработала за 30-дневный месяц 648 000 МВт-часов. В случае, если станция проработала бы этот месяц с полной установленной мощностью, она бы выработала за этот период времени: 1000 МВт × 30 дней × 24 часа = 720 000 МВт-часов. Делим величину выработанной электроэнергии на значение потенциальной выработки с полной загрузкой установленной мощности за этот период и получаем 0,9. Следовательно, КИУМ в этом случае составит 90 %.

Следует отметить, что КИУМ строго зависит от периода времени, за который он подсчитывается, поэтому сообщение о значении КИУМа в какую-то определённую дату не имеет смысла, этот параметр рассчитывается обычно за долгий период, чаще всего за год.

Что такое коэффициент мощности?

Чтобы лучше уяснить, что такое коэффициент мощности, нужно начать с нескольких основных понятий:

Активная мощность (кВт), также называемая полезной мощностью или действующей мощностью. Это мощность, которая реально приводит в действие оборудование и выполняет полезную работу.

Реактивная мощность (квар). Это мощность, необходимая устройствам, принцип действия которых основан на использовании электромагнитного поля (трансформаторов, электродвигателей, реле) для вырабатывания магнитного потока.

Полная мощность (кВА). Это векторная сумма активной и реактивной мощностей.

Рассмотрим простую аналогию, чтобы лучше уяснить эти понятия.

Допустим, вы находитесь на стадионе в жаркий день и заказываете кружку своего любимого пива. Та часть вашей порции, которая утоляет жажду, представляет активную мощность (рис. 1).

Увы, жизнь несовершенна. Вместе с этим вы получаете и пену. И давайте посмотрим правде в глаза – пена нисколько не утоляет жажду. Эта пена представляет реактивную мощность. Общее содержимое кружки является суммой активной мощности (пива), кВт, и реактивной мощности (пены), квар.

Теперь, после того как мы разобрались с основными понятиями, можно перейти к коэффициенту мощности.

Коэффициент мощности (КМ) – это отношение активной мощности к полной мощности:

КМ = кВт/(кВт + квар)

Если вернуться к нашей аналогии с кружкой пива, коэффициент мощности представляет собой отношение количества пива (кВт) к общему содержимому кружки, то есть к количеству пива с пеной (кВА).

КМ = кВт/(кВт + квар) = пиво/(пиво + пена)

Таким образом, при данной полной мощности:

· чем больше пены (чем выше процент реактивной мощности), тем меньше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной) и тем меньше коэффициент мощности;

· чем меньше пены (чем ниже процент реактивной мощности), тем выше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной). Если пена (реактивная мощность) приближается к нулю, коэффициент мощности приближается к единице.

Наша аналогия с пивной кружкой немного упрощена. В реальности необходимо определять векторную сумму реактивной и активной мощностей. Поэтому следующим шагом будет рассмотрение угла между этими векторами.

Рассмотрим другую аналогию.

Человек тянет тяжёлый груз (рис. 2). Мощность, которую он прикладывает в прямом направлении, то есть в том направлении, куда он хочет доставить груз, — это активная мощность (кВт).

К сожалению, человек не может тянуть груз строго горизонтально (он получит сильные боли в спине), поэтому высота его плеч добавляет некоторое количество реактивной мощности (квар).

Полная мощность, прикладываемая человеком (кВА), – это векторная сумма реактивной и активной мощностей.

Соотношение между активной, реактивной и полной мощностями, а также определение коэффициента мощности иллюстрируются треугольником мощностей, изображённым на рис. 3.

КМ = кВт/кВА = cosθ

квар/кВА = sinθ

кВА = кВт2 + квар2 = V х I х.

Заметим, что в мире нашей мечты по аналогии с кружкой пива:

• реактивная мощность должна быть очень мала (количество пены стремится к нулю);
• активная мощность и полная мощность должны быть почти равны друг другу

(больше пива, меньше пены).

Аналогично в идеальном мире по аналогии с человеком, который тащит груз:

• реактивная мощность очень мала (стремится к нулю);
• активная мощность и полная мощность почти равны друг другу (человеку не нужно
• тратить энергию на усилие, направленное вдоль его тела);
• угол θ между векторами активной и полной мощности стремится к нулю;
• cosθ стремится к единице;
• коэффициент мощности стремится к единице.

Поэтому чтобы иметь эффективную систему (будь то кружка пива или человек, который тащит тяжёлый груз), мы должны иметь коэффициент мощности, как можно более близкий к 1,0.

Однако бывает, что система распределения электроэнергии имеет коэффициент мощности гораздо меньше 1,0. Далее мы увидим, к чему это приводит.

Далекий от электротехники, но весьма наглядный пример

Чтобы объяснить, каким образом угол ϕ (а точнее его косинус) влияет на мощность, рассмотрим пример, не имеющий никакого отношения к электротехнике. Допустим нам необходимо передвинуть тележку, стоящую на рельсах. Чтобы удобнее было производить данную операцию, к ее передней части прикрепляем канат.

Если мы будем тянуть за веревку прямо вперед по направлению движения, то для перемещения тележки нам понадобится приложить достаточно небольшое усилие. Однако если находиться сбоку от рельсов и тянуть за канат в сторону, то для движения тележки с такой же скоростью необходимо будет приложить значительно большее усилие. Причем чем больше угол (ϕ) между направлением движения и прикладываемым усилием, тем больше «мощности» потребуется от нас.

Вывод! То есть, увеличение угла ϕ ведет к увеличению расходуемой нами энергии (при одной и той же выполненной работе).

Причины низкого «косинуса фи»

Недозагрузка электродвигателей переменного тока

При недозагрузке электродвигателя потребляемая им активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке. В то же время реактивная мощность изменяется меньше. Поэтому чем меньше нагрузка двигателя, тем с меньшим коэффициентом мощности он работает.

Так, например, асинхронный двигатель в 400 кВт при 1000 оборотах в минуту имеет «косинус фи», равный при полной нагрузке 0,83. При ¾ нагрузки тот же двигатель имеет cos φ = 0,8. При ½ нагрузке cos φ = 0,7 и при ¼ нагрузки cos φ = 0,5.

Двигатели, работающие вхолостую, имеют «косинус фи», равный от 0,1 до 0,3 в зависимости от типа, мощности и скорости вращения.

Неправильный выбор типа электродвигателя

Двигатели быстроходные и большой мощности имеют более высокий «косинус фи», чем тихоходные и маломощные двигатели. Двигатели закрытого типа имеют cos φ ниже, чем двигатели открытого типа. Двигатели, неправильно выбранные по типу, мощности и скорости, понижают cos φ.

Повышение напряжения в сети

В часы малых нагрузок, обеденных перерывов и тому подобного напряжение сети на предприятии увеличивается на несколько вольт. Это ведет к увеличению намагничивающего тока индивидуальных потребителей (реактивной составляющей их полного тока), что в свою очередь вызывает уменьшение cos φ предприятия.

Неправильный ремонт двигателя

При перемотке электродвигателей обмотчики вследствие неправильного подбора проводов иногда не заполняют пазы машины тем количеством проводников, которое было в фабричной обмотке. При работе такого двигателя, вышедшего из ремонта, увеличивается магнитный поток рассеяния, что приводит к уменьшению cos φ двигателя.

При сильном износе подшипников ротор двигателя может задевать при вращении за статор. Вместо того чтобы сменить подшипники, обслуживающий персонал иногда идет по неправильному и вредному пути и подвергает ротор обточке.

Увеличение воздушного зазора между ротором и статором вызывает увеличение намагничивающего тока и уменьшение cos φ двигателя.

Физические аналогии

Предположим, нам надо заполнить водой резервуар, выливая по одному ведру за раз. Единственный способ сделать это – подняться по лестнице с ведром воды и вылить ведро в емкость. Вылив ведро, мы должны спуститься по лестнице за следующим ведром. За этот цикл (подъем по лестнице и спуск) мы проделали определенную работу, причем энергия, затраченная на подъем, больше энергии, требуемой для спуска.

Если бы мы поднялись по лестнице с пустым ведром и с ним же спустились, то мы не совершили бы никакой работы. Но энергия для подъема и спуска осталась бы такой же. И хотя мы не совершали никакой полезной работы, мы затратили некоторое количество энергии.

Таким образом, энергия, необходимая на подъем и спуск по лестнице с пустыми руками, требует реактивной мощности, но не полезной. А энергия, затраченная на подъем с ведром воды и спуск с пустым ведром, требует как активной мощности, так и реактивной.

Аналогия может быть распространена и на трехфазные системы, если поставить три лестницы к резервуару и заставить трех человек подниматься по ним в такой последовательности, чтобы наполнение резервуара было непрерывным.

Что такое реактивная мощность?

Коэффициент мощности cos фи (φ) определяется как отношение полезной мощности к полной. Математически это определение часто записывают в виде кВт/кВА, где числитель – активная (действительная) мощность, а знаменатель – кажущаяся (активная + реактивная, полная) мощность. И хотя определение выглядит весьма простым, само понятие реактивной мощности весьма зачастую туманно и запутанно даже для людей с неплохой технической подготовкой.

Объяснение понятия реактивной мощности основывается на том, что в системе переменного тока в случае, когда напряжение и ток возрастают и уменьшаются одновременно, передается только активная мощность, а когда между током и напряжением есть сдвиг во времени (сдвиг по фазе), передается как активная, так и реактивная мощность. Однако, при расчете среднего за период значения, присутствует только среднее значение активной мощности, которое приводит к «чистой» передаче энергии из одной точки в другую, тогда как среднее значение реактивной мощности равно нулю, независимо от  структуры и режима работы системы.

В случае реактивной мощности количество энергии, протекающее в одном направлении равно количеству энергии, протекающему в противоположном направлении (иначе говоря, реактивные элементы сети – конденсаторы, индуктивности и др. – обмениваются реактивной энергией). Это означает, что реактивная мощность не производится и не потребляется.

Но, в действительности, мы наблюдаем потери реактивной мощности и внедряем много различного оборудования для ее компенсации, чтобы уменьшить потребление электроэнергии и затраты.

Практическое применение КИМ

Расчет К_ИМ для отдельно взятой единицы оборудования позволяет определить:

• насколько станок часто используется;
• есть ли простои в работе оборудования, и по какой причине;
• востребованность конкретной единицы техники;
• относительный размер прибыли, которую приносит оборудование;
• необходима ли модернизация технологической единицы, можно ли из нее выжать больше.

Расчет К_ИМ в целом для предприятия позволяет определить:

• занятость производственных линий;
• эффективность использования оборудования;
• уровень возможного роста себестоимости продукции (если К_ИМ низкий, значит, можно увеличить объемы выпуска продукции без увеличения себестоимости единицы товара);
• потенциал роста объемов производства.

Для определения потенциала роста используют показатель разрыва потенциального и фактического объема производства (Р_ПФ):

• ФОП – фактический объем производства;
• ПОП – потенциальный объем производства.

Почему следует повышать коэффициент мощности?

Есть несколько причин для увеличения коэффициента мощности. Вот некоторые преимущества, которые можно получить при улучшении коэффициента мощности.

1.Снижение платы поставщику электроэнергиив связи со следующими факторами:

a) Уменьшение величины максимальной мощности, предъявляемой к оплате.

Напомним, что причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки, которым нужна реактивная мощность. Увеличение реактивной мощности приводит к увеличению полной мощности, потребляемой от поставщика электроэнергии.

Таким образом, низкий коэффициент мощности предприятия вынуждает поставщика увеличивать мощность генерации и пропускную способность линии, чтобы справиться с дополнительным потреблением.

При увеличении коэффициента мощности используется меньше реактивной мощности. Это приводит к уменьшению активной мощности, то есть к снижению платы поставщику.

б) Исключение штрафа за коэффициент мощности.

Поставщики электроэнергии обычно выставляют дополнительный счёт потребителям, если их коэффициент мощности меньше 0,95 (если коэффициент мощности потребителя падает ниже 0,85, некоторые поставщики не гарантируют энергоснабжение). Таким образом, при увеличении коэффициента мощности можно избежать повышенных расходов на электроэнергию.

2.Увеличение пропускной способности системы энергоснабжения и уменьшение потерь электроэнергии

При добавлении в систему конденсаторов (являющихся источниками реактивной мощности) увеличивается коэффициент мощности и улучшается пропускная способность системы для активной мощности.

К примеру, трансформатор 1000 кВА с коэффициентом мощности 80% выдаёт мощность 800 кВт (600 квар):

1000 кВА =

Отсюда реактивная мощность – 600 квар.

При увеличении коэффициента мощности до 90% можно получить более высокую активную мощность при той же величине полной мощности:

1000 кВА =

Отсюда реактивная мощность – 436 квар.

Активная мощность системы увеличивается до 900 кВт, при этом потребляемая от поставщика реактивная мощность составляет только 436 квар.

Нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности системы распределения электроэнергии. При увеличении коэффициента мощности эти потери уменьшаются. В связи с продолжающимся ростом стоимости энергии повышение энергоэффективности предприятия имеет очень большое значение. При уменьшении потерь в системе появляется возможность подключения к ней дополнительной нагрузки.

3. Увеличение уровня напряжения в энергосистеме, уменьшение нагрева и более эффективная работа электродвигателей

Как уже говорилось, нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в системе распределения электроэнергии. При этом может снижаться уровень напряжения. Чрезмерное падение напряжения может стать причиной перегрева и преждевременного выхода из строя электродвигателей и других индуктивных устройств.

Поэтому при увеличении коэффициента мощности падение напряжения на фидерных кабелях и связанные с этим проблемы минимизируются. Двигатели будут меньше нагреваться и работать более эффективно, также несколько увеличатся их мощность и пусковой момент.

Способы увеличения «косинуса фи»

Вышеперечисленные последствия низкого cos φ
с достаточной убедительностью говорят о том, что необходимо вести борьбу за высокий cos φ
. К мерам увеличения cos φ
относятся:

1. Правильный выбор типа, мощности и скорости вновь устанавливаемых двигателей;
2. Увеличение загрузки двигателей;
3. Недопущение работы двигателей вхолостую продолжительное время;
4. Правильный и высококачественный ремонт двигателей;
5. Применение статических (то есть неподвижных, невращающихся) .

Малый вес конденсаторов, отсутствие вращающихся частей, незначительные потери энергии в них, легкость обслуживания, безопасность и надежность в работе дают возможность широкого применения статических конденсаторов для повышения cos φ
двигателей.

Отрезок ос
, представляющий активную слагающую тока I
1 , равен:

ос
= I
1 × cos φ
1 = оа
× cos φ
1 .

На бирках (шильдиках) электродвигателей обязательно указана его мощность, измеряемая в ваттах, и вот такой значок «cosφ». Что обозначает косинус фи в электротехнике – это коэффициент мощности. И определяется он соотношением мощности активной к полной. При этом чем выше данный коэффициент, то есть приближается к единице, тем лучше. Потому что в данном случае реактивная мощность будет равна нулю, а, значит, будет уменьшаться потребляемое значение, что приведет к экономии электроэнергии.

Поэтому чтобы разобраться в косинусе фи, необходимо сначала разобраться со всеми этими мощностями.