Какой косинус фи у компьютера
Обновлено: 03.07.2024
25 августа 2015 k-igor
При расчете электрических нагрузок мы постоянно сталкиваемся с необходимостью выбора коэффициентов мощности для различных электроприемников. В данной статье хочу рассказать, как выбрать cosϕ и чем руководствоваться в таких случаях.
Чтобы правильно выбрать cosϕ и правильно рассчитать ток самый верный способ – посмотреть в паспорт на оборудование либо руководство по эксплуатации. Лично я очень редко туда заглядываю, т.к. не всегда паспорта имеются под рукой, поэтому пойдем по другому пути.
Проектировщик любое свое решение должен подкреплять требованиями нормативных документов. Кое-что можно найти в ТКП 45-4.04-149-2009 (п.8.1.15, 8.2.18) и СП 31-110-2003 (п.6.12, 6.30).
Также советую иметь у себя:
1 Выбор коэффициента мощности для освещения.
Для освещения выбрать cosϕ проще всего.
Коэффициент мощности зависит от типа лампы. У ламп накаливания он 1,0, у люминесцентных – 0,92; у ДРЛ, ДРИ, МГЛ — 0,85; у светодиодных – до 0,98.
При проектировании наружного освещения и промышленных объектов cosϕ лучше выбирать из каталогов производителей светильников, поскольку они могут немного колебаться от приведенных значений. Не стоит брать коэффициент мощности больше 0,92 для освещения, несмотря на то, что в каталогах можно встретить и 0,96, и 0,98. Пусть будет небольшой запас, поскольку заказчик может купить светильник совсем другого производителя и лучше ориентироваться на требования нормативных документов. Лучше бы производители указывали и потребляемый ток светильников, поскольку часть электроэнергии теряется в ПРА.
Для освещения у меня 3 значения: 1,0; 0,92 и 0,85.
2 Выбор коэффициента мощности для силовых электроприемников.
Коэффициент мощности для электроприемников, которые не нашел ТНПА я выбираю исходя из режима работы и наличия двигательной нагрузки. Если не знаешь cosϕ для силового оборудования — принимай 0,8 =) Например, лифты, подъемные механизмы имеют cosϕ около 0,65.
Если мощность ЭП не превышает пару кВт, то не правильно выбранный cosϕ не значительно повлияет на расчетный ток.
Для мощных ЭП при выборе коэффициента мощности нужно относиться более ответственно, а также для однотипного оборудования имеющегося в большом количестве.
2.1 Выбор коэффициента мощности для электронно-вычислительной техники.
Отдельным пунктом следует выделить компьютерное оборудование. В проектах для ЭВМ я принимаю cosϕ=0,7. У некоторых он может быть чуть выше, все зависит здесь от блока питания.
2.2 Выбор коэффициента мощности для холодильного оборудования.
Коэффициенты мощности для холодильного оборудования нужно принимать в зависимости от мощности. У данного оборудования cosϕ от 0,65 до 0,85. Например, у моего холодильника cosϕ=0,85, хотя по ТНПА нужно принимать 0,65. cosϕ=0,75 – среднее значение для всех холодильных установок.
2.3 Выбор коэффициента мощности для нагревательного оборудования.
Чайники, электрические плиты, водонагреватели и другие электронагревательные ЭП имеют коэффициент мощности близкий к 1,0.
Наверняка многие из вас видели на компьютерном блоке питания таинственные буквы «PFC». Сразу скажем, что на самых дешевых блоках этих букв, скорее всего, не будет. Хотите, я открою вам эту страшную тайну? Внимайте!
Что такое PFC?
PFC – это аббревиатура от слов Power Factor Correction (коррекция коэффициента мощности). Перед тем, как расшифровать этот термин, вспомним какие бывают виды мощности.
Активная и реактивная мощность
Еще в школьном курсе физики нам рассказывали, что мощность бывает активная и реактивная.
Активная мощность делает полезную работу, в частности, выделяясь в виде тепла.
Классический примеры — утюг и лампа накаливания. Утюг и лампочка — почти чисто активная нагрузка, напряжение и ток на такой нагрузке совпадают по фазе.
Но существует и нагрузка с реактивностью — индуктивная (электродвигатели) и емкостная (конденсаторы). В реактивных цепях существует сдвиг фаз между током и напряжением, так называемый косинус φ (Фи).
Ток может отставать от напряжения (в индуктивной нагрузке) или опережать его (в емкостной нагрузке).
Реактивная мощность не производит полезной работы, а только болтается от генератора к нагрузке и обратно, бесполезно нагревая провода.
Это означает, что проводка должна иметь запас по сечению.
Чем больше сдвиг фаз между током и напряжением, тем большая часть мощности бесполезно рассеивается на проводах.
Реактивная мощность в блоке питания
В компьютерном блоке питания после выпрямительного моста стоят конденсаторы достаточно большой емкости. Таким образом, присутствует реактивная составляющая мощности. Если компьютер используется дома, то обычно проблем никаких не возникает. Реактивная мощность обычным бытовым счетчиком электроэнергии не фиксируется.
Но в здании, где установлена сотня или тысяча компьютеров, учитывать реактивную мощность необходимо!
Однако излишней нагрузкой на провода дело не ограничивается!
В самом блоке питания ток через входные высоковольтные диоды протекает в виде коротких импульсов. Ширина и амплитуда этих импульсов может меняться в зависимости от нагрузки.
Большая амплитуда тока неблагоприятно влияет на высоковольтные конденсаторы и диоды, сокращая срок их службы. Если выпрямительные диоды выбраны «впритык» (что часто бывает в дешевых моделях), то надежность всего блока питания еще более снижается.
Как осуществляется коррекция коэффициента мощности?
Для борьбы со всеми этими явлениями и используют устройства, повышающие коэффициент мощности.
Они делятся на активные и пассивные.
Пассивная схема PFC представляет собой дроссель, включенный между выпрямителем и высоковольтными конденсаторами.
Дроссель — это индуктивность, обладающая реактивным (точнее, комплексным) сопротивлением.
Характер ее реактивности противоположен емкостному сопротивлению конденсаторов, поэтому происходит некоторая компенсация. Индуктивность дросселя препятствует нарастанию тока, импульсы тока слегка растягиваются, их амплитуда уменьшается.
Однако косинус φ повышается незначительно и большого выигрыша по реактивной мощности не происходит.
Для более существенной компенсации применят активные схемы PFC.
Активная схема повышает косинус φ до 0,95 и выше. Активная схема содержит в себе повышающий преобразователь на основе индуктивности (дросселя) и силовых коммутирующих элементов, которые управляются отдельным контроллером. Дроссель периодически то запасает энергию, то отдает ее.
На выходе PFC стоит фильтрующий электролитический конденсатор, но меньшей емкости. Блок питания с активной PFC менее чувствителен к кратковременным «провалам» питающего напряжения, что является преимуществом. Однако применение активной схемы удорожает конструкцию.
В заключение отметим, что наличие PFC в конкретном питающем блоке можно идентифицировать по буквам «PFC” или «Active PFC”. Однако могут быть случаи, когда надписи не соответствуют действительности.
Однозначно судить о наличии пассивной схемы можно по наличию достаточно увесистого дросселя, а активной — по наличию еще одного радиатора с силовыми элементами (всего их должно быть три).
Мощность одна из основных характеристик, принимаемых во внимание при выборе источника бесперебойного питания (ИБП). При ее определении, следует учитывать особенности нагрузки.
Покупка ИБП, мощность которого превышает ваши потребности, означает трату денег впустую. Однако недооценка необходимой мощности системы бесперебойного электропитания чревата потерей нагрузки, что совершенно недопустимо. Как максимально точно рассчитать эту характеристику?
Для этого следует знать коэффициент мощности нагрузки (Power Factor, P), который определяет, какая часть мощности, предоставляемой источником электроэнергии, действительно потребляется оборудованием (активная мощность). Если нагрузка ведет себя как идеальное сопротивление, она поглощает всю подаваемую на нее мощность, то есть P=1. Идеальная емкость (конденсатор) или индуктивность (катушка) вообще не потребляют активной мощности (Р=0), поскольку не преобразуют электрическую энергию в другие ее виды. В течение одной четверти периода синусоиды энергия запасается в магнитном поле катушки или в электрическом поле конденсатора, а на протяжении другой – возвращается в сеть. Таким образом, в данном случае имеет место лишь рециркуляция энергии, а сопротивления катушки и конденсатора, в отличие от активного сопротивления резистора, называют реактивным.
В реальной жизни ничего идеального не существует, поэтому и значение коэффициента мощности нагрузки обычно находится в интервале от 0 до 1. В общем случае P вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности (она измеряется в ваттах, Вт) к полной поступающей мощности (измеряется в вольт-амперах, ВА):
коэффициент мощности (Р) = активная мощность (Вт)/полная мощность (ВА).
При наличии только гармонических искажений коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением, поэтому его часто обозначают cos φ. Нагрузка с преобладанием емкостной составляющей характеризуется опережающим коэффициентом мощности (cos φ положительный), а индуктивная нагрузка — отстающим (cos φ отрицательный).
Основной нагрузкой для ИБП являются ПК и серверы. В блоки питания этих устройств устанавливается выпрямитель с фильтром в виде конденсатора, поэтому они обладают определенной емкостной составляющей. Коэффициент мощности простейших блоков питания, используемых в дешевых ПК, может не превышать 0,6 — это означает, что лишь 60% подаваемой источником полезной мощности идет в дело. В действительности для типичных ПК ситуация не столь плоха — их коэффициент мощности составляет обычно 0,8, соответственно, большинство ИБП малой мощности проектируются с расчетом на обслуживание такой нагрузки.
Что касается современных серверов, систем хранения данных и сетевого оборудования (коммутаторы, маршрутизаторы), то здесь дело обстоит еще лучше. В них используются блоки питания с функцией коррекции коэффициента мощности, поэтому его значение приближается к 1. Но в расчетах все же лучше считать такое оборудование нагрузкой с небольшой емкостной составляющей, а коэффициент мощности принимать равным 0,95.
А вот кондиционеры, которые часто тоже защищают с помощью ИБП, представляют собой уже нагрузку с индуктивной составляющей, что связано с наличием электродвигателей в их компрессорах. Коэффициент мощности этого оборудования обычно находится в интервале от 0,6 до 0,8 (см. Таблицу 1).
Как оценить средний коэффициент мощности нагрузки, состоящей из разнотипного оборудования? Предположим, в офисе установлено следующее оборудование:
Тогда для определения усредненного коэффициента вначале рассчитывается усредненное отклонение Р от единицы:
Таким образом, нагрузка будет иметь индуктивный характер с P=0,95.
ДВА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
В спецификации почти любого ИБП указан его входной коэффициент мощности. Этот параметр не имеет никакого отношения к выходному коэффициенту и определяет то, как сам ИБП (как нагрузка) ведет себя по отношению к внешней сети. В современных ИБП, где выпрямитель построен на основе транзисторов IGBT, входной коэффициент мощности близок к единице, а значит, источник ведет себя практически как идеальное активное сопротивление и почти не вносит искажений во внешнюю сеть. Значение входного P полностью зависит от схемотехники ИБП.
Выходной коэффициент мощности для ИБП определяется подключенной к нему нагрузкой. Зная эту характеристику (наряду с полной мощностью в ВА), можно, умножив одно на другое, получить максимальную мощность в Вт, которую источник способен обслужить. Если коэффициент мощности нагрузки окажется больше указанного для ИБП, последний все равно не сможет превысить рассчитанную приведенным выше способом мощность в Вт, а значит, не обеспечит максимального значения ВА.
Обратимся опять к примеру. Пусть имеется ИБП номинальной мощностью 60 кВА, рассчитанной для нагрузки с коэффициентом мощности 0,9. Максимальная активная мощность, которую он может обслужить, составляет 54 кВт:
Нагрузку с указанной полной мощностью, но меньшим Р, например 0,8, он обслужит без проблем:
Как уже упоминалось, коэффициент мощности многих типов современного ИТ- и телекоммуникационного оборудования приближается к 1, поэтому здесь надо быть очень внимательным. Чтобы не ошибиться, многие специалисты сегодня при выборе ИБП предпочитают руководствоваться его выходной мощностью в Вт.
Если вы затрудняетесь в определении коэффициента Р, то для полной гарантии следует выбирать ИБП, мощность которого в Вт была бы больше характеристики нагрузки в ВА. Но в этом случае возможно существенное завышение мощности ИБП. Для более точного расчета следует сначала вычислить суммарную величину нагрузки (в ВА), затем ее усредненный Р, после чего, умножив оба значения, получить значение в Вт. Мощность ИБП в Вт не должна быть ниже характеристики нагрузки, выраженной в тех же единицах измерения.
ЕЩЕ ДВА ФАКТОРА
Важной характеристикой нагрузки служат еще два коэффициента: Crest Factor и Surge Factor. Первый из них в русскоязычной документации часто именуют пик-коэффициентом (или пик-фактор). Он определяется отношением максимального (пикового) значения тока к его среднеквадратичному (RMS) значению. Для волн прямоугольной формы пик-фактор равен единице, для идеальной синусоиды – 1,414 (√2).
Хотя мы назвали пик-фактор «характеристикой нагрузки», на самом деле на его значение влияют и характеристики источника электропитания. Импульсные блоки питания компьютеров потребляют ток очень неравномерно, поэтому для них пик-фактор обычно составляет от 2 до 3. Но это в том случае, если на нагрузку поступает чистая синусоида. Если же ИБП выдают ступенчато аппроксимированную синусоиду (что типично для источников мощностью менее 1 кВт), то пик-фактор оказывается менее 2 (обычно от 1,4 до 1,9). В целом же использование ИБП, сетевых фильтров и устройств подавления импульсных помех способствует снижению пик-фактора. Это, безусловно, положительный момент, поскольку высокий пик-фактор (большой ток) приводит к сильному нагреву элементов систем электропитания.
Большинство ИБП при полной нагрузке способны поддерживать пик-фактор 3 (при снижении нагрузки значение этой характеристики увеличивается), поэтому обычно проблем не возникает. Даже если источник не обеспечивает необходимое пиковое значение тока, то, как правило, работа блока питания нагрузки не нарушается, возможны лишь небольшие искажения формы электрического сигнала. Однако в крупных инсталляциях (например, когда ИБП обслуживает большое число ПК) такие искажения могут оказаться настолько значительными, что способны привести к нарушению функционирования нагрузки. Поэтому желательно, чтобы пик-фактор, поддерживаемый ИБП, не оказался ниже пик-фактора нагрузки.
Для расчета среднего пик-фактора нагрузки, состоящей из разнотипного оборудования, можно порекомендовать тот же способ, что и для расчета среднего коэффициента мощности. Обратимся к нашему примеру:
Усредненный пик-фактор можно вычислить так:
Если заявленный в характеристиках ИБП пик-фактор больше указанного значения, то проблем не будет.
Значение Surge Factor (к сожалению, устоявшегося рускоязычного термина для этой характеристики нет) определяет то, насколько пусковой ток, потребляемый нагрузкой, превышает его номинальное значение. Например, для запуска электродвигателя требуется большой пусковой момент, поэтому компрессоры холодильных установок при включении потребляют ток, в несколько раз превышающий номинальный (см. Таблицу 1). Пусковой ток системы освещения, использующей обычные лампы накаливания, тоже может значительно превосходить его номинальное значение. Дело в том, что удельное электрическое сопротивление вольфрама, из которого изготавливают нити накаливания, в значительной степени зависит от температуры: при 20°C его значение составляет 55×10 -9 Ом×м, при 1727°C — 557х10 -9 Ом×м. Соответственно, пусковой ток будет примерно в 10 раз превосходить номинальный.
Что касается компьютеров и серверов, то для них значение Surge Factor обычно не превышает 1,5, и большинство ИБП имеют достаточную перегрузочную способность, чтобы гарантировать надежное включение и стабильную работу этих устройств. Если же в составе нагрузки имеется оборудование с большим пусковым током, то перегрузочную способность выбираемого ИБП следует изучить самым тщательным образом.
Проанализировав рассмотренные в статье факторы, не забудьте еще и о том, что для обеспечения устойчивой работы оборудования мощность ИБП следует выбирать «с запасом» – больше требуемой на 15-25%.
Однако люди далекие от электротехники и позабывшие школьные уроки физики, не совсем понимают, что же означает данный параметр и зачем он вообще нужен.
У другого провода вообще нет никакого потенциала. Соответственно между этими двумя проводниками будет разность потенциалов, т.к. у одного он есть, а у другого его нет.
Эту разность потенциалов как раз таки и принято называть напряжением.
Если вы соедините кончики двух проводов не непосредственно между собой, а через лампочку накаливания, то через ее вольфрамовую нить начнет протекать ток. От одного провода к другому.
В какой-то момент он его достигает и держится на этом уровне постоянно. То же самое будет, если подключить не одну, а две, три лампочки и т.д.
А что случится, если вместе с лампой последовательно включить катушку, намотанную из множества витков проволоки?
Изменится ли как-то процесс нарастания тока? Конечно, да.
Данная катушка индуктивности, заметно затормозит время увеличения тока от нуля до максимума. Фактически получится, что максимальное напряжение (разность потенциалов) на лампе уже есть, а вот ток поспевать за ним не будет.
Его нарастание слишком медленное. Из-за чего это происходит и кто виноват? Виноваты витки катушки, которые оказывают влияние друг на друга и тормозят ток.
Если у вас напряжение постоянное, например как в аккумуляторах или в батарейках, ток относительно медленно, но все-таки успеет дорасти до своего номинального значения.
Эти постоянные колебания не дают нашему току, проходящему сквозь катушку, достигнуть своего установившегося значения и догнать таки напряжение. Только он будет подбираться к этой величине, а напряжение уже начинает падать.
Причем, чем больше в катушке намотано витков, тем большим будет это самое запаздывание.
А связано это таким образом, что данное отставание тока измеряется углом поворота. Полный цикл синусоиды или волны, который она проходит от нуля до нуля, вместив в себя максимальное и минимальное значение, измеряется в градусах. И один такой цикл равен 360 градусов.
А вот угол отставания тока от напряжения, как раз таки и обозначается греческой буквой фи. Значение косинуса этого угла опаздывания и есть тот самый cos ϕ.
Таким образом, чем больше ток отстает от напряжения, тем большим будет этот угол. Соответственно косинус фи будет уменьшаться.
По научному, ток сдвинутый от напряжения называется фазовым сдвигом. При этом почему-то многие уверены, что синусоида всегда идеальна. Хотя это далеко не так.
В качестве примера можно взять импульсные блоки питания.
Однако, чтобы все не усложнять, чаще всего под понятием коэфф. мощности имеют в виду только лишь один косинус фи.
На практике, данный коэффициент мощности рассчитывают не при помощи угла сдвига фаз, а отношением активной мощности к полной.
Она здорово помогает производить определенные вычисления с ними. Например, наглядно показывает отношение длин прилежащего катета (P-активная мощность) к гипотенузе (S-полная мощность).
То есть, зная угол сдвига, можно узнать, сколько активной мощности содержится в полной. Чем меньше этот угол, тем меньше реактивной составляющей находится в сети, и наоборот.
Более подробно, с графиками, рисунками и простыми словами, без особых научных формулировок обо всем этом говорится в ролике ниже.
- во-первых, это повышенное потребление электроэнергии
Часть энергии будет просто "болтаться" в катушке, при этом не принося никакой пользы. Правда не пугайтесь, ваш бытовой счетчик реактивную энергию не считает и платить вы за нее не будете.
Например, если вы включите в розетку инструмент или светильник с полной мощностью 100Ва, на блоке питания которого будет указано cos ϕ=0,5. То прибор учета накрутит вам только на половину от этой величины, то есть 50Вт.
Зато по проводам питания будет проходить вся нагрузка, разогревая их бесполезной работой.Вот известное наглядное видео, демонстрирующее последствия этого для проводки.
- для эл.станций и трансформаторов оно вредно перегрузкой
Казалось бы, выбрось катушку и вся проблема исчезнет. Однако делать этого нельзя.
В большинстве светильников, лампы работают не отдельно, а в паре с источниками питания. И в этих самых источниках, как раз таки присутствуют разнообразные катушки.
Катушки просто необходимы как функциональная часть всей схемы и избавиться от них не получится. Например в тех же дроссельных лампах ДРЛ, ДНАТ, люминесцентных и т.п.
Поэтому характеристика коэфф. мощности, здесь больше относится к блоку питания, нежели к самой лампе. Данный cos ϕ может принимать значение от ноля до единицы.
Ноль означает, что полезная работа не совершается. Единица - вся энергия идет на совершение полезной работы.
Чем выше коэффициент мощности, тем ниже потери электроэнергии. Вот таблица косинуса фи для различных потребителей:
Если вы не знаете точный коэфф. мощности своего прибора, или его нет на бирке, можно ли измерить косинус фи в домашних условиях, не прибегая к различным формулам и вычислениям? Конечно можно.
Для этого достаточно приобрести широко распространенный инструмент - цифровой ваттметр в розетку.
Подключая любое оборудование через него, можно легко без замеров и сложных вычислений, узнать фактический cos ϕ.
Зачастую, фактические данные могут быть даже точнее, чем написанные на шильдике, которые рассчитаны для идеальных условий.
Если он слишком низкий, что делать, чтобы привести его значение как можно ближе к единице? Можно это дело определенным образом компенсировать. Например, с помощью конденсаторов.
Читайте также: