Конденсаторы для газоразрядных ламп
Электронные ПРА строятся по принципу инвертора частоты со звеном постоянного тока. Они включают входной фильтр импульсных помех и схему коррекции коэффицента мощности. Поэтому если вы используете ЭПРА (электронное ПРА) – конденсатор вам не нужен!
Внимание! Установка фазокомпенсирующего конденсатора без разрядного резистора может быть опасна для здоровья и жизни!
Статья написана для пытливых гроверов, стремящихся познать суть мироздания. Ленивым можно почитать про принцип действия дросселя буквально 10 строками ниже, затем перейти к принципу компенсации реактивной мощности (подчеркнуто) и напоследок – распространенные утверждения и заключение. Данные по практике применения конденсаторов и разрядных резисторов находятся в конце статьи.
Для принятия решения о необходимости установки фазокомпенсирующего конденсатора конкретно в Вашей системе освещения давайте для начала немного углубимся в теорию. Посмотрим из чего состоит электрическая цепь во время работы лампы. ИЗУ (Импульсное Зажигающее Устройство) участвует только в розжиге лампы и в рабочем режиме на физику процесса не влияет. На таймер, контактор и т.п. внимания обращать также не будем. Таким образом между фазой и нулем остаются:
1. соединительные провода
2. дроссель
3. горелка лампы, в которой в парах определенного состава горит дуга, давая свет.
С проводами все просто – это чисто активное сопротивление.
Дроссель – есть тот же провод, но намотанный на стальной сердечник. С ним все немного интереснее, чем с прямым проводом. При прохождении переменного тока через обмотку дросселя, в последнем создается электромагнитное поле, которое в том же самом дросселе индуцирует ЭДС, которая вызывает второй ток, препятствующий всякому изменению тока, его создавшего. Если проще – при возрастании тока дроссель всячески упирается и препятствует его возрастанию, а при спаде препятствует его спаду – как бы поддерживает. Поэтому говорят, что дроссель обладает волновым сопротивлением, которое зависит от его индуктивности и частоты колебаний напряжения. Реальный дроссель также обладает и активным сопротивлением, поскольку его обмотка выполнена из металла (чаще меди).
С горелкой сложнее. Если зависимость между током и напряжением в сопротивлении или дросселе легко описать соответственно линейным уравнением (U=I*R) и линейным дифференциальным уравнением (U=L*dI/dt), то в случае с горелкой придется обломаться. Сопротивление дуги в горелке величина непостоянная, нелинейная и зависит от температуры дуги, а ток – от напряжения в какой-то степени. Это значит, что если разжечь дугу в горелке лампы и подключить ее напрямую к сети, то за время нарастания напряжения ток через нее будет очень быстро возрастать. Большие значения тока быстро приведут к перегреву горелки и ее перегоранию. Нетрудно догадаться, что здесь-то нам и пригодится нежелание дросселя просто так мириться с протекающим через него током. Достаточно включить его последовательно с горелкой и он придушит ток до нормальных значений.
Теперь о сабже.
Дроссель ограничивает броски тока, но из-за своего упорства сдержать его изменение кагбэ оттягивает его назад по отношению к напряжению. Ток начинает отставать от напряжения, которое задается сетью и никого не ждет. Графики изменения напряжения, тока и мощности показаны ниже:
Как известно Полная мощность S есть произведение полного тока I на напряжение U (S=U*I) Взгляните на картинку. Легко найти области на графике, в которых напряжение и ток имеют один и тот же знак. В этих областях формула S=U*I дает положительные значения. В них происходит преобразование электроэнергии в свет, излучаемый горелкой, нагрев дросселя и проводов, а также накопление энергии в магнитном поле дросселя. В областях, где напряжение уже перевалило в отрицательную область, а ток еще не успел, S отрицательное. В них происходит возврат мощности, запасенной полем катушки, в сеть. Эту мощность и называют реактивной. Она расходуется на электромагнитные процессы и не производит полезной работы (свет, тепло, движение). Реактивный ток дополнительно нагружает сеть и генераторы. Если проще – этот ток занимает место в проводах, которое могло бы быть занято активным током, производящим полезную нам работу. Доля реактивной мощности от полной зависит от угла сдвига тока относительно напряжения – фи и может быть найдена из соотношения Q=S*sin(фи). Активную мощность можно найти из полной по соотношению P=S*cos(фи). Вредность реактива можно пояснить на примере:
Допустим на электростанции установлен генератор однофазного переменного тока мощностью 240 кВА напряжением 1200 В. Ток, который может быть отдан в сеть составляет I=S/U?=240000/1200=200 А. Присоединим к этому генератору чисто активную нагрузку – электрорадиатор например. Реактивных сопротивлений в цепи нет, поэтому угол сдвига между током и напряжением равен 0, Соответственно cos(0)=1 и активная мощность будет равняться P=S*cos(фи)=240*1=240 кВт. Присоединим теперь такую нагрузку, у которой cos(фи) равен 0,8. Тогда активная мощность будет составлять только 192 кВт, хотя по обмоткам генератора будет проходить тот же ток в 200А который нельзя превышать из-за опасности перегрева обмоток. При cos(фи) равном 0,5 активная мощность будет составлять только 120 кВт, но током генератор будет загружен на полную.
Лишить цепь с индуктивностью реактивной составляющей тока невозможно. Однако возможно разгрузить от реактивной составляющей сеть. Для этого нужно реактивную мощность, запасенную в магнитном поле дросселя отдать не в сеть, а на время запасти в электрическом поле конденсатора. Затем энергия электрического поля конденсатора опять будет запасена в магнитном поле дросселя и т.д.
Попробуем сделать кое-какие вычисления и определить Емкость конденсатора на примере лампы 250Вт. Из паспортных данных дросселя имеем полный ток осветительной установки I=3А. Коэффицент мощности (он же cos(фи)) = 0,42. Номинальная (полезная) мощность – 250Вт. Потери в дросселе – около 30Вт. Цепь без компенсации и векторная диаграмма токов и напряжений показана на верхней паре рисунков:
Здесь излучение горелки, а также потери на нагрев лампы и дросселя обозначены эквивалентным сопротивлением R, а волновое сопротивление дросселя – сопротивлением X L. Построение векторной диаграммы начинается с построения вектора напряжения U. Для удобства он построен вертикально. Вектор полного тока I строим длиной 3А(как по паспорту) и под паспортным углом к напряжению arccos(0,42)=65,2o. Здесь легко определить активную составляющую Тока как I A =I*cos(фи)=3*0,42=1,26А откуда активная потребляемая мощность P=U*I A =220*1,26=277,2 Вт. Реактивный ток определяется как I Р =I*sin(фи)=3*0,9=2,7А, откуда реактивная мощность, курсирующая из сети в дроссель и назад и не производящая полезной работы Q=U*I P =220*2,7=594 ВАр. Попробуем полностью избавиться от реактивной составляющей I P (не пустить ее в сеть). Как известно в цепи с емкостью ток опережает напряжение на 90o. Построим вектор тока, протекающего через емкость – I C, равный по модулю I P и опережающий вектор напряжения на 90o. Геометрическая сумма векторов I C и I P даст 0 и полный ток I будет равняться активной составляющей I A =1,26А. Емкость конденсатора можно определить из формулы I C =U/X C, откуда X C =U/I C =220/2,7=81,5 Ом. Как известно волновое сопротивление конденсатора X C =1/wC, где w=314 – частота сети, переведенная из Герцев в радианы в секунду. Таким образом С=1/wX C =1/(314*81,5)=39 мкФ. При такой емкости конденсатора угол фи=0 cos(фи)=1, Полный потребляемый из сети ток полностью лишен реактивной составляющей (чисто активный) и равен 1,26А.
Однако по экономическим соображениям невыгодно доводить угол фи до нуля. Практически целесообразно иметь cos(фи)=0,9–0,95.
Попробуем определить полный ток, потребляемый из сети при рекомендуемой для лампы 250Вт емкости конденсатора 32 мкФ (см. нижнюю пару рисунков). Активными потерями в конденсаторе пренебрежем. X C =1/wC=1/(314*0,000032)=99,5 Ом. Ток, протекающий через емкость I C =U/X C=220/99,5=2,21 A. Поскольку мы пренебрегли активными потерями в конденсаторе, суммарное активное сопротивление цепи останется прежним, а значит останется прежней и активная составляющая полного тока I A =1,26А. Реактивная составляющая I PK определяется как геометрическая сумма векторов I C и I Р. Поскольку они направлены в противоположные стороны, то модуль I PK =I Р – I C =2,7–2,21=0,49. Полный ток, потребляемый из сети I K находим по теореме Пифагора I K =sqrt(1,262+0,492)=1,35 А. Суммарный cos(фи)=I A /I K =1,26/1,35=0,93 – самое оно.
На основании вышеописанных расчетов подтвердим или опровергнем некоторые утверждения, муссирующиеся на ОЛКе:
КПД электромагнитного ПРА изначально в пределах 50% – половина потребляемой энергии расходуется на нагрев дросселя и проводов. Установка конденсатора позволяет повысить кпд почти в 2 раза
Как известно кпд есть отношение полезной мощности к мощности, потребленной из сети – n=P полезная /P потр .
P полезная = 250Вт.
P потр есть активная составляющая потребляемой мощности (выше считали) P=U*I A =220*1,26=277,2 Вт плюс потери в проводах, которые можно найти из соотношения P проводов =I2*R проводов. Примем R проводов =3 Ом.
Цепь без компенсации P полезная =250 Вт. P потр =277,2+3*3*3=304,2 Вт. Откуда n=250/304,2=0,822
Цепь с компенсацией P полезная =250 Вт. P потр =277,2+1,35*1,35*3=282,7 Вт. Откуда n=250/282,7=0,884
кпд увеличится всего в 1,07 раза (на 7%)
Утверждение не верно.
Коэффицент мощности (cos(фи)) электромагнитного ПРА изначально в пределах 50%. Установка конденсатора позволяет значительно повысить коэффицент мощности (cos(фи)), что позволяет снизить полный ток в сети более чем в 2 раза
Как видно из вышеприведенных расчетов в нескомпенсированной цепи Коэффицент мощности (cos(фи))=0,42 полный ток I=3 A.
в компенсированной цепи Коэффицент мощности (cos(фи))=0,93 полный ток I=1,35 A.
Полный ток в цепи с конденсатором снизится в 2,2 раза. Cos(фи) возрастет с 0,42 до 0,93.
Утверждение верно.
Из двух утверждений выше очевидно –
Конденсатор значительно сокращает потребляемую мощность и сокращает расходы на электроэнергию
Бытовые счетчики считают только активную электроэнергию. Установлены они на вводе в квартиру. Проводка до розеток обычно выполняется 3 жильным медным кабелем сечением 2.5 мм2. Длина провода от счетчика до розетки обычно не превышает 40м. из паспортных данных этого провода определяем его сопротивление 0,72 Ом. Количество часов работы света за цикл – 31*18+61*12=1290. Активная энергия, потребляемая нескомпенсированной осветительной установкой определяется как P=277,2 (считали выше) помноженное на время работы плюс потери на сопротивлении проводов помноженные на время работы то есть W=277,2*1290+3*3*0,72*1290=357588+8359,2=366 кВтч. В пересчете на кровные деревянные по одноставочному тарифу в домах с электроплитками сумма счета за свет будет составлять 366*1,3= 475 рублей 80 копеек.
В скомпенсированной цепи ток через лампу останется прежним, снизится только полный ток сети (с 3 до 1,35 А) и добавятся потери на конденсаторе (пусть будет около 2 Вт). Подставляя новые значение получим W=277,2*1290+1,35*1,35*0,72*1290+2*1290=362 кВтч или 470 рублей 60 копеек.
Как видно разница в оплате за цикл на лампе 250 Вт составит всего 5 рублей 20 копеек.
Утверждение не верно.
Конденсатор значительно снижает полный ток в горелке лампы, что увеличивает ее срок службы
Конденсатор включается параллельно цепи дроссель-лампа и поэтому никак не влияет на ток этой цепи. Снижается только суммарный ток на общем участке т.е. в сети, ток в цепи дроссель-лампа не меняется.
Утверждение не верно.
Фазокомпенсирующий конденсатор является источником сильного превышения тока и напряжения при включении лампы, что приводит к быстрому выходу из строя контактов реле таймера и сбоям в его программе
По законам физики напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно. При включении цепи с конденсатором напряжение на его обкладках будет возрастать плавно.
По законам физики ток через конденсатор может быть определен как I=CdU/dt?. В худшем случае при С=32мкФ, dU=220В и dt=0,001 сек ток будет составлять 7,04 А. Таким образом конденсатор является источником повышенного тока, но ток этот будет повышен очень непродолжительное время. Наложение этого тока на ток в цепи дроссель-горелка рассматривать не будем. Известно, что контактор спасет ваш таймер от поломок (https://olkpeace.org/cannapedia/Osveshhenie/Puskatel'.htm).
Утверждение скорее не верно.
Фазокомпенсирующий конденсатор в паре с разрядным резистором снижает рабочий ток комплектов с ЭмПРА?, увеличивает срок службы таймера, даёт возможность надёжной работы ДНаТ-400 без пускателя.
У каждого таймера после обозначения номинала коммутируемого активного тока в скобках указан номинал коммутируемого реактивного тока, который намного меньше активного. Как видно из расчетов для комплекта 250 Вт нам удастся снизить реактивный ток с 2.7 до 0.6 А, что позволит втиснуть параметры нашей осветительной установки в номиналы таймера. Разрядный резистор в 250 кОм, подключенный в параллель увеличит активный ток, потребляемый из сети на мизер в 220/250000=0.00088 А
Утверждение в целом верно. Однако установка пускателя настоятельно рекомендуется.
В заключение:
Компенсация реактивной мощности производится автоматически в крупных распределительных пунктах устройствами компенсации реактивной мощности (УКРМ). Ваши 500–1500 ВАр – это жалкий плевок в том море реактива, которое компенсируется этими устройствами. Однако установка фазокомпенсирующего конденсатора есть мероприятие, позволяющее рационально использовать предоставленные вам ресурсы электропроводки, что почетно для гровера, живущего в гармонии с природой.
Теперь о практике установки конденсаторов
Каждому ЭмПРА? полагается своя емкость конденсатора.
(смотри таблицу выбора конденсаторов)
Конденсатор нужен сухого типа. Идеально подходят пусковые полипропиленовые конденсаторы для двигателей. Использовать бумаго-масляные конденсаторы не допускается в связи с их пожароопасностью в случае пробоя.
Поскольку в качестве значения сетевого напряжения принято указывать действующее значение (среднее значение переменного), многие забывают о том, что амплитудное значение (пиковое) переменного напряжения в сети составляет корень из 2 умноженное на действующее значение, т.е. 1,4 * 220В = 308В. Если в сети напряжение подскакивает до 250В действующего, то амплитудное значение напряжения составляет уже 350В. Поэтому рабочее напряжение конденсатора выбирают с запасом по напряжению – от 400 вольт и выше. Конденсатор на напряжение 250 вольт ни в коем случае ставить нельзя. Такой конденсатор будет греться, рано или поздно произойдёт пробой его обкладок и короткое замыкание, что может привести к пожару.
Для получения требуемой емкости конденсаторы можно включать параллельно, например 2 конденсатора по 16микрофарад подключенных параллельно дают емкость 32 мкф, рабочее напряжение остается тоже. Конденсаторы подключаются параллельно сети 220 вольт до ПРА.
ВНИМАНИЕ! Заряженный конденсатор больших номиналов может быть опасен для жизни! В случае прикосновения к обкладкам заряженного конденсатора гровера ожидает как минимум сильный удар током. Нельзя прикасаться к любым контактам (даже выключенной) схемы, если не разряжен конденсатор! По прошествии некоторого времени (4–10 минут) конденсатор сам разрядится из-за потерь в его обкладках. Можно ускорить этот процесс, установив разрядный резистор. Ни в коем случае нельзя разряжать конденсатор замыканием, например отверткой, поскольку может произойти перегрев, пробой обкладок и короткое замыкание внутри конденсатора. Такой конденсатор взрыво- и пожароопасен.
Пленочные конденсаторы (компенсационные) уменьшают A(ампер) но не увеличивают Kvar/вольт ампер(мощность). Если у Вас нет потребности в уменьшении «ампер» следует исключить конденсатор из бытового приминения.
Разрядные резисторы – залог безопасности гровера!
ПРА, в которых применяются конденсаторы, должны быть снабжены разрядными резисторами, обеспечивающими спад напряжения на конденсаторе после отключения аппарата от сети (ГОСТ 16809–88).
Выводы резистора подключаются параллельно выводам конденсатора :
Схема подключения конденсатора с разрядным резистором к комплекту ЭмПРА? есть тут:
http://www.olkpeace.org/cannapedia/Jelektrichestvo/Podkljuchenie.html
Таблица выбора номинала фазокомпенсирующего конденсатора и разрядного резистора
мощность
лампы
емкость
конденсатора
для ЛЛ, КЛЛ
емкость
конденсатора
для МГЛ, ДНаТ
сопротивление
резистора
0,25Вт
4Вт
2мкФ
1 МОм
6Вт
2мкФ
1 МОм
8Вт
2мкФ
1 МОм
10Вт
2мкФ
1 МОм
11Вт
2,5мкФ
1 МОм
13Вт
2,8мкФ
1 МОм
14Вт
3,3мкФ
1 МОм
15Вт
4,5мкФ
1 МОм
16Вт
4,5мкФ
1 МОм
18Вт
4,5мкФ
1 МОм
20Вт
4,5мкФ
1 МОм
22Вт
5мкФ
1 МОм
30Вт
6мкФ
1 МОм
32Вт
6мкФ
1 МОм
35Вт
6мкФ
6мкФ
1 МОм
36Вт
7мкФ
1 МОм
38Вт
7мкФ
1 МОм
40Вт
8мкФ
1 МОм
50Вт
8мкФ
10мкФ
1 МОм
58Вт
9мкФ
1 МОм
65Вт
9мкФ
1 МОм
70Вт
12мкФ
12мкФ
1 МОм
100Вт
12мкФ
12мкФ
1 МОм
115Вт
20мкФ
0,5 МОм
140Вт
20мкФ
0,5 МОм
150Вт
20мкФ
0,5 МОм
250Вт
32мкФ
0,25 МОм
400Вт
45мкФ
0,25 МОм
600Вт
60мкФ
0,15 МОм
1000Вт
85мкФ
0,1 МОм
Выдержки из ГОСТ 16809–88 :
Согласно ГОСТу, в случае использования конденсатора и практически любой лампы МГЛ или ДНаТ параллельно конденсатору ставится резистор :
Полевые испытания посетителей ОЛК
Проводил замеры тока для двух комплектов 250Wt (свингую лампы с дросселями) и одного 150Wt комплекта с целью установить ток с и без компенсирующего коденсатора и сравнить результаты.
Замеры проводились на разогревшихся, вышедших на режим лампах. Замерял ток через дроссель, увы, не замерял напряжение на лампах.
Дросселя:
Лампы:
дроссель
лампа
0µF
36µF
0µF
36µF
разница
OPT.250
HPS.250
2,7 A
1,2 A
594 W
264 W
2,25 x
OPT.250
MHL.250
2,4 A
1,4 A
528 W
308 W
1,71 x
VS.250
HPS.250
3,0 A
2,2 A
660 W
484 W
1,36 x
VS.250
MHL.250
2,6 A
1,5 A
572 W
322 W
1,78 x
ЛПК.150
HPS.150
1,7 A
1,0 A*
321 W
315 W*
1,73 x
* – для 150Wt дросселя использовалась ёмкость 18µF
Электронные ПРА строятся по принципу инвертора частоты со звеном постоянного тока. Они включают входной фильтр импульсных помех и схему коррекции коэффицента мощности. Поэтому если вы используете ЭПРА (электронное ПРА) – конденсатор вам не нужен!
Внимание! Установка фазокомпенсирующего конденсатора без разрядного резистора может быть опасна для здоровья и жизни!
Статья написана для пытливых гроверов, стремящихся познать суть мироздания. Ленивым можно почитать про принцип действия дросселя буквально 10 строками ниже, затем перейти к принципу компенсации реактивной мощности (подчеркнуто) и напоследок – распространенные утверждения и заключение. Данные по практике применения конденсаторов и разрядных резисторов находятся в конце статьи.
Для принятия решения о необходимости установки фазокомпенсирующего конденсатора конкретно в Вашей системе освещения давайте для начала немного углубимся в теорию. Посмотрим из чего состоит электрическая цепь во время работы лампы. ИЗУ (Импульсное Зажигающее Устройство) участвует только в розжиге лампы и в рабочем режиме на физику процесса не влияет. На таймер, контактор и т.п. внимания обращать также не будем. Таким образом между фазой и нулем остаются:
1. соединительные провода
2. дроссель
3. горелка лампы, в которой в парах определенного состава горит дуга, давая свет.
С проводами все просто – это чисто активное сопротивление.
Дроссель – есть тот же провод, но намотанный на стальной сердечник. С ним все немного интереснее, чем с прямым проводом. При прохождении переменного тока через обмотку дросселя, в последнем создается электромагнитное поле, которое в том же самом дросселе индуцирует ЭДС, которая вызывает второй ток, препятствующий всякому изменению тока, его создавшего. Если проще – при возрастании тока дроссель всячески упирается и препятствует его возрастанию, а при спаде препятствует его спаду – как бы поддерживает. Поэтому говорят, что дроссель обладает волновым сопротивлением, которое зависит от его индуктивности и частоты колебаний напряжения. Реальный дроссель также обладает и активным сопротивлением, поскольку его обмотка выполнена из металла (чаще меди).
С горелкой сложнее. Если зависимость между током и напряжением в сопротивлении или дросселе легко описать соответственно линейным уравнением (U=I*R) и линейным дифференциальным уравнением (U=L*dI/dt), то в случае с горелкой придется обломаться. Сопротивление дуги в горелке величина непостоянная, нелинейная и зависит от температуры дуги, а ток – от напряжения в какой-то степени. Это значит, что если разжечь дугу в горелке лампы и подключить ее напрямую к сети, то за время нарастания напряжения ток через нее будет очень быстро возрастать. Большие значения тока быстро приведут к перегреву горелки и ее перегоранию. Нетрудно догадаться, что здесь-то нам и пригодится нежелание дросселя просто так мириться с протекающим через него током. Достаточно включить его последовательно с горелкой и он придушит ток до нормальных значений.
Теперь о сабже.
Дроссель ограничивает броски тока, но из-за своего упорства сдержать его изменение кагбэ оттягивает его назад по отношению к напряжению. Ток начинает отставать от напряжения, которое задается сетью и никого не ждет. Графики изменения напряжения, тока и мощности показаны ниже:
Как известно Полная мощность S есть произведение полного тока I на напряжение U (S=U*I) Взгляните на картинку. Легко найти области на графике, в которых напряжение и ток имеют один и тот же знак. В этих областях формула S=U*I дает положительные значения. В них происходит преобразование электроэнергии в свет, излучаемый горелкой, нагрев дросселя и проводов, а также накопление энергии в магнитном поле дросселя. В областях, где напряжение уже перевалило в отрицательную область, а ток еще не успел, S отрицательное. В них происходит возврат мощности, запасенной полем катушки, в сеть. Эту мощность и называют реактивной. Она расходуется на электромагнитные процессы и не производит полезной работы (свет, тепло, движение). Реактивный ток дополнительно нагружает сеть и генераторы. Если проще – этот ток занимает место в проводах, которое могло бы быть занято активным током, производящим полезную нам работу. Доля реактивной мощности от полной зависит от угла сдвига тока относительно напряжения – фи и может быть найдена из соотношения Q=S*sin(фи). Активную мощность можно найти из полной по соотношению P=S*cos(фи). Вредность реактива можно пояснить на примере:
Допустим на электростанции установлен генератор однофазного переменного тока мощностью 240 кВА напряжением 1200 В. Ток, который может быть отдан в сеть составляет I=S/U?=240000/1200=200 А. Присоединим к этому генератору чисто активную нагрузку – электрорадиатор например. Реактивных сопротивлений в цепи нет, поэтому угол сдвига между током и напряжением равен 0, Соответственно cos(0)=1 и активная мощность будет равняться P=S*cos(фи)=240*1=240 кВт. Присоединим теперь такую нагрузку, у которой cos(фи) равен 0,8. Тогда активная мощность будет составлять только 192 кВт, хотя по обмоткам генератора будет проходить тот же ток в 200А который нельзя превышать из-за опасности перегрева обмоток. При cos(фи) равном 0,5 активная мощность будет составлять только 120 кВт, но током генератор будет загружен на полную.
Лишить цепь с индуктивностью реактивной составляющей тока невозможно. Однако возможно разгрузить от реактивной составляющей сеть. Для этого нужно реактивную мощность, запасенную в магнитном поле дросселя отдать не в сеть, а на время запасти в электрическом поле конденсатора. Затем энергия электрического поля конденсатора опять будет запасена в магнитном поле дросселя и т.д.
Попробуем сделать кое-какие вычисления и определить Емкость конденсатора на примере лампы 250Вт. Из паспортных данных дросселя имеем полный ток осветительной установки I=3А. Коэффицент мощности (он же cos(фи)) = 0,42. Номинальная (полезная) мощность – 250Вт. Потери в дросселе – около 30Вт. Цепь без компенсации и векторная диаграмма токов и напряжений показана на верхней паре рисунков:
Здесь излучение горелки, а также потери на нагрев лампы и дросселя обозначены эквивалентным сопротивлением R, а волновое сопротивление дросселя – сопротивлением X L. Построение векторной диаграммы начинается с построения вектора напряжения U. Для удобства он построен вертикально. Вектор полного тока I строим длиной 3А(как по паспорту) и под паспортным углом к напряжению arccos(0,42)=65,2o. Здесь легко определить активную составляющую Тока как I A =I*cos(фи)=3*0,42=1,26А откуда активная потребляемая мощность P=U*I A =220*1,26=277,2 Вт. Реактивный ток определяется как I Р =I*sin(фи)=3*0,9=2,7А, откуда реактивная мощность, курсирующая из сети в дроссель и назад и не производящая полезной работы Q=U*I P =220*2,7=594 ВАр. Попробуем полностью избавиться от реактивной составляющей I P (не пустить ее в сеть). Как известно в цепи с емкостью ток опережает напряжение на 90o. Построим вектор тока, протекающего через емкость – I C, равный по модулю I P и опережающий вектор напряжения на 90o. Геометрическая сумма векторов I C и I P даст 0 и полный ток I будет равняться активной составляющей I A =1,26А. Емкость конденсатора можно определить из формулы I C =U/X C, откуда X C =U/I C =220/2,7=81,5 Ом. Как известно волновое сопротивление конденсатора X C =1/wC, где w=314 – частота сети, переведенная из Герцев в радианы в секунду. Таким образом С=1/wX C =1/(314*81,5)=39 мкФ. При такой емкости конденсатора угол фи=0 cos(фи)=1, Полный потребляемый из сети ток полностью лишен реактивной составляющей (чисто активный) и равен 1,26А.
Однако по экономическим соображениям невыгодно доводить угол фи до нуля. Практически целесообразно иметь cos(фи)=0,9–0,95.
Попробуем определить полный ток, потребляемый из сети при рекомендуемой для лампы 250Вт емкости конденсатора 32 мкФ (см. нижнюю пару рисунков). Активными потерями в конденсаторе пренебрежем. X C =1/wC=1/(314*0,000032)=99,5 Ом. Ток, протекающий через емкость I C =U/X C=220/99,5=2,21 A. Поскольку мы пренебрегли активными потерями в конденсаторе, суммарное активное сопротивление цепи останется прежним, а значит останется прежней и активная составляющая полного тока I A =1,26А. Реактивная составляющая I PK определяется как геометрическая сумма векторов I C и I Р. Поскольку они направлены в противоположные стороны, то модуль I PK =I Р – I C =2,7–2,21=0,49. Полный ток, потребляемый из сети I K находим по теореме Пифагора I K =sqrt(1,262+0,492)=1,35 А. Суммарный cos(фи)=I A /I K =1,26/1,35=0,93 – самое оно.
На основании вышеописанных расчетов подтвердим или опровергнем некоторые утверждения, муссирующиеся на ОЛКе:
КПД электромагнитного ПРА изначально в пределах 50% – половина потребляемой энергии расходуется на нагрев дросселя и проводов. Установка конденсатора позволяет повысить кпд почти в 2 раза
Как известно кпд есть отношение полезной мощности к мощности, потребленной из сети – n=P полезная /P потр .
P полезная = 250Вт.
P потр есть активная составляющая потребляемой мощности (выше считали) P=U*I A =220*1,26=277,2 Вт плюс потери в проводах, которые можно найти из соотношения P проводов =I2*R проводов. Примем R проводов =3 Ом.
Цепь без компенсации P полезная =250 Вт. P потр =277,2+3*3*3=304,2 Вт. Откуда n=250/304,2=0,822
Цепь с компенсацией P полезная =250 Вт. P потр =277,2+1,35*1,35*3=282,7 Вт. Откуда n=250/282,7=0,884
кпд увеличится всего в 1,07 раза (на 7%)
Утверждение не верно.
Коэффицент мощности (cos(фи)) электромагнитного ПРА изначально в пределах 50%. Установка конденсатора позволяет значительно повысить коэффицент мощности (cos(фи)), что позволяет снизить полный ток в сети более чем в 2 раза
Как видно из вышеприведенных расчетов в нескомпенсированной цепи Коэффицент мощности (cos(фи))=0,42 полный ток I=3 A.
в компенсированной цепи Коэффицент мощности (cos(фи))=0,93 полный ток I=1,35 A.
Полный ток в цепи с конденсатором снизится в 2,2 раза. Cos(фи) возрастет с 0,42 до 0,93.
Утверждение верно.
Из двух утверждений выше очевидно –
Конденсатор значительно сокращает потребляемую мощность и сокращает расходы на электроэнергию
Бытовые счетчики считают только активную электроэнергию. Установлены они на вводе в квартиру. Проводка до розеток обычно выполняется 3 жильным медным кабелем сечением 2.5 мм2. Длина провода от счетчика до розетки обычно не превышает 40м. из паспортных данных этого провода определяем его сопротивление 0,72 Ом. Количество часов работы света за цикл – 31*18+61*12=1290. Активная энергия, потребляемая нескомпенсированной осветительной установкой определяется как P=277,2 (считали выше) помноженное на время работы плюс потери на сопротивлении проводов помноженные на время работы то есть W=277,2*1290+3*3*0,72*1290=357588+8359,2=366 кВтч. В пересчете на кровные деревянные по одноставочному тарифу в домах с электроплитками сумма счета за свет будет составлять 366*1,3= 475 рублей 80 копеек.
В скомпенсированной цепи ток через лампу останется прежним, снизится только полный ток сети (с 3 до 1,35 А) и добавятся потери на конденсаторе (пусть будет около 2 Вт). Подставляя новые значение получим W=277,2*1290+1,35*1,35*0,72*1290+2*1290=362 кВтч или 470 рублей 60 копеек.
Как видно разница в оплате за цикл на лампе 250 Вт составит всего 5 рублей 20 копеек.
Утверждение не верно.
Конденсатор значительно снижает полный ток в горелке лампы, что увеличивает ее срок службы
Конденсатор включается параллельно цепи дроссель-лампа и поэтому никак не влияет на ток этой цепи. Снижается только суммарный ток на общем участке т.е. в сети, ток в цепи дроссель-лампа не меняется.
Утверждение не верно.
Фазокомпенсирующий конденсатор является источником сильного превышения тока и напряжения при включении лампы, что приводит к быстрому выходу из строя контактов реле таймера и сбоям в его программе
По законам физики напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно. При включении цепи с конденсатором напряжение на его обкладках будет возрастать плавно.
По законам физики ток через конденсатор может быть определен как I=CdU/dt?. В худшем случае при С=32мкФ, dU=220В и dt=0,001 сек ток будет составлять 7,04 А. Таким образом конденсатор является источником повышенного тока, но ток этот будет повышен очень непродолжительное время. Наложение этого тока на ток в цепи дроссель-горелка рассматривать не будем. Известно, что контактор спасет ваш таймер от поломок (https://olkpeace.org/cannapedia/Osveshhenie/Puskatel'.htm).
Утверждение скорее не верно.
Фазокомпенсирующий конденсатор в паре с разрядным резистором снижает рабочий ток комплектов с ЭмПРА?, увеличивает срок службы таймера, даёт возможность надёжной работы ДНаТ-400 без пускателя.
У каждого таймера после обозначения номинала коммутируемого активного тока в скобках указан номинал коммутируемого реактивного тока, который намного меньше активного. Как видно из расчетов для комплекта 250 Вт нам удастся снизить реактивный ток с 2.7 до 0.6 А, что позволит втиснуть параметры нашей осветительной установки в номиналы таймера. Разрядный резистор в 250 кОм, подключенный в параллель увеличит активный ток, потребляемый из сети на мизер в 220/250000=0.00088 А
Утверждение в целом верно. Однако установка пускателя настоятельно рекомендуется.
В заключение:
Компенсация реактивной мощности производится автоматически в крупных распределительных пунктах устройствами компенсации реактивной мощности (УКРМ). Ваши 500–1500 ВАр – это жалкий плевок в том море реактива, которое компенсируется этими устройствами. Однако установка фазокомпенсирующего конденсатора есть мероприятие, позволяющее рационально использовать предоставленные вам ресурсы электропроводки, что почетно для гровера, живущего в гармонии с природой.
Теперь о практике установки конденсаторов
Каждому ЭмПРА? полагается своя емкость конденсатора.
(смотри таблицу выбора конденсаторов)
Конденсатор нужен сухого типа. Идеально подходят пусковые полипропиленовые конденсаторы для двигателей. Использовать бумаго-масляные конденсаторы не допускается в связи с их пожароопасностью в случае пробоя.
Поскольку в качестве значения сетевого напряжения принято указывать действующее значение (среднее значение переменного), многие забывают о том, что амплитудное значение (пиковое) переменного напряжения в сети составляет корень из 2 умноженное на действующее значение, т.е. 1,4 * 220В = 308В. Если в сети напряжение подскакивает до 250В действующего, то амплитудное значение напряжения составляет уже 350В. Поэтому рабочее напряжение конденсатора выбирают с запасом по напряжению – от 400 вольт и выше. Конденсатор на напряжение 250 вольт ни в коем случае ставить нельзя. Такой конденсатор будет греться, рано или поздно произойдёт пробой его обкладок и короткое замыкание, что может привести к пожару.
Для получения требуемой емкости конденсаторы можно включать параллельно, например 2 конденсатора по 16микрофарад подключенных параллельно дают емкость 32 мкф, рабочее напряжение остается тоже. Конденсаторы подключаются параллельно сети 220 вольт до ПРА.
ВНИМАНИЕ! Заряженный конденсатор больших номиналов может быть опасен для жизни! В случае прикосновения к обкладкам заряженного конденсатора гровера ожидает как минимум сильный удар током. Нельзя прикасаться к любым контактам (даже выключенной) схемы, если не разряжен конденсатор! По прошествии некоторого времени (4–10 минут) конденсатор сам разрядится из-за потерь в его обкладках. Можно ускорить этот процесс, установив разрядный резистор. Ни в коем случае нельзя разряжать конденсатор замыканием, например отверткой, поскольку может произойти перегрев, пробой обкладок и короткое замыкание внутри конденсатора. Такой конденсатор взрыво- и пожароопасен.
Пленочные конденсаторы (компенсационные) уменьшают A(ампер) но не увеличивают Kvar/вольт ампер(мощность). Если у Вас нет потребности в уменьшении «ампер» следует исключить конденсатор из бытового приминения.
Разрядные резисторы – залог безопасности гровера!
ПРА, в которых применяются конденсаторы, должны быть снабжены разрядными резисторами, обеспечивающими спад напряжения на конденсаторе после отключения аппарата от сети (ГОСТ 16809–88).
Выводы резистора подключаются параллельно выводам конденсатора :
Схема подключения конденсатора с разрядным резистором к комплекту ЭмПРА? есть тут:
http://www.olkpeace.org/cannapedia/Jelektrichestvo/Podkljuchenie.html
Таблица выбора номинала фазокомпенсирующего конденсатора и разрядного резистора
мощность
лампы
емкость
конденсатора
для ЛЛ, КЛЛ
емкость
конденсатора
для МГЛ, ДНаТ
сопротивление
резистора
0,25Вт
4Вт
2мкФ
1 МОм
6Вт
2мкФ
1 МОм
8Вт
2мкФ
1 МОм
10Вт
2мкФ
1 МОм
11Вт
2,5мкФ
1 МОм
13Вт
2,8мкФ
1 МОм
14Вт
3,3мкФ
1 МОм
15Вт
4,5мкФ
1 МОм
16Вт
4,5мкФ
1 МОм
18Вт
4,5мкФ
1 МОм
20Вт
4,5мкФ
1 МОм
22Вт
5мкФ
1 МОм
30Вт
6мкФ
1 МОм
32Вт
6мкФ
1 МОм
35Вт
6мкФ
6мкФ
1 МОм
36Вт
7мкФ
1 МОм
38Вт
7мкФ
1 МОм
40Вт
8мкФ
1 МОм
50Вт
8мкФ
10мкФ
1 МОм
58Вт
9мкФ
1 МОм
65Вт
9мкФ
1 МОм
70Вт
12мкФ
12мкФ
1 МОм
100Вт
12мкФ
12мкФ
1 МОм
115Вт
20мкФ
0,5 МОм
140Вт
20мкФ
0,5 МОм
150Вт
20мкФ
0,5 МОм
250Вт
32мкФ
0,25 МОм
400Вт
45мкФ
0,25 МОм
600Вт
60мкФ
0,15 МОм
1000Вт
85мкФ
0,1 МОм
Выдержки из ГОСТ 16809–88 :
Согласно ГОСТу, в случае использования конденсатора и практически любой лампы МГЛ или ДНаТ параллельно конденсатору ставится резистор :
Полевые испытания посетителей ОЛК
Проводил замеры тока для двух комплектов 250Wt (свингую лампы с дросселями) и одного 150Wt комплекта с целью установить ток с и без компенсирующего коденсатора и сравнить результаты.
Замеры проводились на разогревшихся, вышедших на режим лампах. Замерял ток через дроссель, увы, не замерял напряжение на лампах.
Дросселя:
- OPT.250 – Optima NaHJ?-250 (250W / 3,00A / λ0,41 / tw130 / ▲t70)
- VS.250 – Vossloch Schvabe Germany NaHJ? 250–204 (250W / 3,00A / λ0,42 / tw130 / ▲t80)
- ЛПК.150 – Россия ЛПК (150W / 1,8A / λ0,4 / tw120 / ▲t70)
Лампы:
- HPS.250 – HPS250 – GE lucalox LU250/T/40, Hungary
- MHL.250 – MHL250 – DeLux? China MHT-250 20500Lm 4100K
- HPS.150 – noname импортная
дроссель
лампа
0µF
36µF
0µF
36µF
разница
OPT.250
HPS.250
2,7 A
1,2 A
594 W
264 W
2,25 x
OPT.250
MHL.250
2,4 A
1,4 A
528 W
308 W
1,71 x
VS.250
HPS.250
3,0 A
2,2 A
660 W
484 W
1,36 x
VS.250
MHL.250
2,6 A
1,5 A
572 W
322 W
1,78 x
ЛПК.150
HPS.150
1,7 A
1,0 A*
321 W
315 W*
1,73 x
* – для 150Wt дросселя использовалась ёмкость 18µF