Как повысить коэффициент мощности без использования компенсирующих конденсаторов

Компенсация реактивной мощности позволяет значительно экономить топливно-энергетические ресурсы и денежные средства. Ее определяют по показаниям реактивных счетчиков. Активная мощность, кВт, характеризует интенсивность преобразования электрической энергии в тепловую, механическую, световую и т. д. Реактивная мощность, квар, характеризует интенсивность обмена мощности между генератором и потребителем; электрическая энергия при этом не преобразуется.

Для промышленных объектов промышленных предприятий характерно заметное превышение реактивной мощности над активной. Потери энергии, как известно, пропорциональны квадрату полного тока. Реактивные нагрузки обусловливают значительные потерн энергии. Для повышения экономичности электроснабжения предприятия и его цехов, улучшения качества напряжения и повышения производительности электрифицированного оборудования необходимо уменьшать эти нагрузки.

Уменьшения реактивных нагрузок в условиях эксплуатации достигают в результате организационно-технических мероприятий, главным образом применения компенсирующих устройств.

При недостаточной компенсации прохождение реактивных нагрузок по линиям электропередач и через трансформаторы приводит к уменьшению их пропускной способности, потерям энергии и напряжения во всех элементах схемы электроснабжения. Следствием этого являются повышенный расход топливно-энергетических ресурсов и необходимость дополнительных затрат на расширение электростанций, увеличение установленной мощности силовых трансформаторов и сечения проводников.

Для повышения экономичности электроснабжения промышленных предприятий необходимо стремиться к уменьшению потребляемой реактивной мощности до значений, задаваемых энергосистемой.

Для повышения коэффициента мощности путем улучшения работы электроустановок без применения компенсирующих устройств проводятся следующие мероприятия:

Электродвигатель для рабочей машины следует подбирать в соответствии с режимом ее работы, учитывая допустимую перегрузку двигателя.

Во всех случаях желательно выбирать электродвигатель с более высоким номинальным коэффициентом мощности. Там, где это возможно, необходимо отдавать предпочтение двигателям с большей скоростью вращения и с короткозамкнутым ротором, вращающимся на подшипниках качения.

Если электродвигатели уже установлены и возможность их замены исключается, то для повышения коэффициента мощности рекомендуется пересмотреть технологию производства и по возможности модернизировать механизмы. Например, если на шпалорезках, лесопильных рамах, торцовках и т. д. двигатели загружены не полностью, их загрузку можно увеличить, повысив скорость пиления, увеличив скорость подачи, в связи с чем повысится их производительность.

Замена незагруженных асинхронных электродвигателей двигателями меньшей номинальной мощности не всегда целесообразна. Объясняется это тем, что у электродвигателей меньшей мощности при других равных параметрах номинальный к. п. д. ниже, поэтому после замены потери в двигателе могут оказаться выше, чем до замены. Как показывают подсчеты и опыт, при средней загрузке двигателя на 45% от номинальной мощности замена целесообразна всегда. Если же загрузка находится в пределах от 45 до 70%, то целесообразность замены должна быть проверена расчетом. При загрузках выше 70% замена в большинстве случаев нецелесообразна, тем более, что это связано с расходом на демонтаж установленного электродвигателя и монтаж заменяющей его машины.

Заметную роль в режиме работы электродвигателей играет постоянство подводимого напряжения. На маломощных электростанциях иногда поддерживают напряжение выше номинального, что приводит к увеличению тока холостого хода, а следовательно, к увеличению реактивной мощности. Поэтому для повышения коэффициента мощности необходимо поддерживать номинальное напряжение.

В целях повышения коэффициента мощности особенное внимание следует обращать на качество ремонта электродвигателей.

Изменения коэффициента мощности и к. п. д. короткозамкнутого асинхронного электродвигателя при включении обмоток статора звездой и треугольником двигателя снижает коэффициент мощности, поэтому необходимо следить, чтобы в отремонтированном двигателе сохранились: прежнее число последовательно соединенных витков в фазе; суммарное поперечное сечение обмотки фазы, т. е. сумма сечений проводов всех параллельных ветвей; прежний воздушный зазор. Если после ремонта окажется, что воздушный зазор увеличился более чем на 15% против нормы, такой двигатель использовать не рекомендуется.

Значительные результаты в повышении естественного коэффициента мощности предприятия можно получить при более рациональном использовании трансформаторов. Так как основная часть реактивной мощности, потребляемой трансформатором, приходится на мощность холостого хода, рекомендуется по возможности отключать трансформаторы на время холостого хода. Следует заменять трансформаторы, загрузка которых составляет 30% и меньше; в остальных случаях целесообразность замены или перестановки трансформаторов определяется расчетом. При этом следует иметь в виду, что повышение коэффициента загрузки трансформатора до 0,6 приводит к заметному повышению коэффициента мощности, а при дальнейшем увеличении коэффициента загрузки от 0,6 до 1 коэффициент мощности улучшается незначительно.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И СПОСОБЫ ЕГО ПОВЫШЕНИЯ

Площади поперечного сечения приводов линий электропередачи и электрических сетей, обмоток электрических машин, трансформаторов, электротехнических аппаратов и приборов выбираются, исходя из нагревания, по значению тока в них, который при заданном напряжении переменного тока прямо пропорционален полной мощности S. А энергия, преобразуемая из электрической в другие виды (в механическую, тепловую и т. д.) и используемая в большей части для практических целей, пропорциональна активной энергии и соответствующей ей активной мощности Р.

Как известно, между указанными мощностями и реактивной мощностью существуют соотношения

P = S cos φ; .

Входящий в первое выражение cos φ называется коэффициентом мощности и показывает, какую часть полной мощности составляет активная мощность: cos φ = P/S= Р .

Считая, что активная мощность установки, значение которой зависит в основном от мощности приемников, остается постоянной, выясним, к чему приведет увеличение коэффициента мощности установки.

Очевидно, при уменьшении тока площади поперечного сечения названных элементов могут быть также уменьшены. В отношении трансформаторов и генераторов это приводит к уменьшению габаритных размеров, расхода дефицитных материалов на изготовление, массы, номинальной мощности и стоимости.

В действующей установке повышение cos φ при существующей площади поперечного сечения проводов позволит увеличить число приемников, которые могут быть подключены к данной сети.

Таким образом, повышение коэффициента мощности дает определенные выгоды во многих отношениях, а поэтому имеет большое народнохозяйственное значение.

Большая часть элементов электрических цепей переменного тока потребляет кроме активной мощности также индуктивную мощность. К ним относятся в первую очередь наиболее распространенные в народном хозяйстве асинхронные электродвигатели. Значительная часть индуктивной мощности потребляется трансформаторами, широко используемыми вразличных установках. Индуктивная мощность потребляется также различными электромагнитными аппаратами, такими, например, как электромагниты, контакторы и магнитные пускатели, реле и т. д.

Для уменьшения индуктивной мощности и увеличения тем самым cos φ необходимо прежде всего:

выбирать правильно двигатели по мощности, так как необоснованное завышение мощности приведет к их работе с недогрузкой, а при этом, как правило, cos φ понижается;

заменять двигатели, работающие с недогрузкой, двигателями меньшей мощности;

сокращать по возможности времена работы двигателей и трансформаторов вхолостую.

Если все же cos φ оказывается недостаточно высоким, прибегают часто к его искусственному повышению. Для этой цели подключают к трехфазной сети компенсирующие устройства, к которым относятся батареи конденсаторов и трехфазные синхронные компенсаторы (см. гл. 11). Последние применяются реже. Батарея конденсаторов соединяется обычно треугольником, как показано на рис. 3.18, а. Батарея конденсаторов потребляет емкостную мощность, которая частично компенсирует индуктивную мощность установки, в результате чего реактивная мощность уменьшается, а коэффициент мощности повышается. Естественно, что cos φ самих приемников при этом остается прежним.

Рис. 3.18. Схема и векторная диаграмма к примеру 3.5

Чтобы уменьшить ток проводов сети, батарею конденсаторов устанавливают по возможности вблизи приемников.

Пример 3.5. К трехфазной сети рис. 3.18, а с линейными напряжениями U_л = 220В подключены два трехфазных приемника. Активная мощность и коэффициент мощности первого приемника P₁ = 10 кВт, cos φ₁ = 0,7. Фазные сопротивления второго приемника r_ф = 6 Ом,

x_Lф = 8 Ом, нагрузка симметричная.

Определить токи, мощности и коэффициент мощности cos φ установки из двух приемников. Найти мощность, токи и емкость батареи конденсаторов, если требуется повысить коэффициент мощности до cos φ’ = 0,95. Определить токи и мощности установки из двух приемников и батареи конденсаторов.

Решение. Полная и реактивная мощности первого приемника

S₁ = P₁/cos φ₁ = 14,3 кВ•А, Q₁ = ≈ 10,2 квар.

Полное сопротивление и ток фазы второго приемника

z₂ = = 10 Ом; I_ф2 = U_ф /z₂ = U_л /z₂ = 22 А.

Активная и реактивная мощности второго приемника

Активная, реактивная и полная мощности установки, состоящей из двух преемников.

≈ 28,7 кВ•А.

Линейный ток и коэффициент мощности установки из двух приемников

I_л = I_a = S Uл ≈ 75,5 A; cos φ = P/S ≈ 0,65.

Мощности установки из приемников и батареи конденсаторов

Р’ = Р = 18,7 кВт; S’ = P/cos φ’ = 19,68 кВ•А;

Q’ = = 6,13 квар.

Линейные токи установки из приемников и батареи конденсаторов, мощность и линейные токи батареи конденсаторов

I_к.л = Qк / Uл = 41,2 А.

Фазные токи и сопротивление фазы батареи конденсаторов

I_к.л/ = 20,8 А; x_к.ф = U_ф /I_к.ф = U_л /I_к.ф = 10,58 Ом.

Емкость одной фазы и всей батареи конденсаторов

Векторная диаграмма цепи рис, 3.18, а приведена на рис. 3.18, б. На диаграмме показаны только те токи, которые определяют ток I’_a (т. е. I_a и I_кa), а также токи, определяющие ток I_кa

Источник

Как повысить коэффициент мощности в цепях синусоидального тока

Как повысить коэффициент мощности в цепях синусоидального тока

Влияние реактивного тока

Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так дл асинхронных двигателей, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток необходим для создания вращающегося магнитного поля у электрических машин и переменного магнитного потока трансформаторов.Активная мощность таких потребителей пи заданных значениях тока и напряжения зависит от :

Снижение коэффициента мощности
приводит к увеличению тока.
особенно сильно снижается при работе двигателей и трансформаторов вхолостую или при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток, мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей используется не полностью.

Внимание! С уменьшением
значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов и катушек электрических аппаратов.
Например, если активная мощность остается постоянной, обеспечивается током 100 А при =1, то при понижении до 0,8 и той же мощности сила тока в сети возрастает в 1,25 раза.

Потери на нагрев проводов сети и обмоток генератора (трансформатора) Рнагр=I2сети хRсети пропорциальны квадрату тока, то есть они возрастают в 1,252=1,56 раза.

При =0,5 сила тока в сети при той же активной мощности равна 100/0,5=200 А, а потери в сети возрастают в 4 раза. Возрастают потери напряжения в сети, что нарушает нормальную работу других потребителей.

Счетчик потребителя во всех случаях отсчитывает одно и то же количество потребляемой активной энергии в единицу времени, но в последнем случае генератор подает в сеть силу тока, а в 2 раза большую, чем в первом. Нагрузка же генератора (тепловой режим) определяется не активной мощностью потребителей, а полной мощностью в киловольт-амперах, то есть произведением напряжения на силу тока, протекающего по обмоткам.

Если обозначить сопротивление проводов линии Rл, то потери мощности в ней можно определить так:

Таким образом, чем выше коэффициент мощности потребителя, тем меньше потери мощности в линии и дешевле передача электроэнергии.

Коэффициент мощности – это величина, которая показывает, как используется номинальная мощность источника.

Так, для питания приемника 1000кВт при =0,5 мощность генератора должна быть S=P/ =1000/0,5=2000кВА, а при =1 S=1000 кВА.

Следовательно, повышение коэффициента мощности увеличивает степень использования мощности генераторов.

Для повышения коэффициента мощности электрических установок применяют компенсацию реактивной мощности.

Увеличения коэффициента мощности (уменьшения угла — сдвига фаз тока и напряжения) можно добиться следующими способами:

— заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности;

— выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу;

— включением в сеть специальных компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.

На мощных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы – синхронные перевозбужденные электродвигатели.

Коррекция коэффициента мощности

Коэффициент мощности – это отношение полезной (активной) мощности к полной (кажущейся) мощности, потребляемой электрооборудованием объекта или электроустановкой. Он является мерой эффективности преобразования электрической энергии в полезную работу. Идеальное значение коэффициента мощности равно единице. Любая величина, меньшая, чем единица, означает, что для получения желаемого результата необходима дополнительная мощность.
Протекание токов приводит к потерям в генерирующих мощностях и распределительной системе. Нагрузка с коэффициентом мощности 1,0 наиболее эффективно загружает источник, а нагрузка с коэффициентом мощности, к примеру, 0,8 является причиной больших потерь в системе и более высоких расходов на электроэнергию.

Сравнительно небольшое улучшение коэффициента мощности может привести к значительному снижению потерь, так как они пропорциональны квадрату тока.

Если коэффициент мощности меньше единицы, это указывает на присутствие так называемой реактивной мощности. Она требуется для получения магнитного поля, необходимого для работы двигателей и других индуктивных нагрузок. Реактивная мощность, которую также можно назвать бесполезной мощностью или мощностью намагничивания, создаёт дополнительную нагрузку на систему электропитания и увеличивает затраты потребителя за электроэнергию.

Низкий коэффициент мощности обычно является результатом сдвига фаз между напряжением и током на выводах нагрузки. Также его причиной может стать высокое содержание гармоник, то есть сильно искажённая форма тока. Коэффициент мощности чаще всего понижается из-за наличия индуктивных нагрузок: асинхронных двигателей, силовых трансформаторов, ПРА люминесцентных ламп, сварочных установок и дуговых печей. Искажения формы тока могут быть результатом работы выпрямителей, преобразователей, регулируемых приводов, импульсных источников питания, газоразрядных ламп или других электронных нагрузок.

Подробнее о коэффициенте мощности

Представим себе однофазный асинхронный двигатель. Если он является чисто резистивной нагрузкой для источника, ток будет в фазе с напряжением. Но так не бывает. Двигатель имеет магнитную систему, и ток намагничивания находится не в фазе с напряжением. Ток намагничивания – это ток, который определяет магнитный поток в сердечнике. Будучи не в фазе с напряжением, он заставляет поворачиваться вал двигателя. Ток намагничивания не зависит от нагрузки двигателя, его величина обычно находится в пределах от 20 до 60% от номинального тока двигателя при полной нагрузке, и он не вносит вклад в выполнение двигателем полезной работы.
Рассмотрим двигатель с током потребления 10 А и коэффициентом мощности 0,75. В этом случае полезный ток равен 7,5 А. Полезная мощность двигателя равна 230 х 7,5 = 1,725 кВт, однако общая потребляемая мощность составляет 230 х 10 = 2,3 кВт. Без коррекции коэффициента мощности для получения требуемой мощности 1,725 кВт (7,5 А) должна подаваться мощность 2,3 кВА (10 А). То есть потребляется ток 10 А, но полезную работу выполняют только 7,5 А.

Коэффициент мощности можно определить двумя способами:

Методы улучшения коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) достигается установкой конденсаторов параллельно двигателю или схеме освещения, которые могут устанавливаться на оборудовании, распределительном щите или на вводе в электроустановку.

Статическая компенсация реактивной мощности может быть достигнута для каждого отдельного двигателя при подключении компенсирующих конденсаторов к пускателю двигателя. При этом при изменении нагрузки

двигателя может наблюдаться недо- или перекомпенсация. Статическая компенсация реактивной мощности не должна применяться на выходе регулируемого привода, электронного устройства плавного пуска или преобразователя, так как конденсаторы могут стать причиной выхода из строя электронных компонентов.

При правильно рассчитанной компенсации реактивной мощности не должно быть перекомпенсации. Обычно компенсация реактивной мощности отдельного двигателя рассчитывается исходя из реактивной (намагничивающей) мощности, так как она сравнительно постоянна в отличие от активной мощности, это позволит избежать перекомпенсации.

При применении управления компенсацией реактивной мощности в схеме звезда/треугольник необходимо обратить внимание на то, чтобы конденсаторы не работали в режиме частого подключения и отключения. Обычно устройство компенсации подключается к сети или цепям контактора переключения на треугольник. Устройство компенсации реактивной мощности, подключаемое на вводе электроустановки, состоит из контроллера, измеряющего реактивную мощность и коммутирующего конденсаторы для поддержания значения коэффициента мощности выше заданного значения (обычно 0,95). При применении общей компенсации реактивной мощности другие нагрузки теоретически могут устанавливаться в любом месте сети.

Зачем повышать коэффициент мощности? — Руководство по устройству электроустановок

Снижение стоимости электроэнергии

Оптимальное регулирование потребления реактивной мощности дает следующие экономические преимущества.

Приводимая информация основана на фактической структуре тарифных ставок, общепринятой в Европе и направленной на стимулирование потребителей минимизировать потребление реактивной мощности.

Установка конденсаторов для повышения коэффициента мощности позволяет потребителям снижать затраты на электроэнергию за счет поддержания уровня потребления реактивной мощности ниже значения, согласованного (по договору) с поставщиком электроэнергии. В рамках рассматриваемой тарифной структуры счет за потребленную реактивную энергию выставляется по критерию tg φ.Как указано выше:

Электроснабжающая организация поставляет реактивную энергию бесплатно:

(tg φ = 0,4) в течение максимального периода 16 часов в день (с 06-00 до 22-00 ч) в период наибольшей нагрузки (часто зимой).

В течение периодов ограничения счет за реактивную энергию, потребленную свыше 40% активной энергии (tg φ > 0,4), выставляются ежемесячно по текущим ставкам. Таким образом, количество реактивной энергии Wреак, оплачиваемой потребителем в такие периоды, составляет: квар·ч (к оплате) = W кВт·ч (tg φ – 0,4), где W кВт·ч – активная энергия, потребленная в периоды ограничения, tg φ – общая реактивная энергия за период ограничения и 0,4W (кВт·ч) – количество реактивной энергии, поставленной бесплатно за период ограничения.

Tg φ = 0,4 соответствует коэффициенту мощности 0,93. Таким образом, если в периоды ограничения коэффициент мощности никогда не упадет ниже 0,93, потребитель ничего не будет платить за потребленную реактивную мощность.

Однако, получая такие преимущества пониженных затрат на электроэнергию, потребитель должен учитывать стоимость приобретения, установки и обслуживания конденсаторов для повышения коэффициента мощности, а также автоматических регуляторов (в случае ступенчатой компенсации) вместе с дополнительными кВт·ч, потребляемыми диэлектриками.

Учитывая такие затраты на конденсаторы, может оказаться более экономически выгодным обеспечивать только частичную компенсацию, т.е. оплата некоторой потребляемой реактивной энергии может обходиться дешевле, чем 100%-ная компенсация.

Вопрос повышения коэффициента мощности — это, прежде всего, вопрос оптимизации (за исключением очень простых случаев).

Техническая/экономическая оптимизация

Высокий коэффициент мощности позволяет оптимизировать все компоненты системы, то есть избежать завышения номиналов определенного оборудования. Для получения оптимальных результатов необходимо устанавливать компенсирующие устройства как можно ближе к потребителю реактивной (индуктивной) энергии.

Уменьшения сечения кабелей

Рис. L7: требуемое увеличение сечения кабелей при снижении коэффициента мощности с единицы до 0,4.

Рис. L7 : Множитель для сечения кабеля в зависимости от cos φ

Снижение потерь (P, кВт) в проводниках

Потери в кабелях пропорциональны квадрату тока и измеряются счетчиком киловатт-часов установки. Например, снижение общего тока в проводнике на 10% приводит к снижению потерь почти на 20%.

Снижение потерь напряжения

Конденсаторы для повышения коэффициента мощности снижают или даже полностью устраняют (индуктивный) реактивный ток в вышележащих проводниках, тем самым снижая или устраняя потери напряжения.

Примечание: избыточная компенсация приводит к повышению напряжения на конденсаторах.

Повышение пропускной способности

Повышение коэффициента мощности нагрузки, питаемой от трансформатора, приводит к снижению тока через трансформатор, что позволяет добавлять нагрузку. На практике может оказаться дешевле повысить коэффициент мощности [1], чем заменить трансформатор на больший номинал.

Этот вопрос рассматривается в разделе Компенсация на зажимах трансформатора.

Примечания

[1] В силу других преимуществ высокого значения коэффициента мощности, указанных ранее.

Необходимость повышения коэффициента мощности

При должным образом выполненной коррекции коэффициента мощности достигаются следующие преимущества:

Источник