Pomiar mocy i cosφ trójfazowym miernikiem cęgowym mocy

Przewodnik o korekcji współczynnika mocy omawia, dlaczego operator sieci nakłada dopłatę za moc bierną poniżej pewnego progu cosφ, a przewodnik o harmonicznych i THD omawia zniekształcenia powodowane przez przemienniki częstotliwości i sterowniki LED w sieci. Ten artykuł dotyczy samego pomiaru: jak trójfazowy cęgowy miernik mocy wyznacza w terenie moc czynną, bierną i pozorną oraz cosφ, i dlaczego wynik może różnić się od tego, co pokazuje sam cęg prądowy.

Co mierzy cęgowy miernik mocy

Trójfazowy cęgowy miernik mocy łączy trzy cęgi prądowe (po jednym na fazę) z przewodami napięciowymi (faza-neutralny lub faza-faza, zależnie od konfiguracji pomiaru) i oblicza dla każdej fazy oraz łącznie:

• Moc pozorna (S, w VA/kVA) — iloczyn zmierzonego napięcia i prądu, bez uwzględnienia przesunięcia fazowego.
• Moc czynna (P, w W/kW) — moc rzeczywiście przekształcana w użyteczną pracę, mniejsza od S, gdy tylko prąd i napięcie nie są w fazie.
• Moc bierna (Q, w var/kvar) — moc krążąca tam i z powrotem między źródłem a odbiornikiem bez wykonywania użytecznej pracy, spowodowana obciążeniem indukcyjnym (silniki, transformatory) lub pojemnościowym (długie kable, baterie kondensatorów).
• Współczynnik mocy (PF = P/S) — stosunek mocy czynnej do pozornej.

Współczynnik przesunięcia (cosφ) kontra rzeczywisty współczynnik mocy (PF)

Przy czysto sinusoidalnym prądzie cosφ i współczynnik mocy PF są sobie równe: cosφ to wtedy po prostu cosinus przesunięcia fazowego między napięciem a prądem. Gdy tylko prąd jest zniekształcony — na przykład przez przemienniki częstotliwości, sterowniki LED lub inne obciążenie nieliniowe, jak omówiono w przewodniku o harmonicznych i THD — rzeczywisty współczynnik mocy PF odbiega od współczynnika przesunięcia cosφ samej tylko harmonicznej podstawowej: PF uwzględnia także dodatkowy prąd pozorny powodowany przez wyższe harmoniczne, podczas gdy cosφ tego nie robi. Instalacja z wieloma przemiennikami częstotliwości może więc wykazywać cosφ, który wygląda dobrze, podczas gdy rzeczywisty PF jest z powodu zniekształceń harmonicznych wyraźnie niższy.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie, czy bateria kondensatorów do korekcji współczynnika mocy jest potrzebna lub prawidłowo dobrana, należy posługiwać się właściwą wielkością: w instalacji z dużym obciążeniem nieliniowym (przemienniki częstotliwości, sterowniki LED) sam współczynnik przesunięcia cosφ daje niepełny obraz, a rzeczywisty współczynnik mocy PF (lub oddzielne odczyty P, Q i S dla każdej fazy) jest bardziej wiarygodną podstawą do doboru korekcji — bateria kondensatorów dobrana wyłącznie na podstawie cosφ może przy wysokich zniekształceniach harmonicznych nawet spowodować rezonans z impedancją sieci zamiast poprawić współczynnik mocy.

Częste błędy

1. Podłączenie cęgów prądowych w niewłaściwym kierunku (strzałka przeciwnie do kierunku prądu) — odwraca to znak zmierzonej mocy czynnej i biernej, przez co obciążenie jest błędnie wyświetlane jako pojemnościowe/oddające zamiast indukcyjnego/pobierającego.
2. Podłączenie przewodów napięciowych do niewłaściwej fazy lub brak sprawdzenia kolejności faz — niedopasowanie przypisania fazy między cęgiem prądowym a przewodem napięciowym daje całkowicie błędne obliczenie mocy dla tej fazy, mimo że prąd i napięcie z osobna wyglądają normalnie.
3. Odczytywanie tylko cosφ i zakładanie, że jest ono równe rzeczywistemu współczynnikowi mocy w instalacji ze znacznymi zniekształceniami harmonicznymi — patrz wyjaśnienie powyżej dotyczące różnicy między tymi wielkościami.
4. Pomiar w chwili nietypowego obciążenia roboczego (np. przy zatrzymanej produkcji) i ekstrapolacja tego pojedynczego odczytu na pełną sytuację roboczą — moc i cosφ zmieniają się wraz z obciążeniem, a jednorazowy pomiar nie odzwierciedla obciążenia średniego ani szczytowego.

Powiązane

• Korekcja współczynnika mocy (cosφ)
• Wartości graniczne harmonicznych i THD
• Cęgi prądowe AC/DC — błędy pomiaru efektem Halla
• True RMS kontra multimetr uśredniający