Підвищення коефіцієнта потужності в ланцюгах синусоїдального струму
Велика частина сучасних споживачів електричної енергії мають індуктивний характер навантаження, струми якої відстають по фазі від напруги джерела. Так для асинхронних двигунів, трансформаторів, зварювальних апаратів та інших реактивний струм потрібен для створення обертового магнітного поля у електронних машин і змінного магнітного потоку трансформаторів.
Активна потужність таких споживачів при даних значеннях струму і напруги залежить від cosφ:
P = UICosφ, I = P / UCosφ
Зниження коефіцієнта потужності призводить до підвищення струму.
Косинус фі особливо сильно знижується при роботі двигунів і трансформаторів вхолосту або при великій недовантаження. Якщо в мережі є реактивний струм потужність генератора, трансформаторних підстанції та мереж вживається не повністю. Зі зменшенням cosφ істотно зростають втрати енергії на нагрів проводів і котушок електронних апаратів.
Наприклад, якщо активна потужність залишається незмінною, забезпечується струмом 100 А при cosφ = 1, то при зниженні cosφ до 0,8 і тієї ж потужності сила струму в мережі зростає в 1,25 рази (Іа = Iсеті х cosφ, Іс = Іа / cosφ).
Втрати на нагрівання проводів мережі і обмоток генератора (трансформатора) Pнагр = I2сеті х Rсеті пропорційні квадрату струму, іншими словами вони ростуть в 1,252 = 1,56 рази.
При cosφ = 0,5 сила струму в мережі при тій же активній потужності дорівнює 100 / 0,5 = 200 А, а втрати в мережі ростуть в 4 рази (!). Зростають втрати напруги в мережі, що порушує нормальну роботу інших споживачів.
Лічильник споживача у всіх випадках відраховує одне і те ж кількість споживаної активної енергії в одиницю часу, але в останньому випадку генератор подає в мережу силу струму, в 2 рази більшу, ніж в першому. Навантаження ж генератора (термічний режим) визначається не активною потужністю споживачів, а повної потужністю в кіловольт-амперах, іншими словами твором напруги на силу струму, що протікає по обмотках.
Якщо позначити опір проводів лінії Rл, то втрати потужності в ній можна знайти так:
Таким чином, чим вище споживача, тим менше втрати потужності в смуги і дешевше передача електроенергії.
Коефіцієнт потужності вказує, як вживається номінальна потужність джерела. Так, для живлення приймача 1000 кВт при φ = 0,5 потужність генератора повинна бути S = P / cosφ = 1000 / 0,5 = 2000 кВА, а при cosφ = 1 S = 1000 кВА.
Отже, збільшення коефіцієнта потужності нарощує ступінь використання потужності генераторів.
Для збільшення коефіцієнта потужності (cosφ) електронних установок використовують компенсацію реактивної потужності.
Зростання коефіцієнта потужності (зменшення кута φ - зсуву фаз струму і напруги) можна досягти наступними методами:
1) підміною мало завантажених двигунів двигунами меншої потужності,
2) зниженням напруги
3) вимиканням движків і трансформаторів, що працюють на холостому ходу,
4) включенням в мережу особливих компенсуючих пристроїв, що є генераторами випереджаючого (ємнісного) струму.
На масивних районних підстанціях для цієї мети спеціально встановлюють синхронні компенсатори - синхронні перезбуджені електродвигуни.
Щоб підвищити економічність енергетичних установок найбільш часто вживають батареї конденсаторів, що підключаються паралельно індуктивному навантаженні (рис. 2 а).
Мал. 2 Включення конденсаторів для компенсації реактивної потужності: а - схема, б, в - векторні діаграми
Для компенсації cosφ в електронних установках до декількох сотень кВА використовують косинусні конденсатори. Їх випускають на напругу від 0,22 до 10 кВ.
Ємність конденсатора, потрібну для збільшення cosφ від наявного значення cosφ1 до необхідного cosφ2, можна знайти по діаграмі (рис. 2 б, в).
При побудові векторної діаграми в якості початкового вектора прийнятий вектор напруги джерела. Якщо навантаження є індуктивний характер, то вектор струму I1 відстає від вектора напруги на кут φ1Iа збігається за напрямком з напругою, реактивна складова струму Iр відстає від нього на 90 ° (рис. 2 б).
Після підключення до споживача батареї конденсаторів ток I визначається як геометрична сума векторів I1 і Ic. При цьому вектор ємнісного струму випереджає вектор напруги на 90 ° (рис. 2, в). З векторної діаграми видно, що φ2 < φ1, тобто після включення конденсатора коефіцієнт потужності збільшується від cosφ1 до cosφ2
Ємність конденсатора можна вирахувати за допомогою векторної діаграми струмів (рис. 2 в) Ic = Iр1 - Iр = Іа tgφ1 - Іа tgφ2 = ωCU
Беручи до уваги, що P = UIа, запишемо ємність конденсатора С = (Іа / ωU) х (tgφ1 - tgφ2) = (P / ωU2) х (tgφ1 - tgφ2).
На практиці зазвичай коефіцієнт потужності збільшують не до 1,0, а до 0,90 - 0,95, тому що повна компенсація вимагає додаткової установки конденсаторів, що нерідко економічно не виправдане.
Школа для електрика
- Як змінюються параметри трифазного асинхронного двигуна при умовах, відмінних від номінальних?
- Змінний струм
- Програма навчання Тема 2 Електротехніка
- Як включити трифазний лічильник активної електричної енергії в високовольтну мережу
- Номінальні напруги електричних мереж і області їх застосування
- Як визначити стан електромагнітної системи трансформаторів і електричних машин
- Вихрові струми
- Як виміряти коефіцієнт трансформації трансформаторів струму
- Вплив cos? На економічні показники
- Робота і потужність електричного струму
- Похибки вимірювань електроенергії, вимоги до вимірювальних трансформаторів
- Індуктивність в колі змінного струму
- Втрати енергії і ККД асинхронних двигунів
- Несправності вимірювальних трансформаторів в ланцюгах обліку електричної енергії
- Для чого потрібна компенсація реактивної потужності
- Схеми заміщення трансформаторів при розрахунках електричних мереж
- Обслуговування трансформаторів струму
- Робочі характеристики асинхронного двигуна
- Асинхронні електродвигуни загальна інформація
- Як визначити економію електричної енергії при збільшенні коефіцієнта потужності
- Режими роботи трансформатора