ตัวเก็บประจุและตัวประกอบกำลัง: การแก้ไขทางวิศวกรรมที่ช่วยลดต้นทุนด้านพลังงาน

ตัวเก็บประจุและตัวประกอบกำลัง: ทำไม Classic Fix ถึงยังชนะ

ค่าตัวประกอบกำลังของโรงงานอยู่ต่ำกว่าเกณฑ์สัญญาของสาธารณูปโภค และการเรียกเก็บเงินรายเดือนก็เพิ่มขึ้นแม้ว่าการผลิตจะไม่เคยเปลี่ยนแปลงก็ตาม การแก้ไขที่ประหยัดที่สุดมักไม่ค่อยมีหม้อแปลงขนาดใหญ่ - เป็นธนาคารของตัวเก็บประจุที่มีขนาดเท่ากับโหลด ตัวเก็บประจุจ่ายกระแสรีแอกทีฟชั้นนำที่จะยกเลิกกระแสล้าหลังที่ดึงมาจากมอเตอร์และหม้อแปลงไฟฟ้า และตัวเก็บประจุจ่ายไฟแบบพาสซีฟ เชื่อถือได้ และมีค่าใช้จ่ายเพียงเล็กน้อยในการรื้อปรับระบบจ่ายไฟใหม่

สิ่งที่ Power Factor บอกคุณได้จริง

ตัวประกอบกำลังคืออัตราส่วนของกำลังงานต่อกำลังทั้งหมดที่ใช้ — กำลังจริงในหน่วยกิโลวัตต์ หารด้วยกำลังปรากฏในหน่วยกิโลโวลต์-แอมแปร์ ที่ค่าตัวประกอบกำลัง 1.0 ทุกแอมแปร์บนบิลจะมีประโยชน์ ที่ 0.7 ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ของกระแสจะไหลเวียนผ่านระบบโดยไม่สร้างแรงบิด ความร้อน หรือแสงสว่าง

การแยกจะชัดเจนขึ้นเมื่อคุณแยกปริมาณทั้งสาม:

• กำลังจริง (kW) — ส่วนที่ใช้หมุนมอเตอร์ ทำความร้อนส่วนประกอบ และขับเคลื่อนวงจรควบคุม
• กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ (kVAr) — ส่วนที่รองรับสนามแม่เหล็กในขดลวดมอเตอร์ แกนหม้อแปลง และโช้ก
• กำลังไฟฟ้าปรากฏ (kVA) — ผลรวมเวกเตอร์ของทั้งสอง และค่าที่ยูทิลิตี้ต้องแปลง สลับ และดำเนินการ

จุดสุดท้ายนั้นขับเคลื่อนเศรษฐกิจ สายเคเบิล หม้อแปลง และเบรกเกอร์มีหน่วยเป็น kVA เมื่อตัวประกอบกำลังลดลง กิโลวัตต์เดียวกันนั้นต้องการกิโลโวลต์-แอมแปร์เพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้กระแสเพิ่มขึ้น จะทำให้ I สูงขึ้น ² R สูญเสีย และบังคับอุปกรณ์ที่หนักกว่าเพื่อรับน้ำหนักที่มีประโยชน์เท่ากัน ดังนั้นระบบสาธารณูปโภคจึงใช้ค่าปรับที่ต่ำกว่าเกณฑ์สัญญา โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 0.85 ถึง 0.95 และค่าปรับจะเพิ่มขึ้นเมื่อค่าตัวประกอบกำลังลดลง

ความล่าช้ามาจากไหน

ผู้ร้ายคือโหลดอุปนัย มอเตอร์เหนี่ยวนำ หม้อแปลง เครื่องเชื่อม บัลลาสต์ และโช้คตัวกรองจะดึงกระแสไฟฟ้าที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าล่าช้า เนื่องจากสนามแม่เหล็กต้องใช้เวลาในการสร้างและพังทลายลง มุมเฟสระหว่างรูปคลื่นของกระแสและแรงดันคือ φ และ cos φ คือตัวประกอบกำลัง ยิ่งความล่าช้ายิ่งลึก โคไซน์ก็จะยิ่งต่ำ และกระแสหมุนเวียนก็จะยิ่งมากขึ้น

ตัวประกอบกำลังของมอเตอร์ไม่ใช่ตัวเลขคงที่ เมื่อโหลดเต็มที่ มอเตอร์เหนี่ยวนำส่วนใหญ่จะอยู่ระหว่าง 0.80 ถึง 0.88 ขณะทำงานอย่างประหยัด ลดมอเตอร์ตัวเดียวกันให้เหลือครึ่งหนึ่งของโหลด และตัวประกอบกำลังอาจลดลงต่ำกว่า 0.60 เนื่องจากกระแสแม่เหล็กจะคงที่โดยประมาณในขณะที่กระแสไฟฟ้าที่มีประโยชน์หดตัว มอเตอร์ขนาดใหญ่ที่ติดตั้ง "เพื่อความปลอดภัย" เป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของปัจจัยกำลังของโรงงานที่ต่ำอย่างเรื้อรัง

เหตุใดตัวเก็บประจุจึงเป็นวิธีการรักษา

ตัวเก็บประจุมีพฤติกรรมตรงกันข้าม ในตัวเก็บประจุแบบสะอาด แรงดันไฟนำไปสู่เกือบ 90° ดังนั้นตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบขนานกับโหลดแบบเหนี่ยวนำจึงสามารถยกเลิกกระแสรีแอกทีฟที่ล้าหลังภายในเครื่องได้ ก่อนที่จะถึงมิเตอร์ นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมมีการติดตั้งธนาคารแก้ไขที่ทางเข้าบริการ ที่แผงจ่ายไฟ หรือบนมอเตอร์ขนาดใหญ่โดยตรง กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟจะถูกแลกเปลี่ยน ณ จุดที่ยูทิลิตี้ทำการวัด

ตัวเก็บประจุไม่ได้สร้างพลังงานปฏิกิริยา โดยจะกักเก็บพลังงานไว้ครึ่งรอบและส่งคืนในรอบถัดไป ดังนั้นโหลดอุปนัยและตัวเก็บประจุจะแลกเปลี่ยนพลังงานรีแอกทีฟระหว่างกัน ในขณะที่แหล่งจ่ายจะเห็นเฉพาะส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ที่เหลืออยู่เท่านั้น

ทำไมตัวเก็บประจุมากกว่าตัวเหนี่ยวนำ? ตัวเหนี่ยวนำเปลี่ยนกระแสไปในทิศทางเดียวกันกับโหลดและทำให้ความล่าช้าลึกขึ้น ตัวเก็บประจุเป็นแบบพาสซีฟ แบบโมดูลาร์ และมีการบำรุงรักษาต่ำ: ส่วนธนาคารสามารถสลับเป็นขั้นตอนเพื่อติดตามโหลดที่เปลี่ยนแปลง และธนาคารที่ใช้อย่างเหมาะสมจะไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว วินัยที่แท้จริงเพียงอย่างเดียวคือการไม่ทำเกินกำลัง เนื่องจากตัวประกอบกำลังชั้นนำนำมาซึ่งบทลงโทษและความเสี่ยงจากแรงดันไฟฟ้าเกินในตัวมันเอง

การปรับขนาดธนาคารแก้ไข

เมื่อคุณมีตัวประกอบกำลังและเป้าหมายแล้ว การคำนวณจะมีขนาดกะทัดรัด:

Qc = P × (ตาล φ1 - ตาล φ2) โดยที่ Qc คือความจุที่ต้องการในหน่วย kVAr, P คือโหลดจริงในหน่วย kW และ φ1 และ φ2 คือมุมเฟสก่อนและหลังการแก้ไข ตารางด้านล่างแสดงตัวคูณการทำงานสำหรับเป้าหมาย 0.95 ซึ่งเป็นมูลค่าภาษีอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ถือเป็นแนวปฏิบัติที่ดี

ตัวอย่าง: โรงงานแห่งหนึ่งดึงพลังงาน 400 kW ที่ 0.70 ตัวประกอบกำลัง และต้องการ 0.95 ความจุที่ต้องการคือ 400 × 0.692 ñ 277 kVAr ผลลัพธ์นั้นคือจุดเริ่มต้น ไม่ใช่คำสุดท้าย การโหลดบางส่วนและฮาร์โมนิคที่มีอยู่จะเปลี่ยนขนาดในทางปฏิบัติ ดังนั้นระยะสุดท้ายจึงถูกกำหนดได้ดีที่สุดจากแคมเปญการวัดระยะสั้น แทนที่จะตรวจสอบแผ่นป้ายชื่อเดียว การแก้ไขมากเกินไปจนเป็น 1.0 พอดีถือเป็นข้อผิดพลาดในการกำหนดขนาดที่พบบ่อยที่สุด หน้าต่างการทำงานที่คุณต้องการจริงๆ คือประมาณ 0.95 ถึง 0.98

การเลือกฮาร์ดแวร์ตัวเก็บประจุที่เหมาะสม

ในด้านไฟฟ้ากระแสสลับ ธนาคารแก้ไขแบบดั้งเดิมใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับหน้าที่จ่ายไฟหลักอย่างต่อเนื่อง ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคมีโพลาไรซ์และต้องไม่วางบนสายไฟ AC โดยตรง อย่างไรก็ตาม ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่ การแก้ไขตัวประกอบกำลังส่วนใหญ่จะทำงานอยู่ โดยตัวแปลงจะกำหนดรูปร่างกระแสอินพุตให้เป็นไปตามแรงดันไฟฟ้า และตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคในดีซีลิงค์จะดูดซับการกระเพื่อมและรักษาแรงดันไฟฟ้าของบัสให้คงที่ นั่นคือจุดที่การเลือกผลิตภัณฑ์มีความสำคัญ และโครงสร้างของซัพพลายเออร์มีความสำคัญเมื่อใด

CD135 เทอร์มินัลแบบสกรูระลอกสูงตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติค สำหรับการใช้งาน DC-link ในแหล่งจ่ายไฟ PFC ตัวเก็บประจุที่ขั้วต่อแบบสกรูนี้จะจัดการกับกระแสกระเพื่อมที่สูง และให้เส้นทางความร้อนที่แข็งแกร่งผ่านทางเทอร์มินัล ซึ่งเหมาะกับไดรฟ์อุตสาหกรรมและอินเวอร์เตอร์ ดูผลิตภัณฑ์ →

ตัวเก็บประจุดีซีลิงค์ในแหล่งจ่ายไฟที่แก้ไขตัวประกอบกำลังจะมองเห็นสภาวะที่เรียกร้องได้สองสภาวะ: ส่วนประกอบระลอกคลื่นขนาดใหญ่ที่ความถี่หลักสองเท่า บวกกับกระแสความถี่สูงจากระยะสวิตช์ ทั้งก่อให้เกิดความร้อน และความร้อนจะทำให้อายุการใช้งานของส่วนประกอบลดลง สำหรับไดรฟ์อุตสาหกรรม อุปกรณ์เชื่อม และอินเวอร์เตอร์ขนาดใหญ่ ตัวเก็บประจุที่ขั้วต่อสกรูซึ่งมีอัตรากระแสริปเปิลสูงคือคำตอบตามปกติ และรูปแบบขั้วต่อจะสร้างเส้นทางระบายความร้อนที่แข็งแกร่งไปยังบัสบาร์หรือแผงระบายความร้อน ลักษณะการทำงานของอินเทอร์เฟซมีรายละเอียดอยู่ในนี้ คำแนะนำในการเลือกตัวเก็บประจุแบบขั้วต่อสกรู .

สำหรับระยะ PFC กำลังปานกลาง — ที่ชาร์จในตัว อุปกรณ์เครือข่าย ไดรฟ์ของเครื่องจักร — ขั้วต่อแบบสแน็ปอินเป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริง เนื่องจากติดตั้งบน PCB โดยตรง รับมือกับการกระเพื่อมได้มาก และรักษาอายุการใช้งานที่ยาวนานในตู้ที่จำกัด

CD295 ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคระลอกคลื่นสูงทนทาน ออกแบบมาสำหรับระยะ PFC กำลังปานกลาง ตัวเก็บประจุแบบสแน็ปอินนี้ให้อายุการใช้งานสูงสุด 5000 ชั่วโมง ความทนทานต่อการกระเพื่อมสูง และช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กว้าง ทำให้เชื่อถือได้สำหรับเครื่องชาร์จและไดรฟ์เครื่องจักร ดูผลิตภัณฑ์ →

ที่ปลายสุดของสเปกตรัม ตัวเก็บประจุเรเดียลโพลีเมอร์จะแลกเปลี่ยนความจุบางส่วนกับ ESR ที่ต่ำกว่าตามลำดับขนาด ในขั้นตอน PFC ที่มีกระแสกระเพื่อมสูงและพื้นที่บอร์ดแคบ ESR ที่ต่ำกว่าจะแปลเป็นการทำความร้อนภายในน้อยลงและรูปแบบการระบายความร้อนที่เรียบง่ายขึ้น

HLL ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคเรเดียลโพลีเมอร์ต่ำ ESR ด้วย ESR ต่ำและความสามารถในการกระเพื่อมสูงในแพ็คเกจโพลีเมอร์เรเดียลขนาดกะทัดรัด ตัวเก็บประจุนี้จึงลดการสร้างความร้อน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายไฟและวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า ดูผลิตภัณฑ์ →

ไม่ว่าเคมีจะเป็นอย่างไร ขั้นตอนการคัดเลือกยังคงเหมือนเดิม:

1. ยืนยันแรงดันไฟฟ้าบัสสถานะคงตัว และเลือกแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดให้สูงขึ้นอย่างน้อย 20%
2. วัดกระแสกระเพื่อมที่ความถี่การทำงาน ตัวเก็บประจุจะต้องเกินมันไม่ใช่แค่ตอบสนองมัน
3. ประมาณอายุการใช้งานจากเส้นโค้งกระแสระลอกคลื่นและอุณหภูมิแวดล้อม แทนที่จะเป็นพิกัดชั่วโมงที่ระบุ
4. จับคู่รูปแบบขั้วต่อเข้ากับการประกอบ: ขั้วต่อสกรูสำหรับโครงสร้างบัสบาร์, สแน็ปอินสำหรับการติดตั้ง PCB, โพลีเมอร์เรเดียลสำหรับสเตจ ESR ต่ำขนาดกะทัดรัด

ข้อผิดพลาดทั่วไปที่ทำให้อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุสั้นลง

ตัวเก็บประจุจะล้มเหลวตั้งแต่เนิ่นๆ เมื่อการใช้งานไม่ตรงกับคุณสมบัติทางเคมี ปัญหาภาคสนามส่วนใหญ่ย้อนกลับไปถึงสถานการณ์ที่สามารถหลีกเลี่ยงได้สี่สถานการณ์

บรรทัดล่าง

ตัวเก็บประจุแก้ไขตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเนื่องจากจ่ายกระแสไฟฟ้ารีแอกทีฟชั้นนำซึ่งจะยกเลิกกระแสล้าหลังที่ดึงมาจากโหลดอุปนัย การแก้ไขเป็นแบบพาสซีฟ แบบแยกส่วน และคืนทุนอย่างรวดเร็ว โดยมีเงื่อนไขว่าธนาคารจะต้องมีขนาดจากตัวประกอบกำลังที่วัดได้ และเก็บไว้ภายในหน้าต่าง 0.95 ถึง 0.98 ในกรณีที่มีการแก้ไขอยู่ - ภายในแหล่งจ่ายสวิตชิ่ง อินเวอร์เตอร์ และเครื่องชาร์จ - ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคในดีซีลิงค์เป็นส่วนประกอบที่ดูดซับการกระเพื่อมและค้ำจุนบัส ดังนั้นส่วนต่างแรงดันไฟฟ้า อัตราริปเปิล และอายุการใช้งานทางความร้อนจึงสมควรได้รับความสนใจเช่นเดียวกับการคำนวณ kVAr เอง

นั่นคือการเชื่อมต่อในทางปฏิบัติระหว่างตัวเก็บประจุและตัวประกอบกำลัง: ธนาคารแฝงจะทำให้ด้านกริดคมชัดขึ้น และตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะทำให้ด้านคอนเวอร์เตอร์มีความเสถียร หากคุณกำลังกำหนดข้อมูลจำเพาะของตัวเก็บประจุสำหรับการออกแบบ PFC ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคครบวงจร เป็นจุดเริ่มต้นที่ชัดเจนสำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับกระแสระลอก รูปแบบเทอร์มินัล และอายุการใช้งานที่คาดหวัง