Выбирая осветительное оборудование, клиенты ориентируются в основном на потребляемую мощность, световой поток и цветовую температуру. Также их могут заинтересовать коэффициент пульсаций, условия эксплуатации, срок службы, диапазон рабочих напряжений. Но есть еще один параметр, именуемый коэффициентом мощности, которым интересуются, как правило, лишь квалифицированные специалисты.
В наше время иметь представление о коэффициенте мощности ламп и светильников полезно даже в том случае, если вы просто выбираете освещение для дома. Не говоря уже о профессиональных электриках. Причин тому как минимум две.
Во-первых, светодиодные лампы и светильники из элитного продукта для технически продвинутых пользователей превратились в предмет массового спроса. Чтобы достичь низкой цены, приходится экономить на всем, в том числе и на узлах, от которых зависит коэффициент мощности.
Во-вторых, до недавнего времени при выборе ламп и светильников потребители часто ориентировались на известные международные бренды. В сложившейся сейчас ситуации, когда многие европейские, американские и японские компании ушли с российского рынка, приходится разбираться во многообразии оставшихся брендов (среди которых, к слову, есть и очень качественные), в том числе достаточно глубоко погружаться в тех-нические характеристики их продукции.
Указанные причины подвели автора к необходимости написания статьи, где было бы подробно рассказано, что такое коэффициент мощности, откуда его можно узнать для светотехнического оборудования (или как измерить), а также какие его значения можно считать допустимыми.
Отличие коэффициента мощности от cos φ
Электрическая мощность, поступающая к потребителю, делится на активную и реактивную составляющие. Активная мощность (обозначается как P, выражается в ваттах) показывает, сколько электрической энергии необратимо превращается в нагрузке в другие виды энергии (например, тепловую энергию или электромагнитное излучение, частным случаем которого является свет).
Но не вся электроэнергия преобразуется в нагрузке, часть ее возвращается обратно к генератору. Реактивная мощность (обозначается как Q, измеряется в варах) — это параметр, который показывает количество энергии в единицу времени, возвращаемой от нагрузки к генератору.
При расчете линии электропередачи ориентируются на полную мощность (обозначается буквой S, выражается в вольт-амперах). Значение данного параметра может быть вычислено по формуле:
Таким образом, реактивная составляющая оказывается бесполезной, так как не создает никакой работы в нагрузке. Эта составляющая, как правило, рассеивается в проводах, по которым передается электричество. Тем не менее наличие реактивной мощности заставляет закладывать технологический запас при проектировании линий электропередачи, что снижает их экономическую эффективность. Вот почему реактивная мощность должна быть как можно меньше.
В условиях, когда график напряжения в сети представляет собой чистую синусоиду, а зависимость между током и напряжением в нагрузке яв-ляется линейной, реактивная мощность возникает из-за сдвига по фазе между напряжением и током, который обозначается буквой φ. В таком случае справедливо соотношение:
Сдвиг по фазе между током и напряжением связан с наличием в нагрузке индуктивной или емкостной составляющей. Для лампы накаливания cos φ = 1, т. к. в ней нет конденсаторов или дросселей. Осветительные приборы, в которых используются люминесцентные, ДНаТ и прочие разрядные лампы совместно с электромагнитной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА), имеют cos φ < 1. Это связано с тем, что лампа в установившемся режиме включена последовательно с дросселем. Чем ближе у электрического оборудования cos φ к единице, тем лучше.
Поскольку относительно недавно применялись осветительные приборы только с электромагнитными ПРА или лампами накаливания, некоторые электрики «старой закалки» до сих пор предпочитают использовать параметр cos для любого оборудования, хотя это не всегда корректно.
Современные люминесцентные светильники, а также большинство компактных люминесцентных ламп оснащены электронными ПРА, которые являются нелинейными устройствами. Также нелинейностью обладают все светодиодные лампы и светильники. Для такого рода устройств cos φ не является показателем, который бы в полной мере характеризовал качество нагрузки. Поэтому был введен параметр «коэффициент мощности». Согласно ГОСТ IEC 62301-2016, коэффициент мощности определяется как «отношение измеренной активной мощности к измеренной полной мощности». Данное соотношение можно выразить следующей формулой:
где Sн — полная мощность для нелинейной нагрузки.
Параметр λ является безразмерной величиной, его значение не может превышать единицы. Нередко его выражают в процентах. В зарубежной литературе коэффициент мощности иногда может обозначаться как χ или PF.
Схожесть формул (2) и (3) не означает, что λ и cos φ — это одно и то же. В формуле (2) есть ограничение — только синусоидальные формы тока и напряжения. Следует отметить, что для нелинейной нагрузки значение cos φ может быть измерено, если ограничиться только первой гармоникой, другой вопрос, что результат такого измерения не имеет практической ценности.
Влияние нелинейности нагрузки на работу электрических сетей пока еще недостаточно изучено, поэтому простой и однозначной формулы для вычисления Sн, аналогичной (1), не существует.
Наибольшее распространение получила теория Буденау, согласно которой вводится особый тип мощности — так называемая мощность искажений, обозначаемая буквой D и выражаемая в вольт-амперах. Мощность искажений возникает за счет нелинейности нагрузки, при этом ее физические свойства аналогичны реактивной мощности, т. е. электрическая энергия возвращается обратно генератору. Согласно этой теории:
Расчет значения D осуществляется путем разложения тока несинусоидальной формы на отдельные гармоники, подробное описание этой методики выходит за рамки данной статьи.
Поскольку Sн ≥ S, всегда выполняется соотношение:
Низкое значение λ может быть связано не только с наличием емкостной или индуктивной составляющей в нагрузке, но еще и с ее ярко выраженной нелинейностью, которая, в свою очередь, ведет к значительному уровню гармоник высшего порядка. В свою очередь, высокий уровень гармоник — это серьезная проблема как для других потребителей электроэнергии, подключенных к той же сети, так и для устойчивости функционирования сети в целом. Например, высокий уровень гармоник с порядком, кратным трем, приводит к сильному нагреву нулевого провода в электрическом кабеле, что, в свою очередь, уменьшает срок службы кабеля по сравнению с расчетной величиной. То есть коэффициент мощности, в отличие от cos φ, более полно учитывает влияние параметров нагрузки на электрическую сеть.
Нормы на значение λ применительно к светотехнике
На момент написания статьи значение коэффициента мощности регулировалось Постановлением Правительства РФ от 24 декабря 2020 г. № 2255 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения». Эти нормы приведены в табл. 1 и 2.
Можно заметить, что к светодиодным светильникам при той же мощности требования более жесткие, чем к светодиодным лампам, поскольку в светильнике можно установить драйвер более сложной конструкции.
Получение информации о коэффициенте мощности
Сертификация на соответствие требований Постановления Правительства РФ № 2225, по данным автора статьи, пока является добровольной. Поэтому полагающаяся согласно постановлению информация о коэффициенте мощности в документации, прилагаемой к продукту, встречается не всегда.
Если на упаковке или в прилагаемом к светотехническому изделию описании нет данных о коэффициенте мощности, с большой долей вероятности эту информацию можно найти на сайте производителя.
Нужно осторожно относиться к документации на светодиодную продукцию, в которой указан cos φ, а не коэффициент мощности. Может, составители текста были недостаточно квалифицированными специалистами, имевшими в виду на самом деле λ. Или измерения проводились только на первой гармонике, тогда не исключено, что производитель хотел таким образом завысить показатель для потребителей, не отличающих cos φ от λ.
Для оценки качества ламп в хозяйстве электрика полезно иметь ваттметр с функцией измерения λ (на его дисплее этот параметр обозначается как Power Factor). Вполне качественный прибор с такой функцией можно купить менее чем за 1500 руб.
Зачем это нужно для потребителя?
Выгода от ограничения минимального значения λ для энергетиков очевидна. Но зачем за значением данного параметра должны следить потребители? Ведь их за слишком низкий коэффициент мощности светотехнического оборудования не наказывают…
Если речь идет, например, о крупном гипермаркете, то все проблемы, связанные с реактивной составляющей и высоким уровнем гармоник, нужно умножить на несколько тысяч светильников. К тому же не будем забывать, что крупные потребители оплачивают и реактивную составляющую.
Бытовые потребители и малый бизнес за реактивную составляющую не платят. Но для них важна надежность ламп и светильников, которая определяется в основном конструкцией драйвера. Светодиодные лампы и осветительные приборы, в которых применены полноценные драйверы, спроектированные по всем правилам, имеют λ ≥ 0,7 (даже если для выбранной мощности допускается меньшее значение согласно табл. 1 и 2). Такой драйвер выдерживает значительные броски напряжения в сети. Как правило, он прослужит весь заявленный срок. Меньшие значения коэффициента мощности означают, что драйвер имеет упрощенную конструкцию. Из этого однозначно не следует, что такой драйвер ненадежен, но вам тогда придется полагаться уже на авторитет данного бренда, а не на доступные объективные данные. А если вы выбираете светодиодные лампы, исходя из принципов осознанного потребления (есть и такая мотивация), то коэффициент мощности должен стать для вас важнейшим параметром, показывающим, какая часть электроэнергии реально используется, а не бесполезно расходуется на нагрев проводов.
