Stanovení účiníku

V elektromotoru, stejně jako v transformátoru, je pro provoz nutné vytvořit magnetické pole. Toto pole se v obvodech se střídavým proudem mění sinusově a energie s ním spojená proudí během poloviny periody z generátoru do sběrače proudu a v další půlperiodě se vrací zpět do generátoru.

Tato energie se nazývá reaktivní. Její tok se projevuje ve formě dodatečného proudu, který zaostává za napětím, jak je znázorněno na obr. 1, křivka B. Tento proud, tekoucí z generátoru do přijímače a zpět, nevytváří užitečnou práci, ale pouze způsobuje dodatečné ohřev vodičů, tj. dodatečné ztráty činné energie.

Činný a jalový proud protékající vodičem se sčítají do jednoho celkového proudu, který se měří ampérmetrem. Součin tohoto celkového proudu a napětí se nazývá celkový výkon.

Poměr činného výkonu k celkovému výkonu se nazývá účiník. Pro usnadnění technických výpočtů se účiník vyjadřuje kosinem konvenčního úhlu „fí“ (cos φ).

Při měnícím se zatížení se průměrný účiník určuje po určitou dobu. Pro stanovení účiníku se používají odečty činných a jalových elektroměrů, což nám umožňuje zjistit váženou průměrnou hodnotu tg φ po celou dobu, během které byla energie spotřebována.

Pokud vydělíme spotřebu jalové energie spotřebou činné energie, získáme hodnotu zvanou tangens „fí“:

tg φ = W reakce / W akt

Po určení tg φ sp zjistíme hodnotu cos φ.

Hodnotu účiníku lze také určit z naměřených hodnot voltmetru, ampérmetru a wattmetru pomocí následujících vzorců:

pro jednofázový proud cos φ = P/UI

pro třífázový proud cos φ = P/ (1, 73U lin I lin)

Obr. 1. Fázový posun mezi proudem a napětím: a – křivka změny napětí, b – křivka činného proudu, c – křivka kapacitního proudu, d – křivka změny indukčního proudu

Účiník lze určit pomocí fázometru. Více informací naleznete zde: Jak měřit účiník

Stanovení cos φ pomocí klešťového měřiče

Účiník jednotlivých elektrických přijímačů nebo síťových úseků s mírně se měnícím zatížením lze určit pomocí fázometrů nebo wattmetrů. Tyto metody jsou však obtížné, protože vyžadují přerušení proudových obvodů a u výkonných instalací je nutné zahrnout proudové transformátory.

Pro měření cos φ bez přerušení proudového obvodu se používá metoda s použitím elektrických měřicích kleští typu D90.

Elektrické měřicí kleště D90

V třífázových obvodech se symetrickým zatížením se měří výkon v jedné fázi. Za tímto účelem se magnetické jádro svorek omotá kolem jednoho z vodičů linky, generátorový vývod paralelního obvodu wattmetru se připojí ke stejné fázi a druhý k neutrálnímu vodiči. Poté se pomocí svorek typu C91 nebo C4505 měří proud ve fázi a fázové napětí.

Účiník se vypočítá pomocí vzorce: cos φ = P/UI

Při práci s měřicími kleštěmi je nezbytné dodržovat bezpečnostní opatření.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:

Účiník (cos φ): správné měření! Zjistěte, proč je cos φ důležitý pro úsporu elektřiny a jak se vyhnout přetížení sítě.

Účiník (cos φ) je měřítkem toho, jak efektivně se využívá elektřina. Jednoduše řečeno, vyjadřuje, kolik spotřebované elektřiny skutečně vykoná užitečnou práci a kolik se plýtvá a zatěžuje síť. Místo abychom říkali, že je to jen „poměr skutečného a zdánlivého výkonu“, podívejme se na to z praktického hlediska. Představte si, že platíte za benzín, ale část se vám jen rozlije na zem – účiník vám říká, kolik „benzínu“ (elektřiny) efektivně využíváte.

Činný, jalový a zdánlivý výkon: Tři pilíře elektřiny

V elektrickém obvodu existují tři druhy energie, které spolu úzce souvisejí:

• Činný výkon (P) se měří ve wattech (W). Toto je energie, která vykonává užitečnou práci: rozsvítí žárovku, otáčí motor, ohřívá žehličku. Toto je „užitečný benzín“, který ve skutečnosti pohybuje vaším autem.
• Jalový výkon (Q) se měří v jalových voltampérech (Var). Tato energie nevykonává užitečnou práci, ale vytváří magnetická pole v indukčních prvcích (například v transformátorech a elektromotorech) a elektrická pole v kapacitních prvcích (například v kondenzátorech). Jedná se o „nalitý benzín“ – nepohybuje autem, ale je nezbytný pro jeho provoz (například pro napájení elektroniky). Je důležité si uvědomit, že jalový výkon nezmizí beze stopy – cirkuluje mezi zdrojem energie a zátěží a vytváří tak dodatečné zatížení elektrické sítě.
• Zdánlivý výkon (S) se měří ve voltampérech (VA). Toto je vektorový součet činného a jalového výkonu. Toto je „celkový objem benzínu“, který jste si koupili, včetně užitečného i rozlitého.

Účiník (cos φ) je poměr činného výkonu (P) k zdánlivému výkonu (S):

cos φ = P / S

Ideální účiník je 1. To znamená, že veškerá spotřebovaná elektrická energie se používá k vykonání užitečné práce. V praxi je cos φ obvykle menší než 1.

Proč je nízký účiník problém?

Nízký účiník vytváří řadu problémů jak pro spotřebitele elektřiny, tak pro organizace dodávající energii:

• Zvýšené zatížení elektrických sítí: Při nízkém cos φ je k přenosu stejného činného výkonu zapotřebí větší proud. To vede k přetížení transformátorů, kabelů a dalších zařízení elektrické sítě. Představte si, že k přepravě stejného nákladu potřebujete větší nákladní automobil, protože část nákladu tvoří pouze vzduch.
• Zvýšené energetické ztráty: Vyšší proud má za následek zvýšené energetické ztráty v důsledku ohřevu vodičů (ztráty ve vedení). Tyto ztráty hradí spotřebitelé, ale nepřinášejí žádný užitek.
• Pokuty od organizací dodávajících energii: Dodávatelé energie mají zájem na udržení vysokého účiníku v síti. Proto mohou ukládat pokuty spotřebitelům, jejichž cos φ je nižší než stanovená hodnota. To spotřebitele povzbuzuje k přijetí opatření ke zlepšení účiníku. Například mnoho podniků instaluje kondenzátorové baterie, aby kompenzovaly jalový výkon spotřebovaný indukčními zátěžemi. Je to jako instalovat do auta další filtr, aby se snížila spotřeba „rozlitého benzínu“.

Závěrem lze říci, že měření a udržování vysokého účiníku není jen technický úkol, ale otázka ekonomické efektivity a odpovědnosti vůči elektrické síti. Pochopení vztahu mezi činným, jalovým a zdánlivým výkonem vám umožňuje činit informovaná rozhodnutí pro optimalizaci spotřeby energie a snížení nákladů.

Disclaimer: Tento článek slouží pouze pro informační účely a není návodem k akci. Při práci s elektrickými zařízeními je nutné dodržovat bezpečnostní předpisy a kontaktovat kvalifikované odborníky.

Metody a zařízení pro měření účiníku

Účiník (cos φ) je důležitým ukazatelem účinnosti využívání elektřiny. Jeho měření umožňuje odhadnout ztráty v síti a optimalizovat provoz elektrických zařízení. Podívejme se na hlavní metody a zařízení používané k tomuto účelu se zaměřením na nuance a rozdíly.

Přehled metod měření: od jednoduchých po složité

Existují dva hlavní přístupy k měření účiníku: přímý a nepřímý.

• Přímá metoda: Založeno na přímém měření fázového posunu mezi proudem a napětím. Tato metoda je realizována pomocí fázometrů, které zobrazují cos φ přímo. Výhodou je jednoduchost a přehlednost. Nevýhodou je relativně nízká přesnost, zejména u nesinusového proudu a napětí. Fázometry se obvykle používají pro provozní vyhodnocení cos φ v terénu.
• Nepřímá metoda: Tato metoda zahrnuje použití tří zařízení: ampérmetru (k měření proudu), voltmetru (k měření napětí) a wattmetru (k měření činného výkonu). Účiník se vypočítá pomocí vzorce:

cos φ = P / (U * I)

• P – činný výkon (měřený wattmetrem), W
• U – napětí (měřené voltmetrem), V
• I – proud (měřený ampérmetrem), A

Nepřímá metoda je přesnější než přímá metoda, zejména při použití vysoce přesných digitálních přístrojů. Vyžaduje však složitější schéma zapojení a čas na výpočty. Je důležité vzít v úvahu, že přesnost nepřímé metody přímo závisí na přesnosti použitých přístrojů. Například při měření cos φ v obvodech s nízkým účiníkem (např. s velkým počtem elektromotorů bez korekce) mohou i malé chyby v údajích ampérmetru nebo voltmetru vést k významným chybám při výpočtu cos φ.

Přístroje pro měření účiníku: od fázoměru k analyzátoru

Rozmanitost zařízení pro měření cos φ je dána různými požadavky na přesnost, funkčnost a provozní podmínky.

• Fázové měřiče: Jednoduchá a snadno použitelná zařízení určená pro rychlé vyhodnocení účiníku. Existují analogové i digitální modely. Analogové fázoměry mají obvykle stupnici s dílky odpovídajícími hodnotám cos φ. Digitální fázoměry zobrazují hodnotu cos φ na displeji. Je důležité vzít v úvahu, že fázoměry jsou citlivé na zkreslení tvaru vlny proudu a napětí, takže jejich použití je omezeno na obvody se sinusovým proudem.
• Analyzátory kvality energie: Multifunkční zařízení určená pro komplexní analýzu parametrů elektrické sítě, včetně účiníku, harmonického zkreslení, poklesů napětí a dalších ukazatelů. Analyzátory kvality energie poskytují vysokou přesnost měření a umožňují podrobnou analýzu stavu elektrické sítě. Jsou široce používány ke sledování kvality elektrické energie v průmyslových podnicích a energetických systémech. Analyzátor například dokáže zaznamenávat krátkodobé poklesy napětí, které mohou způsobit poruchy zařízení, a současně měřit účiník v daném okamžiku.
• Multimetry s funkcí měření účiníku: Univerzální přístroje, které kombinují funkce ampérmetru, voltmetru, ohmmetru a fázometru. Multimetry s funkcí měření cos φ jsou vhodné pro měření v terénu, kde je vyžadováno kompaktní a multifunkční zařízení. Přesnost měření cos φ v multimetrech je však obvykle nižší než u specializovaných fázometrů nebo analyzátorů kvality energie.

Porovnání metod a zařízení: co si vybrat?

Volba metody a zařízení pro měření účiníku závisí na konkrétních úkolech a požadavcích na přesnost měření.

Metoda/zařízení	Výhody	Omezení	Aplikace
Přímá metoda (fázový měřič)	Snadné použití, přehlednost.	Relativně nízká přesnost, citlivost na zkreslení průběhů proudu a napětí.	Provozní posouzení cos φ v polních podmínkách.
Nepřímá metoda (A, B, W)	Vyšší přesnost, možnost použití digitálních přístrojů.	Vyžaduje složitější schéma zapojení a čas na výpočty, přesnost závisí na přesnosti použitých zařízení.	Přesná měření cos φ v laboratorních podmínkách i v průmyslových zařízeních.
Analyzátor kvality energie	Vysoká přesnost, komplexní analýza parametrů elektrické sítě, možnost záznamu dat.	Vysoká cena, obtížné použití (vyžaduje kvalifikovaný personál).	Monitorování kvality elektřiny v průmyslových podnicích a v energetických systémech, identifikace příčin odchylek v parametrech elektrické sítě.
Multimetr s cos φ	Kompaktnost, multifunkčnost, snadné použití v terénu.	Relativně nízká přesnost měření cos φ.	Provozní měření cos φ v terénu, kde je vyžadováno kompaktní a multifunkční zařízení.

Při výběru zařízení je důležité zvážit nejen jeho technické vlastnosti, ale také provozní podmínky. Například pro práci v podmínkách vysoké vlhkosti nebo prachu byste měli zvolit zařízení s odpovídajícím stupněm ochrany.

Disclaimer: Tento článek slouží pouze pro informační účely a není návodem k obsluze elektrických zařízení. Při měření je nutné dodržovat bezpečnostní opatření.

Praktické využití výsledků měření účiníku

Měření účiníku (cos φ) není jen konstatováním faktu, ale výchozím bodem pro optimalizaci provozu elektrické sítě a snížení finančních ztrát. Získaná data umožňují nejen identifikovat problémové oblasti, ale také vybrat nejúčinnější řešení pro zvýšení energetické účinnosti.

Analýza dat a identifikace důvodů nízkého cos φ

Prvním krokem po měření je důkladná analýza získaných dat. Nízký účiník téměř vždy naznačuje převahu reaktivní zátěže v síti. Hlavními „viníky“ jsou:

• Indukční zátěž: Elektromotory (zejména ty, které pracují v režimu odlehčení), transformátory, tlumivky, svářecí stroje. Tato zařízení spotřebovávají jalový výkon k vytvoření magnetického pole nezbytného pro jejich provoz.
• Nelineární zatížení: Počítače, LED světla, frekvenční měniče. Ty generují v síti harmonické, což také vede ke snížení cos φ.

Pro přesnější analýzu je nutné vzít v úvahu:

• Dynamika změny cos φ: Jak se mění účiník během dne, týdne, měsíce? To pomůže určit, kteří spotřebiče nejvíce přispívají ke snížení cos φ.
• Struktura zatížení: Jaký je podíl indukční a nelineární zátěže v celkové struktuře spotřeby?

Příklad: V závodě s velkým počtem obráběcích strojů pracujících v různých režimech může cos φ během dne značně kolísat. V tomto případě je nutné provádět měření v různých časech, aby se identifikovaly špičkové hodnoty spotřeby jalového výkonu.

Metody pro zlepšení účiníku

Po identifikaci příčin nízkého cos φ je nutné zvolit optimální způsob jeho zvýšení. Existuje několik základních přístupů:

• Použití kondenzátorových baterií (CB): Toto je nejběžnější a cenově nejvýhodnější metoda kompenzace jalového výkonu. CU jsou zapojeny paralelně k zátěži a generují jalový výkon opačného znaménka, čímž kompenzují indukční složku.
• Typy KU:
  * Neregulované: Vhodné pro sítě s konstantním zatížením.
  * Nastavitelný: Automaticky upravuje výkon podle zátěže a zajišťuje přesnější kompenzaci.
• Charakteristiky CU:
  * Výkon (kVAr): Určuje množství jalového výkonu, které může instalace kompenzovat.
  * Napětí (V): Musí odpovídat napětí sítě.
  * Stupeň krytí (IP): Určuje odolnost vůči vlivům prostředí.
• Použití synchronních kompenzátorů: Jedná se o synchronní motory pracující v režimu přebuzení. Generují jalový výkon a udržují napětí v síti. Používají se hlavně ve velkých průmyslových podnicích.
• Optimalizace provozu zařízení:
• Výměna starých elektromotorů za energeticky úspornější.
• Použití frekvenčních měničů k regulaci otáček elektromotorů.
• Správný výběr výkonu elektromotoru podle zatížení.
• Instalace aktivních harmonických filtrů: Navrženo pro kompenzaci harmonického zkreslení způsobeného nelineární zátěží.

Výpočet požadovaného výkonu kompenzačních zařízení

Pro výběr optimálního výkonu kompenzačního zařízení je nutné provést výpočty. Základní vzorec pro výpočet požadovaného výkonu kondenzátorové jednotky:

Qc = P * (tg φ1 - tg φ2)

• Qc – požadovaný výkon kondenzátorové jednotky (kVAr);
• P – činný výkon zátěže (kW);
• tg φ1 – tangens úhlu mezi činným a zdánlivým výkonem před kompenzací;
• tg φ2 – tangens úhlu mezi činným a zdánlivým výkonem po kompenzaci.

Příklad: Činný výkon zátěže je 100 kW, cos φ před kompenzací je 0.7, je nutné zvýšit cos φ na 0.95. V tomto případě: tg φ1 = 1.02, tg φ2 = 0.33. Qc = 100 * (1.02 – 0.33) = 69 kvar. Pro kompenzaci jalového výkonu je proto nutné instalovat kondenzátorovou baterii s kapacitou 69 kvar.

Je důležité, aby se: Při výpočtu je nutné zohlednit nejen aktuální zatížení, ale i dlouhodobé plány na rozšíření výroby a zvýšení spotřeby elektřiny.

Nejčastější dotazy

Otázka: Jak často by se měla provádět měření účiníku?

Odpověď: Doporučuje se provádět měření alespoň jednou ročně. V případě změn ve struktuře zátěže nebo problémů s napájením by se měření měla provádět častěji.

Otázka: Jaké jsou důsledky nízkého účiníku?

Odpověď: Nízký účiník má za následek zvýšené ztráty energie v síti, sníženou kapacitu transformátorů a kabelů, vyšší účty za elektřinu a sníženou spolehlivost dodávek energie.

Otázka: Je možné si kondenzátorovou jednotku nainstalovat svépomocí?

Odpověď: Instalaci a připojení kondenzátorové jednotky musí provádět kvalifikovaní odborníci s příslušným oprávněním. Nesprávná instalace může vést k nouzovým situacím a úrazu elektrickým proudem.

Otázka: Co jsou aktivní harmonické filtry a kdy by se měly používat?

Odpověď: Aktivní harmonické filtry jsou zařízení určená ke kompenzaci harmonického zkreslení v síti. Měly by se používat v sítích s velkým počtem nelineárních zátěží, jako jsou počítače, LED lampy, frekvenční měniče. Harmonické vedou k přehřívání zařízení, zkracování jejich životnosti a zvyšování energetických ztrát.

Disclaimer: Tento článek slouží pouze pro informační účely a není návodem k akci. Při měření a provádění prací na zlepšení účiníku je nutné dodržovat bezpečnostní požadavky a kontaktovat kvalifikované odborníky.