Strona wykorzystuje pliki cookies. Korzystanie z serwisu oznacza zgodę na ich zapisywanie w pamięci twojego urządzenia zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Współczynnik mocy

Wszystkie układy przekształcające energię, w tym układy elektryczne, charakteryzuje efektywność energetyczna opisywana przez współczynnik mocy.

Odbiorniki prądu przemiennego pobierają energię czynną (P), która jest przetwarzana na pracę użyteczną oraz energię bierną (Q) pulsującą pomiędzy siecią odbiorczą i zasilającą. Energia bierna nie wykonuje pracy, jest natomiast potrzebna do wytwarzania strumieni elektromagnetycznych niezbędnych do działania wielu urządzeń elektrycznych takich jak silniki, transformatory, przekaźniki, lampy wyładowcze.

Innymi słowy misją mocy biernej jest tworzenie warunków – klimatu umożliwiającego funkcjonowanie urządzeń napędzanych elektrycznością.

moc-czynna-bierna-pozorna-analogiaWspółczynnik mocy – analogia kufla z piwem

Jak wiadomo, moc gaszenia pragnienia zawarta jest w złocistym płynie symbolizującym moc czynną (P). Jednak piwo, zwłaszcza w upalne dni, nalewane jest w określonych warunkach, np. pod presją kolejki oczekujących  
Nie ma możliwości, aby uniknąć powstawania pianki reprezentującej moc bierną (Q). Suma obu tych wielkości tworzy zawartość kufla, czyli moc pozorną (S).

Istotne w tym jest, żeby piana (Q) dodawała przyjemności z konsumpcji, ale też, żeby jej ilość mieściła się w rozsądnych granicach. Udział piwa – mocy czynnej, w zawartości kufla – mocy całkowitej, inaczej zwanej mocą pozorną, jest wielkością charakteryzującą efektywność układu.

PF = P / S = [piwo] / [piwo+pianka]
PF – ang., power factor – współczynnik mocy

Z tej zależności wynika, że im więcej mocy biernej (piany), tym niższy współczynnik mocy (PF). Z kolei, gdy udział piany (moc bierna – Q) w zawartości kufla (moc pozorna – S) zbliża się do zera, współczynnik mocy dąży do 1. Idealnie nalany kufel piwa, po opadnięciu piany, zawiera dokładnie tyle piwa, za ile zapłaciliśmy – współczynnik mocy wynosi wtedy 1.

Trójkąt mocy

Analogia z kuflem jest sporym uproszczeniem. W układach elektrycznych mamy do czynienia z bardziej złożonymi zależnościami pomiędzy wektorami mocy biernej (Q), mocy czynnej (P) i mocy pozornej (S). Aby je zilustrować posłużymy się rysunkiem obrazującym przeciąganie ciężkiego przedmiotu za pomocą liny.

trojkat-mocy_P-Q-SMoc użyteczna powodująca przesuwanie się ciężaru biegnie poziomo od miejsca zamocowania liny. Jednak warunki pracy – budowa fizyczna, a zwłaszcza wysokość ‚maszyny’ – powodują, że ciągnięcie liny poziomo wiązało by się z dużą niewygodą, o ile w ogóle byłoby możliwe.
Różnica pomiędzy pracą włożoną (funkcja mocy pozornej S), a wykonaną (funkcja mocy czynnej P) zamieniana jest na … wydzielanie ciepła oraz dodatkowe krople potu (funkcja mocy biernej Q)  

Wektory mocy czynnej, biernej i pozornej tworzą trójkąt mocy

Ponieważ moc czynna i bierna są przesunięte względem siebie fazowo o 90°, współczynnik mocy jest cosinusem kąta między mocą czynną i mocą pozorną, według wzoru:

PF = P / S = cos φ

Układ osiąga największą wydajność, gdy współczynnik mocy ma wartość 1 – wówczas praca włożona i praca wykonana są sobie równe. Taka idealna sytuacja nie występuje w praktyce – zawsze są jakieś straty, a najbliższe tej wartości są odbiorniki zbudowane w oparciu o oporniki, np. grzejniki oporowe.

Co powoduje, że współczynnik mocy jest zbyt niski?

Rozwój i powszechne wykorzystywanie urządzeń elektrycznych, które do swego działania potrzebują pola elektromagnetycznego (silniki indukcyjne, transformatory, lampy wyładowcze,…) stwarza duże zapotrzebowanie na moc bierną.
Wiele takich urządzeń pracuje pod obciążeniem niższym od nominalnego lub działa na biegu jałowym – nie wykonuje żadnej użytecznej pracy. Wtedy znaczenia nabierają proporcje pomiędzy pobieraną mocą bierną i mocą czynną, które opisuje parametr tangens fi:

Q / P = tg φ

Wracając do przykładu z przeciąganiem liną ciężkiego przedmiotu, przedstawiona powyżej sytuacja miała by miejsce przy ciągnięciu liny wyciągniętym pionowo w górę ramieniem. Rezultatem było by wydzielanie większej ilości potu, a zapewne także konieczność zastosowania droższej ‚maszyny’ o większej mocy znamionowej, żeby wykonać zadaną pracę.

Wynika stąd, że niepoprawnie zaprojektowany układ elektryczny zmusza do stosowania mocniejszych i droższych napędów, a także grubszych i droższych przewodów zasilających oraz innych elementów instalacji. Generuje przy tym zwiększone straty energii i niepotrzebne koszty eksploatacyjne.

Na szczęście w praktyce istnieje możliwość korygowania poboru energii biernej z sieci energetycznej:

Kompensacja mocy - zmagazynowanie i wielokrotne wykorzystanie energii biernej w odbiorczej sieci elektrycznej poprawia jej efektywność - współczynnik mocy (cos φ) oraz tg φ stosowany przez zakłady energetyczne do określania opłat za ponad umowny pobór energii biernej.