Динамический компенсатор мощности
Сие устройство явилось результатом работы дружного коллектива. Проект коммерческий, поэтому прошивку, схему и печатные платы не выкладываю.
Все началось с рекламы китайского «чудо устройства», которое позволяет экономить до 30% электроэнергии. Нам стало интересно, как это работает, и в один из дней на столе появилось это чудо инженерной мысли.
После разборки прибора все стало предельно понятно. В основе работы прибора лежит принцип компенсации реактивной мощности создаваемой индуктивной нагрузкой в сети.
ФИЗИКА.
Принцип работы подобных приборов прост и известен каждому электрику.
Потребляемая нагрузкой мощность в цепи переменного тока выражается формулой:
P=U*I*cosф , где U и I – действующие значения напряжения и тока, φ – угол сдвига фаз между ними.
При включении в сеть переменного тока приборов с чисто активной нагрузкой (лампы накаливания, обогреватели, утюги и т.д.) в цепи протекает ток, фаза которого совпадает с фазой напряжения (рисунок 1). При этом угол сдвига фаз = 0, и соответственно cosφ = 1.
Рисунок 1. Мощность в цепи переменного тока при включении активной нагрузки (U – напряжение, Iа – ток активной нагрузки, P – потребляемая мощность).
При включении в электрическую сеть, нагрузки с индуктивным сопротивлением (электродвигатели, трансформаторы электромагниты и т.д.) появляется фазовый сдвиг между током и напряжением, при этом ток отстает от напряжения на некоторый фазовый угол, и суммарная потребляемая мощность возрастает (рисунок 2). В сети, кроме совершающей полезную работу активной мощности протекает реактивная мощность, направленная только на создание магнитных полей в катушках и не совершающая полезной работы. Активная и реактивная мощности составляют полную мощность, при этом доля активной мощности по отношению к полной определяется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением – cosφ.
Рисунок 2. Мощность в цепи переменного тока при включении индуктивной нагрузки (U – напряжение, IL – ток индуктивной нагрузки, P – потребляемая мощность).
Уменьшить потери («скомпенсировать» индуктивную реактивную мощность), возможно подключив в электросеть переменного тока другие фазосдвигающие элементы – конденсаторы. Конденсатор сдвигает фазу тока в обратном направлении, то есть в цепи переменного тока с емкостной нагрузкой ток опережает напряжение (рисунок 3).
Рисунок 3. Мощность в цепи переменного тока при включенной емкостной нагрузке (U – напряжение, IC – ток при подключенной емкостной нагрузке, P – потребляемая мощность).
Для полной компенсации реактивной составляющей необходимо, чтобы соблюдалось условие XL = XC, то есть индуктивное сопротивление катушки должно равняться емкостному сопротивлению конденсатора (рисунок 4).
Рисунок 4. Мощность в цепи переменного тока при включенной индуктивной и емкостной нагрузке (U – напряжение, IL – ток при подключенной индуктивной нагрузке, IC – ток при подключенной емкостной нагрузке, Iрез – результирующий ток нагрузки, P – потребляемая мощность).
На промышленных предприятиях для компенсации реактивной составляющей применяют мощные компенсирующие конденсаторные установки.
ЭКОНОМИКА?
С физикой работы вроде разобрались, теперь давайте посмотрим на реальное устройство. Разобрав «китайское чудо» внутри находим следующую схему:
Считаем себестоимость:
· предохранитель F1 – 0,3 грн.;
· конденсатор С1 – 10 грн.;
· резисторы R1,R2-R4 – 4x0,04 грн.;
· варистор R2 – 0,55 гнр.;
следующий узел вообще не имеет смысла и нужен только для того, чтобы при включении горели светодиодики;
· конденсатор С2 – 0,45 грн.;
· диодный мост – 4х0,15 грн.;
· конденсатор С3 – 0,3 грн.;
· светодиоды LED1, LED2 – 2х0,2 грн. (для чего их два – непонятно…);
· корпус - 10 грн.;
ИТОГО: 22,76 грн.
Смотрим стоимость китайского устройства в интернет магазинах тут или тут…
Для тех, кто хочет экономить данным образом, предлагаю сходить на рынок и купить обычный бумажный конденсатор МБМ, емкостью 4-6 мкФ, рассчитанный на напряжение не ниже 600В. Обойдется он Вам в 5 - 10грн…
ЭКОНОМИЯ?
Возвращаясь к физике процесса, повторюсь, что реальная экономия будет только при условии, когда XL = XC.
НО! Допустим, что у пылесоса XL = 600 Ом, а cosφ = 0,92, у холодильника XL = 500 Ом, а cosφ = 0,90, у кондиционера производства СССР XL = 270 Ом, а cosφ = 0,87. То есть, получается, что для различных потребителей нужно подключать различные конденсаторы.
Допустим, что при включении холодильника, при подключенном конденсаторе возникает ситуация, когда XL = XC и достигается максимальная экономия. Тогда при включении кондиционера XL > XC и емкости конденсатора не будет хватать для полной компенсации реактивной составляющей. При включении пылесоса XL < XC и емкость конденсатора будет избыточной. То есть нагрузка будет иметь емкостной характер, и в цепи будет протекать реактивная мощность вызванная «компенсирующим» конденсатором.
Посчитаем время работы электроприборов:
· кондиционер – 10 минут, через 10 минут; за час 30 минут, за сутки – 12 часов;
· холодильник – 5 минут, через 15; за час 15 минут; за сутки – 6 часов;
· пылесос – 2 раза в неделю по 15 минут;
Все остальное время электроприборы выключены, но «китайское чудо» продолжает работать и продолжает создавать в сети реактивную мощность с емкостной составляющей.
Получается, что данный прибор не экономит, а наоборот потребляет дополнительную электроэнергию.
Ну и еще один немаловажный момент, о котором молчат «продаватели» данного девайса.
ВНИМАНИЕ! При работе устройства со старым электромеханическим счетчиком экономия электроэнергии = 0! Эти счетчики не учитывают реактивную составляющую…
Реактивную составляющую мощности учитывают только электронные счетчики, например типов Меркурий 230, ПСЧ-3АР, ПСЧ-3ТМ, ПСЧ-4ТМ, СЕ302, СЕ304, СЭБ-1TM, СЭТ3, СЭТ-4TM, ЦЭ6811, ЦЭ6812, ЦЭ6850М, и т.д.
ХВАЛИМ «СВОЕ БОЛОТО».
Решив разработать действительно работающее устройство, мы ставили перед собой следующие задачи:
· разработать устройство для бытовых целей (квартиры, магазины, кафе, автозаправки);
· разработать устройство динамической компенсации реактивной мощности;
· разработать устройство с высокой надежностью;
· разработать устройство с большой нагрузочной способностью;
· разработать устройство с минимальными размерами корпуса.
В основе работы устройства лежит тот же принцип компенсации реактивной мощности созданной индуктивной нагрузкой с помощью подключения параллельно нагрузке конденсаторов. Собрано устройство на микроконтроллере AVR. Поскольку для компенсации реактивной мощности требуется измерить cosφ, устройство подключается в разрыв цепи, сразу после счетчика или в разрыв ветви цепи (при большом количестве потребителей или большой потребляемой мощности).
Блок схема устройства показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Блок-схема динамического компенсатора мощности.
Микроконтроллер получает данные датчиков тока (DI) и напряжения (DU), и вычисляет реальный cosφ. В зависимости от вычисленного значения микроконтроллер (MCU) через ключи (К1-Кn) подключает конденсатор (С1-Сn) определенной емкости параллельно нагрузке. Уровень скомпенсированной реактивной мощности выводится на линейку светодиодов (LED).
При чисто активной нагрузке (лампы накаливания, нагревательные элементы) и при отсутствии нагрузки (выключены все потребители) и при появлении реактивной мощности вызванной емкостной составляющей в нагрузке (импульсные блоки питания ПК и электронной аппаратуры), устройство либо снижает емкость конденсатора подключенных параллельно нагрузке, либо полностью их отключает. Таким образом достигается максимальная динамическая компенсация реактивной мощности, вызванной использованием приборов и индуктивной нагрузкой.
Электрическая схема прибора защищена плавким предохранителем. В случае выхода прибора из строя, вся проводка останется подключенной к электросети. Корпус прибора выполнен из негорючего ABS пластика. В качестве датчика тока применен не интегральный цифровой датчик, а трансформатор тока. «Проходной» провод выполнен из медного одножильного кабеля сечением 6мм2. Для защиты электросети и самого прибора от резких бросков напряжения применен мощный варистор.
Устройство выполнено в корпусе размерами 106х90х55мм и предназначено для установки на DIN-рейку.
ВНИМАНИЕ! Повторюсь еще раз для тех, кто читал невнимательно.
Устройство не экономит электроэнергию при работе обычных ламп накаливания, утюгов, ТЭНов, анодных котлов или бойлеров. Если у Вас установлен электромеханический счетчик старого образца, прибор не даст реальной экономии.