Пассивный корректор коэффициента мощности: принцип работы

Корректор коэффициента мощности - это устройство, которое улучшает показатели энергоэффективности электрооборудования за счет оптимизации потребления реактивной мощности из сети. В данной статье речь пойдет о пассивных корректорах коэффициента мощности и о том, как они работают.

Пассивные и активные корректоры коэффициента мощности

Существует два основных типа корректоров коэффициента мощности:

• Пассивные
• Активные

Пассивные корректоры представляют собой реактивные элементы - конденсаторы и катушки индуктивности. Они подключаются параллельно нагрузке и компенсируют ее реактивное сопротивление.

Активные корректоры являются более сложными устройствами. Они включают в себя силовые ключи, дроссели, контроллеры и используют различные методы активной коррекции - КМ рекуперация энергии, высшие гармоники и другие.

Принцип работы пассивного корректора коэффициента мощности

Пассивный корректор коэффициента мощности основан на использовании реактивных элементов для компенсации реактивной мощности, потребляемой нагрузкой. Рассмотрим подробнее, как это работает.

Потребляемая из сети полная мощность S состоит из двух компонент:

• Активная (полезная) мощность P, идущая на выполнение работы
• Реактивная (бесполезная) мощность Q, связанная с намагничиванием оборудования

Соотношение этих компонент определяет коэффициент мощности (КМ):

КМ = P / S

Чем выше КМ, тем меньше потребляется "бесполезной" реактивной мощности. Значит, энергопотребление более эффективно.

Пассивный корректор коэффициента мощности компенсирует реактивную составляющую тока нагрузки, тем самым увеличивая КМ и улучшая энергоэффективность системы:

1. Корректор подбирается по мощности под конкретную нагрузку
2. Подключается параллельно нагрузке
3. Компенсирует ее реактивную мощность своей реактивной мощностью, но противоположного знака
4. В результате реактивные токи в нагрузке и корректоре взаимно компенсируются
5. Повышается общий КМ системы, снижаются потери энергии

Основные компоненты пассивного корректора коэффициента мощности

Пассивные корректоры коэффициента мощности включают в себя несколько основных компонентов:

• Конденсаторы. Обеспечивают емкостную реактивную мощность для компенсации индуктивной нагрузки.
• Дроссели (катушки индуктивности). Создают индуктивную реактивную мощность для компенсации емкостной нагрузки.
• Контакторы. Отключают конденсаторные батареи, когда реактивная мощность недокомпенсирована и есть риск генерации в сеть.
• Реле контроля тока. Контролируют режимы работы конденсаторов, исключают их перегрузку.
• Клеммники и автоматы защиты. Обеспечивают безопасное и надежное подключение корректора КМ.

Также в пассивных корректорах коэффициента мощности могут использоваться резисторы, предохранители, вольтметры, световая индикация и другие компоненты.

Преимущества и недостатки пассивных корректоров коэффициента мощности

Пассивные корректоры КМ имеют ряд важных преимуществ:

• Простота конструкции и монтажа
• Высокая степень надежности
• Низкая стоимость
• Отсутствие необходимости в обслуживании
• Увеличение ресурса оборудования за счет оптимизации режимов

К недостаткам можно отнести:

• Стационарное исполнение, не подходит для частых перемещений
• Ограниченная точность - не компенсируют гармоники и динамические изменения нагрузки
• Возможны резонансные явления с сетью

Области применения пассивных корректоров коэффициента мощности

Пассивные корректоры КМ находят широкое применение в различных областях промышленности и быту:

• Сварочные аппараты
• Мощные двигатели
• Компрессоры и насосы
• Системы освещения
• Электрические печи
• Серверные стойки
• Трансформаторы
• Кондиционеры
• Холодильники
• Электронагреватели

Они позволяют повысить энергоэффективность и качество электроснабжения этих и многих других энергоемких систем.

Выбор пассивного корректора коэффициента мощности

При выборе пассивного корректора коэффициента мощности необходимо учитывать следующие критерии:

1. Номинальная мощность. В 1,3-1,5 раза больше, чем мощность компенсируемой нагрузки.
2. Напряжение. Соответствие напряжению питающей сети, к которой будет подключен корректор КМ.
3. Номинальный ток. По крайней мере в 1,3 раза больше тока нагрузки.
4. Число фаз. Совпадение с числом фаз нагрузки (1-фазный, 3-фазный).
5. Климатическое исполнение. Соответствие условиям эксплуатации по температуре, влажности, запыленности.
6. Надежность элементов, средний срок службы.

Кроме того, желательно ознакомиться с реальным опытом эксплуатации выбранной модели корректора КМ.

Рекомендации по монтажу и эксплуатации пассивных корректоров коэффициента мощности

Для обеспечения надежной работы пассивного корректора коэффициента мощности необходимо выполнить ряд рекомендаций:

1. Подключать корректор через автомат защиты, соответствующий его номинальному току
2. Не устанавливать в сырых, неотапливаемых помещениях
3. Обеспечить вентиляцию корректора КМ, отвод тепла от его элементов
4. Соблюдать полярность подключения конденсаторных батарей (указана на корпусе)
5. При больших мощностях разделять конденсаторы на несколько параллельных групп для исключения резонанса

В процессе эксплуатации следует:

• Контролировать нагрев конденсаторов и дросселей, не допускать перегрева свыше +70°С
• Проверять плотность затяжки электрических соединений
• Следить за исправностью контакторов и реле токовой защиты
• При появлении неисправностей отключать корректор КМ и обращаться в сервисный центр

Применение пассивных корректоров коэффициента мощности в быту

Корректор коэффициента мощности может быть также применен в бытовой технике - холодильниках, стиральных машинах, посудомоечных машинах, микроволновых печах и другой крупной технике, потребляющей значительную реактивную мощность.

Это позволяет снизить нагрузку на электросеть квартиры или частного дома, уменьшить потери электроэнергии в проводке, продлить срок службы техники.

В быту чаще применяются небольшие однофазные пассивные корректоры коэффициента мощности на основе конденсаторов. Они встраиваются непосредственно в корпус техники или устанавливаются отдельным модулем.

Устройство и монтаж бытового пассивного корректора КМ

Бытовой корректор коэффициента мощности включает в себя:

• Конденсатор емкостью от 5 до 50 мкФ на напряжение 220 В
• Резисторы, ограничивающие ток заряда конденсатора
• Клеммную колодку для подключения
• Корпус с крепежом или кронштейн для установки внутри техники

Установка бытового ККМ обычно не представляет сложности. Основные рекомендации:

1. Подбирается корректор КМ по мощности, превышающей мощность техники на 10-20%
2. Подключается параллельно силовому входу техники
3. Крепится в хорошо вентилируемом месте, допускающем подводку проводов

Правильно установленный бытовой пассивный корректор коэффициента мощности позволяет экономить 5-15% электроэнергии.

Схемы пассивных корректоров коэффициента мощности

Рассмотрим типовые схемы пассивных корректоров коэффициента мощности для различных случаев компенсации реактивной мощности.

Компенсация индуктивной нагрузки

Для компенсации индуктивной нагрузки используется конденсаторная батарея, подключаемая параллельно нагрузке (Рис.1).

Рисунок 1 - Схема ККМ для индуктивной нагрузки

Компенсация емкостной нагрузки

В случае емкостной нагрузки используется индуктивный дроссель, подключаемый последовательно с нагрузкой (Рис.2):

Рисунок 2 - Схема ККМ для емкостной нагрузки

Контроллеры для пассивных корректоров коэффициента мощности

Для автоматического управления пассивным корректором коэффициента мощности и оптимизации его работы применяются специальные контроллеры.

Функции контроллера ККМ:

• Измерение параметров сети и нагрузки
• Расчет необходимой компенсации реактивной мощности
• Подключение/отключение ступеней конденсаторных батарей или регулировка реактивности дросселя
• Контроль предельных режимов и защита элементов ККМ
• Отображение информации о работе на дисплее

Контроллеры пассивных корректоров КМ выпускаются как для однофазных, так и для трехфазных систем. Ряд моделей способны координированно управлять всеми тремя фазами коррекции.

Однофазный контроллер ККМ

Однофазный контроллер пассивного корректора коэффициента мощности управляет группами конденсаторов или параметрами дросселя по сигналам датчиков тока и напряжения в одной фазе.

Трехфазный контроллер ККМ

В трехфазном корректоре КМ контроллер получает информацию от трехфазной системы датчиков и управляет компенсирующими элементами во всех трех фазах для оптимальной коррекции режимов.

Корректор коэффициента мощности трехфазный с одним ключом

Ряд производителей выпускает корректор коэффициента мощности трехфазный с одним ключом. В таких устройствах используется один тиристорный ключ для коммутации мощности трехфазной конденсаторной батареи.

Преимущества такого решения:

• Меньшие габариты и вес
• Более высокая надежность за счет меньшего количества коммутационных элементов
• Низкая стоимость

Однако у трехфазного ККМ с одним ключом есть и недостатки:

• Большие токи через тиристор при коммутации
• Ограничения по максимальной мощности
• Сложность обеспечения равномерной компенсации в трех фазах

Мощные трехфазные корректоры коэффициента мощности

Для систем с высоким энергопотреблением, таких как цеха промышленных предприятий, прокатные станы, насосные установки, вентиляция шахт, применяются мощные трехфазные корректоры коэффициента мощности.

Они имеют следующие особенности:

• Компенсируют реактивную мощность в сотни кВАр
• Работают на напряжение 6, 10 или 20 кВ
• Включают специальные высоковольтные конденсаторы и реакторы
• Требуют квалифицированного монтажа и обслуживания
• Стоимость от нескольких миллионов рублей

Применение мощных ККМ окупается за 1-3 года эксплуатации за счет экономии электроэнергии.

Корректор коэффициента мощности своими руками

Некоторые радиолюбители изготавливают пассивный корректор коэффициента мощности для бытовых нужд своими руками. Рассмотрим основные моменты по созданию ККМ в домашних условиях.

Выбор емкости и напряжения конденсатора

Основой схемы является конденсатор. Его параметры рассчитывают исходя из:

• Мощности компенсируемой нагрузки
• Напряжения сети (220 или 380 В)
• Необходимой степени компенсации (0,8-0,9)

Затем подбирается ближайший стандартный номинал конденсатора.

Защитные элементы ККМ

В схему домашнего ККМ включают:

• Резисторы и варисторы для ограничения токов при включении
• Реле максимального тока для отключения при перегрузках
• Разрядный резистор для снятия остаточного заряда конденсатора

Эти элементы обеспечивают защиту ККМ и безопасность при монтаже и эксплуатации.

Монтаж и испытания ККМ

Пассивный корректор коэффициента мощности собирается в металлическом корпусе с заземлением, клеммником и крепежом.

После монтажа ККМ подвергают испытаниям на:

• Электробезопасность
• Тепловые режимы элементов при рабочих токах
• Эффективность коррекции (замер КМ до и после включения)

При положительных результатах корректор коэффициента мощности готов к эксплуатации.

Принцип работы корректора коэффициента мощности IR1150

Рассмотрим реализацию корректора коэффициента мощности на IR1150 - популярном промышленном контроллере компании Infineon.

Данный чип содержит всю необходимую периферию:

• Мостовой драйвер для управления IGBT транзистором
• АЦП для контроля токов и напряжений
• ЦАП для формирования ШИМ и измерения КМ
• ПИД-регулятор
• Интерфейсы для связи с внешними системами