Τι είναι Συντελεστής ισχύος? Βασικές πληροφορίες για τον συντελεστή ισχύος φωτισμού LED

Introductory

Ο συντελεστής ισχύος είναι ο λόγος της ωφέλιμης ισχύος (δηλ. το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος) προς τη φαινόμενη ισχύ και η τιμή του κυμαίνεται από 0 έως 1. Συνήθως, ο συντελεστής ισχύος του φωτισμού LED μπορεί να φτάσει το 0,95 ή ακόμη και το 0,97 έως 0,99, γι' αυτό και δεν τυγχάνει τόσο μεγάλης προσοχής στη βιομηχανία όσο άλλες παράμετροι (π.χ. φωτεινή απόδοση, ισχύς, φακοί κ.λπ.).

Ωστόσο, στην αγορά κυκλοφορούν ακόμη ορισμένοι παραδοσιακοί λαμπτήρες καθώς και ορισμένοι λαμπτήρες LED με χαμηλό συντελεστή ισχύος. Αυτά τα φωτιστικά επιβαρύνουν το δίκτυο με μεγαλύτερο φορτίο ρεύματος, απαιτώντας τη χρήση παχύτερων χάλκινων καλωδίων για τη μείωση της θέρμανσης υπερφόρτωσης της γραμμής και των προβλημάτων πτώσης τάσης, γεγονός που οδηγεί σε υψηλότερο κόστος κατασκευής δημοτικών εγκαταστάσεων. Παρά το γεγονός ότι ορισμένες χώρες και περιοχές χρεώνουν επιπλέον για την άεργο ισχύ, πιστεύουμε ότι είναι απαραίτητη η βελτίωση του συντελεστή ισχύος των παροχών ρεύματος.

Πριν από αυτό, πρέπει να κατανοήσουμε τι είναι ο συντελεστής ισχύος και τη σημασία του. Πρέπει επίσης να γνωρίζουμε κάτω από ποιες συνθήκες τα LED αποδίδουν καλύτερα όσον αφορά τον συντελεστή ισχύος, καθώς τα φωτιστικά LED δεν έχουν πάντα υψηλό συντελεστή ισχύος.

Τι είναι ο συντελεστής ισχύος;

Ο συντελεστής ισχύος είναι ο λόγος της ενεργού ισχύος (δηλαδή το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος) προς τη φαινόμενη ισχύ σε ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος. Αποτελεί σημαντική παράμετρο για τη μέτρηση της απόδοσης του ηλεκτρικού εξοπλισμού και της ποιότητας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η ενεργός ισχύς είναι η ισχύς στο σύστημα που χρησιμοποιείται πραγματικά για να κάνει έργο, ενώ η φαινόμενη ισχύς είναι η συνολική ισχύς του συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της ενεργού ισχύος και της άεργου ισχύος (ισχύς που προκαλείται από τη διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης, η οποία συνήθως δεν κάνει χρήσιμο έργο).

Με τον τύπο του συντελεστή ισχύος (συντελεστής ισχύος = ενεργός ισχύς / φαινόμενη ισχύς), γνωρίζουμε ότι η τιμή του συντελεστή ισχύος κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1, ο οποίος περιλαμβάνει και τον συντελεστή ισχύος του φωτισμού LED.

Για ένα αμιγώς ωμικό φορτίο, ο συντελεστής ισχύος είναι ίσος με 1, πράγμα που σημαίνει ότι η τάση και το ρεύμα είναι σε φάση. Αυτό σημαίνει ότι όλο το ρεύμα χρησιμοποιείται για να κάνει χρήσιμο έργο και δεν υπάρχει σπατάλη. Ωστόσο, για επαγωγικά φορτία (π.χ. κινητήρες, μετασχηματιστές κ.λπ.) και χωρητικά φορτία (π.χ. πυκνωτές κ.λπ.), το ρεύμα υστερεί ή υπερβαίνει την τάση, με αποτέλεσμα μέρος της ισχύος να μην αξιοποιείται αποτελεσματικά και ο συντελεστής ισχύος θα είναι μικρότερος από 1. Ένας χαμηλός συντελεστής ισχύος σημαίνει ότι υπάρχει μεγάλη ποσότητα άεργου ισχύος στο κύκλωμα, η οποία θα αυξήσει τις απώλειες τροφοδοσίας στη γραμμή και θα μειώσει τη χρήση του εξοπλισμού.

Επομένως, η βελτίωση του συντελεστή ισχύος συμβάλλει στη μείωση της κατανάλωσης ισχύος του δικτύου και στη βελτίωση της απόδοσης του εξοπλισμού και της ποιότητας της παροχής ισχύος. Στην πράξη, ο συντελεστής ισχύος μπορεί να βελτιωθεί μέσω της αντιστάθμισης της άεργου ισχύος, της βελτιστοποίησης του τρόπου λειτουργίας του εξοπλισμού και άλλων μέτρων.

Συντελεστής ισχύος φωτισμού LED - ενεργός και άεργος ισχύς

Γιατί μας απασχολεί ο συντελεστής ισχύος;

Ο συντελεστής ισχύος είναι ζωτικής σημασίας στα συστήματα ισχύος. Κατά τη γνώμη μας, η σημασία του αντικατοπτρίζεται κυρίως στις ακόλουθες πτυχές:

1. Αυξημένη χρήση ενέργειας:

Με μη διορθωμένο συντελεστή ισχύος (δηλαδή με πολύ χαμηλό συντελεστή ισχύος), υπάρχει μεγάλη απώλεια άεργου ισχύος στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η άχρηστη ισχύς δεν μετατρέπεται άμεσα σε χρήσιμη μηχανική ή θερμική ενέργεια όταν ρέει στο κύκλωμα, αλλά παράγει επιπλέον ρεύμα στον ηλεκτρικό εξοπλισμό. Αυτό το επιπλέον ρεύμα θερμαίνει τις αντιστάσεις στο εσωτερικό του εξοπλισμού, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας του εξοπλισμού. Αντίθετα, η βελτίωση του συντελεστή ισχύος μειώνει τις απώλειες άεργου ισχύος και έτσι αυξάνει την αξιοποίηση της ενέργειας.

2. Μείωση του φορτίου στο δίκτυο:

Η βελτίωση του συντελεστή ισχύος του φωτισμού LED μειώνει την άεργο ισχύ στο δίκτυο, μειώνοντας έτσι το φορτίο στο δίκτυο. Αυτό είναι απαραίτητο για τη σταθερή λειτουργία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και συμβάλλει στην αποφυγή προβλημάτων όπως η υπερφόρτωση και τα σφάλματα στο δίκτυο. Αντίθετα, ένας χαμηλός συντελεστής ισχύος μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολικό ρεύμα στο δίκτυο, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει τη σταθερότητα του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας.

3. Επηρεάζει την απόδοση του εξοπλισμού:

Ένας υψηλός συντελεστής ισχύος παρατείνει τη διάρκεια ζωής του ηλεκτρικού εξοπλισμού και μειώνει τη σπατάλη ενέργειας. Όταν ο συντελεστής ισχύος είναι πολύ χαμηλός, δημιουργείται μεγάλη ποσότητα άχρηστου έργου στο κύκλωμα, με αποτέλεσμα τη σοβαρή θέρμανση του ηλεκτρικού εξοπλισμού. Τόσο στον εξοπλισμό του δικτύου όσο και στον εξοπλισμό που χρησιμοποιεί ενέργεια δεν αρέσουν τα περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Η υπερβολική θερμοκρασία επιταχύνει τη γήρανση των εξαρτημάτων, οδηγώντας σε υποβάθμιση της απόδοσης ή ακόμη και σε βλάβη. Με άλλα λόγια, ο χαμηλός συντελεστής ισχύος όχι μόνο σπαταλά ενέργεια, αλλά προκαλεί και βλάβες στον εξοπλισμό.

Χαμηλός συντελεστής ισχύος λόγω διαφορετικών φορτίων

Ο χαμηλός συντελεστής ισχύος οφείλεται κυρίως στη χρήση επαγωγικών και χωρητικών στοιχείων. Ο εξοπλισμός μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε επαγωγικά και χωρητικά φορτία ανάλογα με τον αριθμό των επαγωγικών και χωρητικών στοιχείων. Ο εξοπλισμός με περισσότερα επαγωγικά στοιχεία είναι επαγωγικά φορτία, ενώ ο εξοπλισμός με περισσότερα χωρητικά στοιχεία είναι χωρητικά φορτία.

Αμιγώς ωμικά φορτία

Εκτός από τα επαγωγικά και τα χωρητικά φορτία, υπάρχουν ορισμένες συσκευές, συσκευές και λαμπτήρες που είναι αμιγώς ωμικά φορτία (δηλαδή, αμιγώς ωμικά φορτία). Αναφέρεται σε φορτία όπου το κύκλωμα περιέχει μόνο ωμικά στοιχεία. Όταν ενεργοποιείται, το κύκλωμα παράγει μόνο θερμότητα και φωτεινή ενέργεια και δεν μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλες μορφές ενέργειας. Σε ένα αμιγώς ωμικό φορτίο, το ρεύμα και η τάση μεταβάλλονται συγχρονισμένα, δηλαδή είναι σε φάση. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ του ρεύματος και της τάσης και επομένως ο συντελεστής ισχύος είναι ίσος με 1.

Ένα τυπικό παράδειγμα φορτίου με καθαρή αντίσταση είναι ένας λαμπτήρας πυράκτωσης. Όταν ανάβει ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως, η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται κυρίως σε θερμότητα και φως, όπου η θερμότητα παράγεται λόγω της διέλευσης του ρεύματος από ένα σύρμα αντίστασης. Δεδομένου ότι οι λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι φορτία αμιγώς αντίστασης, ο συντελεστής ισχύος τους είναι κοντά στο 1, πράγμα που σημαίνει ότι οι λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι σε θέση να χρησιμοποιούν αποτελεσματικά την ηλεκτρική ενέργεια και να τη μετατρέπουν σε φως/θερμότητα χωρίς να παράγουν πολλή άεργο ισχύ. Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει ότι οι λαμπτήρες πυράκτωσης έχουν την υψηλότερη απόδοση φωτισμού.

επαγωγικό φορτίο

Τα επαγωγικά φορτία είναι φορτία που περιέχουν μεγάλο αριθμό επαγωγικών στοιχείων στο κύκλωμα και αποτελούν μία από τις κύριες αιτίες χαμηλού συντελεστή ισχύος στον εξοπλισμό. Στα επαγωγικά φορτία περιλαμβάνονται οι κινητήρες, οι μετασχηματιστές, τα πηνία κ.λπ. που παράγουν μαγνητικό πεδίο κατά τη λειτουργία τους, το οποίο προκαλεί υστέρηση του ρεύματος σε σχέση με την τάση. Αυτή η υστέρηση προκαλεί διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης, η οποία μειώνει τον συντελεστή ισχύος. Ένα τυπικό παράδειγμα επαγωγικού φορτίου είναι οι λαμπτήρες HID, των οποίων τα ηλεκτρομαγνητικά ballasts είναι εγγενώς επαγωγικά, με αποτέλεσμα ο συντελεστής ισχύος να είναι συνήθως γύρω στο 0,7 ή και κάτω από 0,5. Οι λαμπτήρες LED εμπίπτουν επίσης σε αυτή την κατηγορία, αν και ο φωτισμός LED μπορεί να έχει συντελεστή ισχύος 0,97.

Επαγωγικά και χωρητικά φορτία

χωρητικό φορτίο

Τα χωρητικά φορτία είναι φορτία με μεγάλο αριθμό χωρητικών στοιχείων στο κύκλωμα. Σε αντίθεση με τα επαγωγικά φορτία, τα χωρητικά φορτία (όπως οι πυκνωτές) προκαλούν υπέρβαση της τάσης από το ρεύμα, βελτιώνοντας έτσι τον συντελεστή ισχύος. Ωστόσο, εάν η χωρητική αντίδραση είναι πολύ μεγάλη, ώστε να είναι μεγαλύτερη από την επαγωγική αντίδραση, τότε το ρεύμα θα υπερβεί την τάση κατά μεγάλη γωνία φάσης, γεγονός που οδηγεί και πάλι σε πτώση του συντελεστή ισχύος. Συχνά, πυκνωτές προστίθενται σε συσκευές όπως οι ελεγκτές LED για την αντιστάθμιση της άεργου ισχύος και τη βελτίωση του συντελεστή ισχύος του φωτισμού LED.

Βασικές αρχές του συντελεστή ισχύος

Στις δύο προηγούμενες ενότητες μάθαμε ότι η παρουσία επαγωγικών και χωρητικών στοιχείων στον εξοπλισμό μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του συντελεστή ισχύος του εξοπλισμού, ποιοι είναι όμως οι συγκεκριμένοι λόγοι; Παρακάτω εξηγούμε τις βασικές έννοιες με πιο γενικευμένο τρόπο.

Όταν σε μια συσκευή υπάρχουν επαγωγικά φορτία (δηλαδή εξαρτήματα που δημιουργούν μαγνητικά πεδία, όπως κινητήρες, μετασχηματιστές και πηνία), το ρεύμα που διέρχεται από αυτές τις συσκευές δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο για την αποθήκευση ενέργειας. Αν φανταστούμε το μαγνητικό πεδίο ως έναν κουβά και το ρεύμα ως νερό, όταν ανοίγουμε τη βρύση, το νερό αρχίζει να ρέει στον κουβά, αλλά ο κουβάς δεν γεμίζει αμέσως.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό χρειάζεται χρόνο για να ρέει και να γεμίσει έναν κουβά. Ομοίως, όταν ένα ρεύμα ρέει μέσα από ένα επαγωγικό φορτίο, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του φορτίου, αλλά αυτό το πεδίο χρειάζεται χρόνο για να δημιουργηθεί. Αυτό το ρεύμα λόγω της δημιουργίας του μαγνητικού πεδίου ονομάζεται “επαγωγικό αντιδραστικό ρεύμα”.

Αυτό το ρεύμα δεν μετατρέπεται στην πραγματικότητα σε χρήσιμη ενέργεια για το φορτίο, αλλά αποθηκεύεται στο μαγνητικό πεδίο. Υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ αυτού του ρεύματος και της τάσης, δηλαδή η τάση έχει αρχίσει να αλλάζει, αλλά το ρεύμα δεν έχει φτάσει ακόμη στο μέγεθος της αλλαγής της τάσης.

Στα επαγωγικά φορτία, τα στοιχεία αυτά (π.χ. ηλεκτροκινητήρες) μπορεί να οδηγήσουν σε αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο, παρόλο που ο ίδιος ο κινητήρας δεν καταναλώνει τόσο πολλή ενέργεια. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα επαγωγικά φορτία καταναλώνουν άεργο ισχύ επιπλέον της ενεργού ισχύος. Η άεργος ισχύς δεν χρησιμοποιείται άμεσα για την εκτέλεση έργου, αλλά για τη διατήρηση του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της συσκευής.

Λόγω της παρουσίας επαγωγικών φορτίων, το ρεύμα κυκλοφορεί στο σύστημα, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η συνολική ενέργεια (φαινόμενη ισχύς) στο σύστημα. Δεδομένου ότι τα επαγωγικά φορτία καταναλώνουν άεργο ισχύ, το δίκτυο πρέπει να παρέχει περισσότερο ρεύμα για να καλύψει τις ανάγκες του εξοπλισμού. Αυτό οδηγεί σε αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτύου, παρόλο που ο ίδιος ο κινητήρας δεν καταναλώνει τόσο πολλή ενέργεια.

Επομένως, η επίδραση της άεργου ισχύος πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό και τη λειτουργία επαγωγικών φορτίων για τη βελτίωση της απόδοσης του εξοπλισμού και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο.

Παράγοντες που επηρεάζουν τον συντελεστή ισχύος στον φωτισμό LED

Στις δύο προηγούμενες ενότητες, περιγράψαμε τι είναι ο συντελεστής ισχύος, γιατί είναι σημαντικός και πώς οι διαφορές του συντελεστή ισχύος επηρεάζουν το δίκτυο. Σε αυτή την ενότητα, εξηγούμε ποιοι παράγοντες επηρεάζουν τον συντελεστή ισχύος των φωτιστικών σωμάτων LED.

Χρήση τροφοδοτικών χαμηλότερης ποιότητας

Ως κύριο συστατικό του φωτιστικού, το τροφοδοτικό LED έχει σημαντικό αντίκτυπο στον συντελεστή ισχύος του λαμπτήρα LED. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στο τροφοδοτικό υπάρχουν περισσότερα επαγωγικά στοιχεία από οποιοδήποτε άλλο μέρος του φωτιστικού σώματος. Ωστόσο, οι ελεγκτές LED από διαφορετικούς κατασκευαστές τροφοδοτικών διαφέρουν σημαντικά ως προς την απόδοση του συντελεστή ισχύος τους.

Για παράδειγμα, ο συντελεστής ισχύος των τροφοδοτικών της σειράς Infinity EUM μπορεί να φθάσει το 0,97 ή και περισσότερο, ενώ ο συντελεστής ισχύος των τροφοδοτικών της σειράς MOSO MXG μπορεί να φθάσει μόνο το 0,95. Διαφορετικές σειρές ελεγκτών LED του ίδιου κατασκευαστή διαφέρουν επίσης σημαντικά όσον αφορά την απόδοση του συντελεστή ισχύος τους. Για παράδειγμα, το τροφοδοτικό D4i της Igor EBS-080S105BT2 μπορεί να φτάσει σε PF 0,98.

Κακώς διαμορφωμένη παροχή ρεύματος

Ο συντελεστής ισχύος του ίδιου τροφοδοτικού ποικίλλει σημαντικά σε διαφορετικές διαμορφώσεις φωτιστικών σωμάτων. Εδώ η διαμόρφωση του φωτιστικού εξαρτάται κυρίως από τον βαθμό προσαρμογής μεταξύ του φορτίου του φωτιστικού και του ελεγκτή LED. Από τον παρακάτω πίνακα βλέπουμε ότι όσο μικρότερο είναι το φορτίο του φωτιστικού, τόσο χειρότερη είναι η τιμή του PF. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το EUM-075S105DG, όταν το φορτίο του φωτιστικού είναι 72W (η συνολική ισχύς του φωτιστικού είναι 80W), το PF μπορεί να φτάσει το 0,97. Εάν το φορτίο του φωτιστικού μειωθεί στα 60W, το PF θα μειωθεί στο 0,96, και εάν συνεχίσει να μειώνεται στα 50W, το PF θα μειωθεί στο 0,95 ή και χαμηλότερα. Το σωστό πράγμα που πρέπει να κάνετε σε αυτό το σημείο είναι να χρησιμοποιήσετε το τροφοδοτικό EUM-050 για να ελέγξετε την αντίστοιχη μονάδα LED για να επιτύχετε μια καλύτερη τιμή PF.

Συντελεστής ισχύος του ελεγκτή LED

Χρήση της λειτουργίας dimming

Η λειτουργία dimming στα φωτιστικά LED χρησιμοποιείται ευρέως. Παρόλο που η εξασθένιση μπορεί να εξοικονομήσει ενέργεια, πρέπει επίσης να δώσουμε προσοχή στην επίδρασή της στον συντελεστή ισχύος (PF). Στο φωτισμό οδών, τα φώτα δρόμου LED θα μειώσουν την ισχύ για να ελαχιστοποιήσουν τον υπερφωτισμό όταν η κυκλοφορία μειώνεται μετά τα μεσάνυχτα. Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο φωτισμός αποθηκών, όπου τα βιομηχανικά φώτα LED ρυθμίζουν την ισχύ τους ανάλογα με την πληρότητα του χώρου (κατειλημμένος ή μη κατειλημμένος) για να μειώσουν τον περιττό φωτισμό.

Συνήθως, όταν η ζήτηση φωτισμού είναι χαμηλή, τα φωτιστικά LED μειώνουν την ισχύ αλλάζοντας την έξοδο του ελεγκτή LED για εξοικονόμηση ενέργειας, δηλαδή μειώνοντας την ισχύ εξόδου του ελεγκτή LED. Από το δεύτερο σημείο μπορούμε να καταλάβουμε ότι σε αυτή την περίπτωση, ο συντελεστής ισχύος των λαμπτήρων LED μπορεί να μειωθεί. Συνιστάται στην περίπτωση αυτή, η μείωση της ισχύος να μην υπερβαίνει τα 50%. Εάν η μείωση της ισχύος είναι μεγαλύτερη από 50%, απαιτείται ισορροπία μεταξύ της εξοικονόμησης ενέργειας και της τιμής του συντελεστή ισχύος.

Συνοψίστε το

Ο συντελεστής ισχύος είναι μια σημαντική παράμετρος για τον περιορισμό της άεργου ισχύος στον ηλεκτρικό εξοπλισμό, είναι ένας δείκτης της σύγκρισης μεταξύ πραγματικής, φαινόμενης και άεργου ισχύος στον εξοπλισμό. Οι ελεγκτές LED έχουν καλύτερες επιδόσεις όσον αφορά τον συντελεστή ισχύος λόγω της χρήσης ενός εσωτερικού διορθωτή συντελεστή ισχύος (PFC).

Οι διάφοροι προμηθευτές ελεγκτών LED έχουν διαφορετικές δυνατότητες σε αυτόν τον τομέα και οι κατασκευαστές φωτιστικών LED καλό είναι να τους διερευνήσουν. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να προσπαθήσουμε να αποφύγουμε τον χαμηλό συντελεστή ισχύος λόγω παράλογης διαμόρφωσης του φωτιστικού (πολύ χαμηλό φορτίο).

Επιπλέον, οι τιμές του συντελεστή ισχύος των φωτιστικών LED υπό πλήρες φορτίο και σε συστήματα εξασθένισης διαφέρουν σημαντικά. Ωστόσο, πιστεύουμε ότι ένας χαμηλότερος συντελεστής ισχύος φωτισμού LED δεν αποτελεί ζήτημα κατά τη διάρκεια της εξασθένισης σε σχέση με το ρεύμα εισόδου που καταναλώνεται.