ΒΡΕΙΤΕ ΜΑΣ ΣΤΟ FACΕBOOK (Ηλεκτρολογικές Ενημερώσεις) ΚΑΙ ΚΑΝΤΕ LIKE

Κυριακή, 4 Οκτωβρίου 2015

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Ο ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ

Όταν λέμε συντελεστής ισχύος σ΄ ένα κύκλωμα εννοούμε το συνημίτονο της γωνίας φ, δηλαδή της γωνίας που σχηματίζουν τα διανύσματα της τάσης και της έντασης  του κυκλώματος αυτού.




Τι εκφράζει ο συντελεστής ισχύος

Εκφράζει το ποσοστό της προσφερόμενης ισχύος που χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου.

Π.χ αν ο συντελεστής ισχύος είναι 0,7 σημαίνει ότι το 70% της προσφερόμενης ισχύος χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου (πραγματική ισχύς) ενώ το 30% σπαταλάται (άεργη ισχύς).


Ενεργή (Πραγματική) και Άεργη Ισχύς

Η πραγματική ή ενεργή ισχύς είναι αυτή η οποία παράγει το πραγματικό έργο, π.χ. τη μηχανική ισχύ στον άξονα ενός κινητήρα, τη θερμότητα που παράγει μια ηλεκτρική θερμάστρα ή ένα ηλεκτρικός θερμοσίφωνας κλπ., σε ένα κύκλωμα και καταγράφεται από τους μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας.

Η άεργη ισχύς απορροφάται, κυρίως, από τους κινητήρες για την δημιουργία του στρεφόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, που είναι απαραίτητο για την λειτουργία τους, αλλά και από άλλα μηχανήματα, όπως μετασχηματιστές, στατές ηλεκτροσυγκολλήσεις, οι λαμπτήρες φωτισμού που λειτουργούν με ηλεκτρικές εκκενώσεις κ.ο.κ2 . Δεν παράγει πραγματικό έργο, αλλά είναι αναγκαία για τη δημιουργία μαγνητικού ή ηλεκτρικού πεδίου στα πηνία και στους πυκνωτές του κυκλώματος. 

Μία ηλεκτρική εγκατάσταση απορροφά ηλεκτρική ισχύ από το δίκτυο της ΔΕΗ. Η απορροφούμενη ισχύς αποτελείται από δύο συνιστώσες:
την πραγματική ισχύ (P) που την μετράμε σε W
την άεργο ισχύ (Q) που την μετράμε σε V
ar

Οι δύο αυτές ισχείς παριστάνονται σαν οι κάθετες πλευρές ενός ορθογωνίου τριγώνου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Αποτέλεσμα εικόνας για συντελεστης ισχυος

 Η συνισταμένη των δύο αυτών πλευρών είναι η φαινόμενη ισχύς (S) που την μετράμε σε VA.


Ο συντελεστής ισχύος εκφράζει το λόγο της πραγματικής προς τη φαινόμενη ισχύ ενός ηλεκτρικού καταναλωτή, ή αλλιώς εκφράζει το ποσοστό της φαινόμενης ισχύος που θα γίνει πραγματική και είναι ίσος με συνφ=P/S

 Πραγματική Ισχύς
Το ποσό της προσδιδόμενης ισχύος από το δίκτυο (φαινόμενης S) που μετατρέπεται σε ισχύ εξόδου και παράγει έργο.



Άεργος Ισχύς
To ποσό της προσδιδομένης ισχύος από το δίκτυο (φαινόμενης S) που καταναλώνεται για την δημιουργία και διατήρηση του μαγνητικού πεδίου. 



Φαινόμενη Ισχύς
Η ηλεκτρική ενέργεια που προσδίδεται από την πηγή τροφοδοσίας
και είναι το σύνολο της πραγματικής ισχύος P και της άεργου ισχύος Q.



Ηλεκτρικές συσκευές που απορροφούν μόνο πραγματική ισχύ

Πραγματική ισχύ απορροφούν όλες οι ηλεκτρικές συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλη μορφή ενέργειας (ωμικοί καταναλωτές).
 Οι συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια απευθείας σε θερμική δεν απορροφούν άεργο ισχύ.

 Τέτοιες συσκευές είναι:
θερμαντήρας νερού
ηλεκτρικές εστίες
ηλεκτρικός φούρνος
λαμπτήρες πυράκτωσης

Ηλεκτρικές συσκευές που απορροφούν πραγματική και άεργο ισχύ:

Άεργο ισχύ απορροφούν οι συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική και συνεπώς περιέχουν ηλεκτρικούς κινητήρες (επαγωγικοί καταναλωτές). Στις συσκευές αυτές η άεργος ισχύς χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του κινητήρα.

Τέτοιες συσκευές είναι:
ηλεκτρική σκούπα
κλιματιστικό (=αντλία θερμότητας)
μίξερ κλπ.

Εάν λοιπόν ένα εργοστάσιο χρειάζεται άεργη ισχύ για τους κινητήρες του µπορεί να την πάρει από το δίκτυο ηλεκτροδότησης, οπότε η άεργη ισχύς θα παραχθεί από τις γεννήτριες του παροχέα ηλεκτρικής ενέργειας και θα ταξιδέψει µέχρι τον καταναλωτή µέσα από τις γραµµές µεταφοράς µε συνεπακόλουθες απώλειες.

Προβλήματα της άεργου ισχύος

Ωστόσο, η άεργος ισχύς δημιουργεί μεγάλα προβλήματα στα σύγχρονα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενεργείας και στις αντίστοιχες εταιρείες. Δεν καταναλώνεται, οπότε δεν χάνεται, αλλά καθώς μεταφέρεται συνεχώς από και προς τα στοιχεία ενός συστήματος, απαιτείται ρεύμα. Συνεπώς, ωμικές απώλειες προκαλούνται στις ωμικές αντιστάσεις των αγωγών που την μεταφέρουν. Όπου υπάρχουν στοιχεία που χρειάζονται άεργη ισχύ, δημιουργούνται αυξημένα ρεύματα, άρα και αυξημένες απώλειες στα δίκτυα που τα τροφοδοτούν. 

Σημαντικό χαρακτηριστικό της άεργου ισχύος είναι ότι δεν μεταφέρεται εύκολα Γεγονός που δημιουργεί πολλά προβλήματα και μεγάλο  πονοκέφαλο  στους διαχειριστές του δικτύου και των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

 
Ειδικά στις ώρες αιχμής και  ιδιαίτερα τους καλοκαιρινούς μήνες εάν η ζήτηση άεργου ισχύος σε μία περιοχή αυξηθεί ξαφνικά, για παράδειγμα  λόγω χρήσης των κλιματιστικών, θα απαιτηθεί η έγχυση πολλαπλάσιας άεργου ισχύος στο σύστημα από τις μονάδες παραγωγής.
Έτσι το ηλεκτρικό δίκτυο έρχεται στα όρια του καθώς  δεν μπορεί να μεταφέρει μεγάλες ποσότητες   άεργου ισχύος KVAr και ενεργή ισχύς KW, καθώς  η άεργος ισχύς δεν μεταφέρεται εύκολα μέσα στο δίκτυο και ενδέχεται  να προκαλέσει μερική κατάρρευση του δικτύου (τοπικό black out ).

 Επίσης η ξαφνικά περίσσια άεργος ισχύς (μετά τη χρησιμοποίησή της από τα επαγωγικά φορτία) επιστρέφει στην πηγή στην οποία παράχθηκε, δηλαδή στο σταθμό παραγωγής της ΔΕΗ και υπάρχει περίπτωση σε μεγάλες ποσότητες να μην μπορεί να ελεγχθεί, αφού τα όρια φόρτισης του δικτύου είναι παρά πολύ στενά, με αποτέλεσμα  να κινδυνεύει με κατάρρευση  η ίδια η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (γενικό black out)., ενώ προκύπτουν και πρόσθετες απώλειες ενεργού ισχύος. 

Επιπλέον, η άεργος ισχύς για να παραχθεί και να φτάσει μέχρι τους καταναλωτές φορτίζει της γεννήτριες των Σταθμών Παραγωγής, τις γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας Υψηλής, Μέσης και Χαμηλής Τάσης, καθώς και τους μετασχηματιστές με πρόσθετες εντάσεις που έχουν ως απότέλεσμα οι εγκαταστάσεις και τα μηχανήματα να υπερφορτίζονται και να περιορίζεται η ικανότητά τους για μεταφορά ενεργού ισχύος. Επιπρόσθετα, αυξάνονται και οι απώλειες μεταφοράς και οι πτώσεις τάσεως. Σε καταστάσεις υψηλής κατανάλωσης ενεργού και άεργου ισχύος, η λειτουργία των δικτύων γίνεται οριακή, ενώ ταυτόχρονα τα περιθώρια ελέγχου της ροής άεργου ισχύος στενεύουν, με αποτέλεσμα να υφίσταται κίνδυνος μερικής ή ολικής διακοπής του συστήματος μεταφοράς που τροφοδοτούν μεγάλες περιοχές

Ευτυχώς σημαντικό πλεονέκτημα της άεργου ισχύος έναντι της ενεργού είναι ότι δύναται να παράγεται εύκολα και σε τοπικό επίπεδο κοντά στα σημεία κατανάλωσής της, από συσκευές (από πυκνωτές), οι οποίες δεν απαιτούν κατά κανόνα κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας και δεν έχουν επιπτώσεις στο περιβάλλον τους

Τι είναι τελικά ο συντελεστής ισχύος και τι εκφράζει

 Με απλά λόγια, ο συντελεστής ισχύος είναι καθαρός αριθμός, κυμαινόμενος μεταξύ του μηδενός και της μονάδας, και εκφράζει πόσο αμιγώς ωμικό είναι ένα φορτίο που καταναλώνει ισχύ, τροφοδοτούμενο με εναλλασσόμενο ρεύμα.

Ο δείκτης " ποιότητας " μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης λοιπόν, είναι ο συντελεστής ισχύος cosφ και όσο πιο χαμηλός είναι, τόσο περισσότερο μεγαλώνει η κατανάλωση του ηλεκτρικού ρεύματος, αφού αυξάνουν οι απώλειες της ηλεκτρικής ενέργειας.

Στην περίπτωση 
χαμηλού συντελεστή ισχύος cosφ, οι εταιρείες παροχής χρεώνουν πρόστιμο στον καταναλωτή, ώστε να καλύψουν τα επιπλέον έξοδα των απωλειών στο δίκτυο.

Άρα συνολικά ο συντελεστής ισχύος:

Εκφράζει πόσο αμιγώς ωμικό είναι ένα φορτίο που καταναλώνει ισχύ, τροφοδοτούμενο με εναλλασσόμενο ρεύμα.

Εκφράζει το ποσοστό της φαινόμενης ισχύος που θα γίνει πραγματική

Είναι ίση με
P/S (πραγματική/φαινόμενη)

 
Και είναι ο δείκτης " ποιότητας " μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης 


Τα τρία είδη ισχύος σε ωμικό, επαγωγικό και χωρητικό καταναλωτή


Η  κατάσταση που αναπαρίσταται στη προηγούμενη εικόνα , η καμπύλη της τάσης είναι σε ταυτοχρονισμό σε σχέση με το ρεύμα, οπότε λέμε ότι η τάση και η ένταση είναι συμφασικά

Στο διάγραμμα της ισχύος,
η σκιασμένη με μπλε χρώμα επιφάνεια αναπαριστά την ωφέλιμη ισχύ, η οποία ονομάζεται πραγματική ισχύς.



Η  κατάσταση που αναπαρίσταται στη προηγούμενη εικόνα , η καμπύλη του ρεύματος παρουσιάζει καθυστέρηση σε σχέση με το ρεύμα, οπότε λέμε ότι η τάση προηγείται του ρεύματος, ή αντίστοιχα, το ρεύμα έπεται της τάσης, δηλαδή υπάρχει διαφορά φάσης τάσης και ρεύματος. Μάλιστα, στη συγκεκριμένη εικόνα η διαφορά φάσης είναι 60 μοίρες, (δηλαδή, το ρεύμα κορυφώνεται 60 μοίρες μετά την τάση).


Στο διάγραμμα της ισχύος,
η σκιασμένη με μπλε χρώμα επιφάνεια αναπαριστά την ωφέλιμη ισχύ, η οποία ονομάζεται πραγματική ισχύς, ενώ η καφέ επιφάνεια αντιπροσωπεύει την λεγόμενη άεργη ισχύ.

 Το άθροισμα των δύο είναι ίσο με την φαινομένη ισχύ



Το αντίστοιχο συμβαίνει και στην περίπτωση που το φορτίο παρουσιάζει χωρητική συμπεριφορά, με τη διαφορά πως εδώ το ρεύμα προηγείται της τάσης.(προηγούμενη διαφάνεια) 


Πρακτικά, κακός συντελεστής ισχύος (συνημίτονο), σημαίνει:Αύξηση του απορροφούμενου ρεύματος

Αύξηση των απωλειών σε όλους τους αγωγούς και καλώδια .

Αύξηση της πτώσης τάσης.

Αύξηση των απωλειών ενέργειας επί των δικτύων μεταφοράς και διανομής της ΔΕΗ

 Αυξημένες ενεργειακές ανάγκες (κόστος).

Συντελεστής ισχύος σε μερικά φορτία κινητήρα

Η τιμὴ του συντελεστή ισχύος συνφ ενὸς κινητήρα μεταβάλλεται συναρτήσει του φορτίου.
Γενικώς, αυξανομένου του φορτίου αυξάνεται και το cosφ.

Στον επόμενο Πίνακα δίνουμε τις τιμὲς του cosφ στα μερικὰ φορτία. Οι τιμὲς αυτὲς είναι ενδεικτικές.






Προβλήματα λειτουργίας κλιματιστικών μηχανημάτων, μηχανημάτων με ασύγχρονους επαγωγικούς κινητήρες και ηλεκτρονικών ισχύος

Τα κύρια προβλήματα της λειτουργίας των  κλιματιστικών μηχανημάτων είναι οι συχνές εκκινήσεις αλλά και η κατά τη λειτουργία του κινητήρα αδυναμία προσαρμογής του στην καμπύλη του φορτίου.

Η παρούσα κατάσταση μπορεί να περιγραφεί ως εξής:

α) Σύγχρονα, πιστοποιημένα και γενικώς υψηλού κόστους κτήσης, «επώνυμα» κλιματιστικά μηχανήματα ρυθμίζουν το ρεύμα εκκίνησης με inverter και συνήθως προσαρμόζουν τη λειτουργία του κινητήρα ανάλογα με τις απαιτήσεις του φορτίου.
Το πρόβλημα των εν λόγω κλιματιστικών μηχανημάτων δεν είναι κυρίως η χαμηλή τιμή του Συντελεστή Ισχύος, αλλά η εισαγωγή αρμονικών στο δίκτυο με αντίστοιχη υποβάθμιση της ποιότητας τάσης.

β) Παλαιού τύπου κλιματιστικά μηχανήματα (χωρίς inverter) και
γενικότερα «ανώνυμες» συσκευές, συνήθως χαμηλού κόστους
κτήσης και χωρίς οποιαδήποτε τυποποίηση, συνήθως λειτουργούν με χαμηλή τιμή του Συντελεστή Ισχύος (από 0,55 έως 0,8).

Για παράδειγμα, μια τυπική επώνυμη μονάδα 18000 ΒΤU έχει ισχύ P=1850W με Συντελεστή Ισχύος (cosφ) περίπου ίσο με 0,9 για τάση λειτουργίας U=230V μονοφασικά και ασφαλίζεται με μικροαυτόματο 16Α.
Εάν μία τέτοια μονάδα λειτουργεί 14 ώρες ημερησίως στη θερινή περίοδο σε ένα χώρο με μέτριες θερμικές απώλειες (όχι συχνά ανοιγοκλεισίματα παραθύρων και θυρών κλπ) αναμένονται 8-10 εκκινήσεις συνολικά, στην διάρκεια των οποίων το φορτίο δεν είναι σταθερό.

Συνεπώς έχουμε:

α) Σημαντικό αριθμό εκκινήσεων στη διάρκεια των οποίων το ρεύμα εκκίνησης είναι πολλαπλάσιο του αντίστοιχου κανονικής λειτουργίας και προκαλεί τοπική πτώση τάσης στο δίκτυο.

β) Κατά την εκκίνηση (αρχικά στις χαμηλές στροφές περιστροφής κινητήρα) η τιμή του Συντελεστή Ισχύος (cosφ) είναι ιδιαίτερα χαμηλή.

γ) Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του μηχανήματος, χωρίς δυνατότητα προσαρμογής των στροφών του κινητήρα στην καμπύλη του φορτίου, έχουμε χαμηλό συντελεστή ισχύος για φόρτιση μικρότερη του 100% (ιδανική συνθήκη).
Ενδεικτικά για φόρτιση 100% έχουμε Συντελεστή Ισχύος (cosφ) =0,9, για φόρτιση 75% έχουμε Συντελεστή Ισχύος (cosφ) =0,87, για φόρτιση 50% Συντελεστή Ισχύος (cosφ) =0,78 και για φόρτιση 25% Συντελεστή Ισχύος (cosφ) =0,6.

Τα ίδια προβλήματα παρουσιάζουν μηχανήματα που λειτουργούν με ασύγχρονους (επαγωγικούς) κινητήρες π.χ. για οικιακής καταναλώσεως ψυγεία και αντίστοιχα ψυκτικές μονάδες μεγαλύτερης ισχύος ή κεντρικές κλιματιστικές μονάδες.

Η ύπαρξη διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος ( inverters, soft starters κλπ), ανορθωτικών διατάξεων AC-DC και γενικότερα η ύπαρξη μη γραμμικών φορτίων επηρεάζει και αλλοιώνει την ημιτονοειδή μορφή της τάσης.
Αποτελέσματα της αλλοίωσης αυτής είναι η δημιουργία αρμονικών στο δίκτυο και η μη αποτελεσματική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας.

Οι αρμονικές που εγχέονται στο δίκτυο επηρεάζουν τον υπόλοιπο εξοπλισμό δημιουργώντας τα ακόλουθα προβλήματα:
α) αυξημένες απώλειες
β) θέρμανση κινητήρων, καλωδίων και μετασχηματιστών
γ) παρεμβολές σε ηλεκτρονικό εξοπλισμό και ευαίσθητες ηλεκτρονικές διατάξεις.


Αρδευτικά συστήματα άντλησης και επίδραση στις αιχμές

Σημαντικό μέρος της αύξησης των αιχμών του φορτίου του Συστήματος οφείλεται στα αρδευτικά συστήματα άντλησης.

Τα αρδευτικά συστήματα άντλησης έχουν σημαντικά μειωμένο τιμολόγιο κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Σύμφωνα με τις σχετικές συμβάσεις προμήθειας ηλεκτρικής ενέργειας, υφίσταται υποχρέωση των Πελατών αυτών να μην απορροφούν ηλεκτρική ενέργεια κατά τις ώρες αιχμής του φορτίου του Συστήματος, οι οποίες καθορίζονται από τη ΔΕΗ, δηλαδή το μειωμένο τιμολόγιο ισχύει μόνο για τις ώρες εκτός αιχμής του Συστήματος.

Ο περιορισμός αυτός υπεβλήθη αφενός για λόγους καλής λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος, και ιδίως μετά τη μετατόπιση της αιχμής του φορτίου του Συστήματος στο θέρος (μετά το 1992) και αφετέρου για σοβαρούς περιβαλλοντικούς λόγους, οι οποίοι έχουν να κάνουν με την εύλογη διαχείριση των υδάτινων πόρων.

Ειδικότερα, υπολογίζεται ότι, στην περίπτωση άρδευσης κατά τη διάρκεια της ημέρας, 40% του ύδατος εξατμίζεται πριν καταπέσει στο έδαφος, ενώ 20% της ποσότητας που πέφτει στο έδαφος εξατμίζεται πριν απορροφήσει από αυτό (ήτοι συνολικές απώλειες ύδατος άνω του 50%).

Αντιστάθμιση

Σκοπός της αντιστάθμισης είναι η μείωση της αέργου ισχύος που απορροφά μια ηλεκτρική εγκατάσταση από τη ΔΕΗ, έτσι ώστε η πραγματική ισχύς να πλησιάσει όσο το δυνατόν την φαινόμενη και άρα ο συντελεστής ισχύος να πλησιάσει τη μονάδα.

Η αντιστάθμιση επιτυγχάνεται κυρίως με τη χρήση πυκνωτών, που τοποθετούνται παράλληλα με τα επαγωγικά φορτία, έτσι ώστε η ενέργεια που είναι απαραίτητη για τη δημιουργία των μαγνητικών τους πεδίων να μην παλινδρομεί μεταξύ ΔΕΗ και εγκατάστασης αλλά μεταξύ των πηνίων και των πυκνωτών της ίδιας της εγκατάστασης.
Οι πυκνωτές δηλαδή παρέχουν στα πηνία την ενέργεια που χρειάζονται κατά τη φάση της δημιουργίας των μαγνητικών τους πεδίων και αποθηκεύουν την ενέργεια που επιστρέφουν τα πηνία όταν τα πεδία τους καταρρέουν για να τους την δώσουν ξανά στον επόμενο κύκλο δημιουργίας – κατάρρευσης κ.ο.κ.


Συμπέρασμα για τους βιομηχανικούς καταναλωτές

Σε βιομηχανικούς καταναλωτές (εργοστάσια, βιοτεχνίες), όπου τα ηλεκτρικά φορτία με συνφ < 1 είναι πολλά η ΔΕΗ χρησιμοποιεί δύο μετρητές ενέργειας.
Ο πρώτος μετρά τις kWh ακριβώς όπως στο σπίτι μας και ο δεύτερος μετρητής μετρά τις kVAR δηλ. την άεργο ισχύ.

Στο τέλος του μήνα η ΔΕΗ υπολογίζει το μέσο συνφ του καταναλωτή και αν είναι μεγαλύτερο από 0.95 τότε χρεώνει μόνο τις kWh.
Αν πάλι το συνφ είναι < 0.95, που είναι το σύνηθες, τότε ο καταναλωτής επιβαρύνεται (πρόστιμο) με επιπλέον ποσό, που είναι τόσο μεγαλύτερο όσο μικρότερο είναι το συνφ.

Για να ελαττώσει το ποσό αυτό, ο βιομηχανικός καταναλωτής κάνει αντιστάθμιση δηλ. μεγαλώνει το συνφ με τη βοήθεια πυκνωτών.
Οι πυκνωτές είναι συσκευές που έχουν την ιδιότητα όταν συνδεθούν στο δίκτυο (230/400V) να παράγουν άεργο ισχύ με σχεδόν μηδενικό κόστος.


Δες εδώ για ΤΡΟΠΟΙ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ
και εδώ για ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟ ΚΑΙ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ