Что такое Коэффициент мощности? Ключевая информация о коэффициенте мощности светодиодного освещения

Iвведение

Коэффициент мощности - это отношение полезной мощности (т.е. произведения напряжения и тока) к кажущейся мощности, и его значение колеблется от 0 до 1. Обычно коэффициент мощности светодиодного освещения может достигать 0,95 или даже 0,97-0,99, поэтому в промышленности ему уделяется не так много внимания, как другим параметрам (например, светоотдаче, мощности, линзам и т.д.).

Однако на рынке все еще присутствуют некоторые традиционные лампы, а также некоторые светодиодные лампы с низким коэффициентом мощности. Такие светильники создают большую токовую нагрузку на сеть, что требует использования более толстых медных проводов для снижения нагрева линии от перегрузок и проблем с падением напряжения, что приводит к увеличению затрат на муниципальное строительство. Несмотря на то, что в некоторых странах и регионах за реактивную мощность взимается дополнительная плата, мы считаем необходимым повышать коэффициент мощности источников питания.

Прежде чем это сделать, необходимо понять, что такое коэффициент мощности и какова его важность. Нам также необходимо знать, при каких обстоятельствах светодиоды лучше работают с точки зрения коэффициента мощности, поскольку светодиодные светильники не всегда имеют высокий коэффициент мощности.

Что такое коэффициент мощности?

Коэффициент мощности - это отношение активной мощности (т.е. произведения напряжения и тока) к кажущейся мощности в цепи переменного тока. Это важный параметр для измерения эффективности электрооборудования и качества энергосистемы. Активная мощность - это мощность системы, которая фактически используется для выполнения работы, в то время как кажущаяся мощность - это полная мощность системы, включающая активную мощность и реактивную мощность (мощность, вызванную разностью фаз между током и напряжением, которая обычно не выполняет полезной работы).

С помощью формулы коэффициента мощности (коэффициент мощности = активная мощность / кажущаяся мощность) мы знаем, что значение коэффициента мощности находится в диапазоне от 0 до 1, что также включает в себя коэффициент мощности светодиодного освещения.

Для чисто резистивной нагрузки коэффициент мощности равен 1, что означает, что напряжение и ток находятся в фазе. Это означает, что весь ток используется для выполнения полезной работы, и никаких потерь нет. Однако для индуктивных нагрузок (например, двигателей, трансформаторов и т. д.) и емкостных нагрузок (например, конденсаторов и т. д.) ток отстает или превышает напряжение, в результате чего часть мощности не используется эффективно, и коэффициент мощности будет меньше 1. Низкий коэффициент мощности означает, что в цепи присутствует большое количество реактивной мощности, что увеличивает потери в линии электропередачи и снижает коэффициент полезного использования оборудования.

Поэтому улучшение коэффициента мощности помогает снизить энергопотребление сети и повысить эффективность работы оборудования и качество электроснабжения. На практике коэффициент мощности может быть улучшен за счет компенсации реактивной мощности, оптимизации режима работы оборудования и других мер.

Коэффициент мощности светодиодного освещения - активная и реактивная мощность

Почему мы беспокоимся о коэффициенте мощности?

Коэффициент мощности имеет жизненно важное значение в энергосистемах. На наш взгляд, его важность в основном отражается в следующих аспектах:

1. Повышенное использование энергии:

При некорректируемом коэффициенте мощности (т.е. слишком низком коэффициенте мощности) в энергосистеме возникают большие потери реактивной мощности. Эта бесполезная мощность не преобразуется непосредственно в полезную механическую или тепловую энергию, когда она течет в цепи, но она создает дополнительный ток в электрооборудовании. Этот дополнительный ток нагревает резисторы внутри оборудования, тем самым увеличивая его энергопотребление. Напротив, улучшение коэффициента мощности снижает потери реактивной мощности и, таким образом, повышает эффективность использования энергии.

2. Снизить нагрузку на электросеть:

Улучшение коэффициента мощности светодиодного освещения снижает реактивную мощность в сети, тем самым уменьшая нагрузку на сеть. Это необходимо для стабильной работы энергосистемы и помогает избежать таких проблем, как перегрузка и сбои в сети. Напротив, низкий коэффициент мощности может привести к избыточному току в сети, что, в свою очередь, влияет на стабильность энергосистемы.

3. Влияет на производительность оборудования:

Высокий коэффициент мощности продлевает срок службы электрооборудования и снижает потери энергии. При слишком низком коэффициенте мощности в цепи генерируется большое количество бесполезной работы, что приводит к сильному нагреву электрооборудования. Как сетевое, так и энергопотребляющее оборудование не любит высокотемпературной среды. Повышенная температура ускоряет старение компонентов, что приводит к снижению производительности или даже повреждению. Другими словами, низкий коэффициент мощности не только расходует энергию, но и приводит к повреждению оборудования.

Низкий коэффициент мощности из-за различных нагрузок

Низкий коэффициент мощности в основном обусловлен использованием индуктивных и емкостных компонентов. Оборудование можно разделить на индуктивные и емкостные нагрузки в зависимости от количества индуктивных и емкостных элементов. Оборудование с большим количеством индуктивных элементов является индуктивной нагрузкой, а оборудование с большим количеством емкостных элементов - емкостной нагрузкой.

Чисто резистивные нагрузки

Помимо индуктивных и емкостных нагрузок, существует ряд устройств, приборов и ламп, которые являются чисто резистивными (т.е. чисто омическими нагрузками). Это относится к нагрузкам, в которых цепь содержит только резистивные компоненты. При подаче напряжения цепь выделяет только тепловую и световую энергию и не преобразует электрическую энергию в другие формы энергии. В чисто резистивной нагрузке ток и напряжение изменяются синхронно, т. е. находятся в фазе. Это означает, что между током и напряжением нет разности фаз, и поэтому коэффициент мощности равен 1.

Типичным примером чисто резистивной нагрузки является лампа накаливания. Когда горит лампа накаливания, электрическая энергия преобразуется в основном в тепло и свет, где тепло выделяется за счет прохождения тока через провод сопротивления. Поскольку лампы накаливания являются чисто резистивной нагрузкой, их коэффициент мощности близок к 1, что означает, что лампы накаливания способны эффективно использовать электрическую энергию и преобразовывать ее в свет/тепло без выработки большого количества реактивной мощности. Конечно, это не означает, что лампы накаливания имеют самую высокую светоотдачу.

индуктивная нагрузка

Индуктивные нагрузки - это нагрузки, которые содержат большое количество индуктивных компонентов в цепи и являются одной из основных причин низкого коэффициента мощности в оборудовании. К индуктивным нагрузкам относятся двигатели, трансформаторы, индукторы и т. д., которые во время работы генерируют магнитное поле, вызывающее отставание тока от напряжения. Это отставание вызывает разность фаз между током и напряжением, что снижает коэффициент мощности. Типичным примером индуктивной нагрузки являются лампы HID, электромагнитные балласты которых по своей сути являются индуктивными, что приводит к коэффициенту мощности, который обычно составляет около 0,7 или даже ниже 0,5. Светодиодные лампы также попадают в эту категорию, хотя коэффициент мощности светодиодного освещения может составлять 0,97.

Индуктивные и емкостные нагрузки

ёмкостная нагрузка

Емкостные нагрузки - это нагрузки с большим количеством емкостных элементов в цепи. В отличие от индуктивных нагрузок, емкостные нагрузки (например, конденсаторы) заставляют ток превышать напряжение, тем самым улучшая коэффициент мощности. Однако если емкостное сопротивление слишком велико, так что оно превышает индуктивное, то ток будет превышать напряжение на большой фазовый угол, что снова приведет к снижению коэффициента мощности. Часто конденсаторы добавляют в такие устройства, как светодиодные контроллеры, чтобы компенсировать реактивную мощность и улучшить коэффициент мощности светодиодного освещения.

Основы коэффициента мощности

В предыдущих двух разделах мы узнали, что наличие индуктивных и емкостных компонентов в оборудовании может привести к снижению коэффициента мощности оборудования, но каковы конкретные причины этого? Ниже мы объясним основные понятия в более обобщенном виде.

Когда в устройстве присутствуют индуктивные нагрузки (т.е. компоненты, создающие магнитное поле, например, двигатели, трансформаторы и индукторы), ток, проходящий через эти устройства, создает магнитное поле для накопления энергии. Если представить магнитное поле в виде ведра, а ток - в виде воды, то при включении крана вода начинает поступать в ведро, но наполняется оно не сразу.

Это происходит потому, что воде требуется время, чтобы вытечь и наполнить ведро. Точно так же, когда ток течет через индуктивную нагрузку, он создает внутри нее магнитное поле, но для создания этого поля требуется время. Ток, возникающий из-за создания магнитного поля, называется “индуктивным реактивным током”.

Этот ток фактически не преобразуется в полезную энергию для нагрузки, а накапливается в магнитном поле. Между этим током и напряжением существует разность фаз, то есть напряжение начало меняться, но ток еще не достиг величины изменения напряжения.

В индуктивных нагрузках эти компоненты (например, электродвигатели) могут привести к увеличению потребления энергии в сети, даже если сам двигатель не потребляет так много энергии. Это происходит потому, что индуктивные нагрузки потребляют реактивную мощность в дополнение к активной. Реактивная мощность используется не непосредственно для выполнения работы, а для поддержания магнитного поля внутри устройства.

Из-за наличия индуктивных нагрузок в системе циркулирует ток, что приводит к увеличению общей энергии (кажущейся мощности) в системе. Поскольку индуктивные нагрузки потребляют реактивную мощность, сеть должна подавать больше тока, чтобы удовлетворить потребности оборудования. Это приводит к увеличению энергопотребления сети, даже если сам двигатель не потребляет так много энергии.

Поэтому влияние реактивной мощности необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации индуктивных нагрузок для повышения эффективности оборудования и снижения энергопотребления сети.

Факторы, влияющие на коэффициент мощности в светодиодном освещении

В предыдущих двух разделах мы описали, что такое коэффициент мощности, почему он важен и как разница в коэффициентах мощности влияет на электросеть. В этом разделе мы объясним, какие факторы влияют на коэффициент мощности светодиодных светильников.

Использование источников питания низкого качества

Являясь основным компонентом светильника, блок питания светодиодов оказывает значительное влияние на коэффициент мощности светодиодной лампы. Это связано с тем, что в блоке питания больше индуктивных компонентов, чем в любой другой части светильника. Однако светодиодные контроллеры от разных производителей источников питания сильно отличаются по своим характеристикам коэффициента мощности.

Например, коэффициент мощности источников питания серии Infinity EUM может достигать 0,97 и даже выше, в то время как коэффициент мощности источников питания серии MOSO MXG - всего 0,95. Разные серии светодиодных контроллеров одного и того же производителя также сильно отличаются по показателям коэффициента мощности. Например, блок питания D4i от Igor EBS-080S105BT2 может достигать PF 0,98.

Плохо настроенный источник питания

Коэффициент мощности одного и того же источника питания сильно варьируется в различных конфигурациях светильников. Здесь конфигурация светильника в основном зависит от степени согласования между нагрузкой светильника и контроллером светодиодов. Из приведенной ниже таблицы видно, что чем меньше нагрузка светильника, тем хуже значение PF. Если взять в качестве примера EUM-075S105DG, то при нагрузке светильника 72 Вт (общая мощность светильника 80 Вт), PF может достигать 0,97. Если снизить нагрузку светильника до 60 Вт, то PF уменьшится до 0,96, а если продолжить снижение до 50 Вт, то PF снизится до 0,95 или даже ниже. На данном этапе правильнее всего использовать источник питания EUM-050 для управления соответствующим светодиодным модулем, чтобы получить лучшее значение PF.

Коэффициент мощности светодиодного контроллера

Использование функции регулировки яркости

Функция диммирования в светодиодных светильниках широко используется. Хотя регулировка яркости позволяет экономить энергию, необходимо также обратить внимание на ее влияние на коэффициент мощности (PF). При освещении проезжей части светодиодные уличные фонари снижают мощность, чтобы минимизировать пересвет при снижении интенсивности движения после полуночи. Другой пример - освещение складов, где светодиодные промышленные светильники регулируют свою мощность в зависимости от занятости помещения (занято или нет), чтобы уменьшить ненужное освещение.

Обычно, когда потребность в освещении низкая, светодиодные светильники снижают мощность, изменяя выход светодиодного контроллера для экономии энергии, то есть снижая выходную мощность светодиодного контроллера. Из второго пункта можно понять, что в этом случае коэффициент мощности светодиодных ламп может быть снижен. Рекомендуется, чтобы в этом случае снижение мощности не превышало 50%. Если снижение мощности превышает 50%, необходим баланс между энергосбережением и значением коэффициента мощности.

Подведите итоги

Коэффициент мощности - важный параметр для ограничения реактивной мощности в электрооборудовании, это показатель сравнения реальной, кажущейся и реактивной мощности в оборудовании. Светодиодные контроллеры работают лучше с точки зрения коэффициента мощности благодаря использованию внутреннего корректора коэффициента мощности (PFC).

Различные поставщики светодиодных контроллеров имеют разные возможности в этой области, и производителям светодиодных светильников рекомендуется изучить их. В то же время следует стараться избегать низкого коэффициента мощности из-за неразумной конфигурации светильника (слишком низкая нагрузка).

Кроме того, значения коэффициента мощности светодиодных светильников при полной нагрузке и в системах диммирования значительно различаются. Однако мы считаем, что более низкий коэффициент мощности светодиодных светильников не является проблемой при диммировании по отношению к потребляемому входному току.