Меню

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности



Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности

Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер. В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы), ток опережает напряжение.

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой

1.Iа — активный ток
2.Iри — реактивный ток индуктивного характера

К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.

  1. Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно)
    2. Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно)
    3. A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.
Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (?)

Cos (?) = P1гарм / A1гарм

P1гарм — активная мощность первой гармоники 50 Гц
А1гарм — полная мощность первой гармоники 50 Гц
где,

A = ?P? + Q?

Таким образом, сos (?) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (?), т.к. низкий сos (?) несет следующие проблемы:

1. Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности)
2. Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330…370 В, вместо 380 В)
3. Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.

Потребители реактивной мощности.

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности.Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности.;Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя – статора передаётся во вторичную – ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности.К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление. Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая – реактивная мощность. Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.
Действительно, для простейшей схемы:

Читайте также:  Расчет мощности вращающегося вала

Р – активная мощность в центре питания,
Рн – активная мощность на шинах потребителя,
R – активное сопротивление распределительной сети,
Q – реактивная мощность в центре питания,
Qн – реактивная мощность на шинах потребителя.
U – напряжение в центре питания,
Uн – напряжение на шинах потребителя,
Х – индуктивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощность Q. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается – значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

Р = Рн + ( Рн? + Qн? ) * R / Uн?;
Q = Qн + ( Рн? + Qн? ) * X / Uн?.

Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

В распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности – потери при транспорте электрической энергии:
?Р = ( Рн? + Qн? ) * R ,

часть которых (а иногда и значительную) составляют потери от транспорта реактивной мощности.

Величина напряжения у потребителя, а, следовательно, и качество электрической энергии, снижается:
Uн = U – ( P * R + Q * X ) / U.

Увеличивается загрузка распределительной сети током, что лишает потребителя возможности перспективного развития.

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.
Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности – потребительских статических конденсаторов.

Источник

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ КАК ПОТРЕБИТЕЛЬ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ КАК ПОТРЕБИТЕЛЬ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Цель работы: экспериментальное исследование изменения потребления реактивной мощности асинхронными электродвигателями при отклонении напряжения от номинального значения и определение по опытным данным статических характеристик асинхронных электродвигателей.

Краткие методические указания.

Во время работы систем электроснабжения происходит изменение напряжения на зажимах работающих электроприемников, в том числе и у асинхронных электродвигателей (АД), составляющих значительную часть нагрузки промышленных предприятий. Поэтому при решении тех или иных задач эксплуатации систем электроснабжения часто требуется проводить анализ работы АД при отклонении напряжения от номинального значения.

Для выполнения такого анализа удобно использовать статическую характеристику – зависимость потребления реактивной мощности от значения напряжения, подведенного к АД. Статические характеристики АД имеют сложный характер, так как их вид зависит от номинальной мощности АД, коэффициента загрузки, характеристики момента сопротивления со стороны производственного механизма и т.д.

В лабораторной работе экспериментальное определение зависимости потребления мощности от напряжения выполняется по схеме, приведенной на рис.1. В этой схеме нагрузка на валу АД создается с помощью машины постоянного тока (МПТ). Эта нагрузка изменяется путем регулирования напряжения питания МПТ.

Рис.1. Схема проведения опыта по изучению статической характеристики АД

Порядок выполнения работы.

1. Собрать схему для определения статических характеристик АД, обмотки АД соединить вD.

2. Подать напряжение на собранную схему, установить междуфазное напряжение на выходе регулировочного трансформатора, равное 220 В. Напряжение питания МПТ установит равное нулю.

3.Подключить АД к схеме, проверить направление вращения, оно должно быть левым (стрелка измерителя частоты вращения должна отклониться влево). Если направление вращения правое, то отключить АД от схемы и поменять местами два провода.

4. Изменяя питающее напряжение с помощью регулировочного трансформатора, записывать показания вольтметра и утроенное показание ваттметра в таблицу 1.

Построить графики зависимости Q=f(U).

5. Перевести полученные значения реактивной мощности и напряжения в относительные единицы по следующим формулам:

, (1)

где Q – текущее значение потребляемой активной мощности;

Q220 – значение реактивной мощности, потребляемой нагрузкой при величине питающего напряжения 220 В.

Таблица 1. Зависимость потребления мощности АД от напряжения питания

Q, вар
U, В

, (2)

где U – текущее значение питающего напряжения.

6. Снова установить междуфазное напряжение на выходе регулирующего трансформатора, равное 220 В. Создать нагрузку на валу АД регулированием напряжения питания МПТ до значения, указанного преподавателем. Снижая напряжение питания АД, проводить измерения реактивной мощности и напряжения. Результаты опытов занести в таблицы, аналогичные табл.1.

7. Повторить несколько раз пункт 6, для каждого из опытов построить графики зависимостиQ=f(U).

8. Используя компьютерные математические системы (MATLAB и подобные) найти коэффициенты уравнений второго порядка, представляющих найденные статические характеристики в относительных единицах. В системе MATLAB это выполняется в следующем порядке (для активной нагрузки):

— создать вектор Q, содержащие значения потребляемой мощности в относительных единицах;

— создать вектор U, содержащий значения питающего напряжения в относительных единицах;

Читайте также:  Электрокотел потребляемая мощность квт

— найти с помощью функции polyfit(U,Q,2) коэффициенты полинома а1,a2,a3 , представляющего статическую характеристику по реактивной мощности как:

. (4)

Содержание отчета

1. Название работы.

3. Схема проведения опыта.

4. Таблицы с опытными данными.

5. Графики зависимости потребления мощности от величины питающего напряжения.

6. Уравнения статических характеристик.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Как определяется реактивная мощность, потребляемая АД?

2. Основные потребители реактивной мощности.

3. Значения отклонения напряжения по ГОСТ 13109-97.

4. Какие мероприятия следует использовать для сохранения питающего напряжения на АД в пределах, заданных ГОСТ 13109-97.

5. Как определить отклонение напряжения на АД расчетным путем.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Порядок выполнения работы.

1. Собрать схему (рис.1.) для исследования несимметричного режима работы трехфазного потребителя (схема соединения потребителя – звезда без нулевого провода).

Рис.1. Схема исследования несимметричного режима работы трехфазного потребителя

2. Установить значения потребляемой мощности от номинального значения по фазам: А – 10%, В – 10%, С – 10%. Сопротивление фаз модели линии установить равным 200 Ом и не изменять их до окончания работы.

3. Подать напряжение на схему, измерить три междуфазных напряжения на потребителе, результаты измерений занести в табл.1. Опыт повторить для всех соотношений мощности фаз, указанных в табл.1.

4. Отключить схему от сети и соединить нейтраль потребителя с нейтралью источника питания. Установить значения потребляемой мощности от номинального значения по фазам: А – 100%, В – 10%, С – 10%. Подать напряжение на схему и измерить три междуфазных и три фазных напряжения. Результаты измерений занести в табл.2. Опыт повторить для всех соотношений мощности фаз, указанных в табл.2.

Исследование несимметричного режима работы трехфазного потребителя (схема соединения звезда без нуля)

Соотношения мощности фаз трехфазного потребителя UАВ, В UВС, В UАС, В U2, В K2U,%
А В С
100% 10% 10%
80% 10% 10%
60% 10% 10%
40% 10% 10%

Исследование несимметричного режима работы трехфазного потребителя (схема соединения звезда с нулевым проводом)

Соотношения мощности фаз трехфазного потребителя UАВ, В UВС, В UАС, В UА, В UВ, В UС, В U, В K2U,%
А В С
100% 10% 10%
80% 10% 10%
60% 10% 10%
40% 10% 10%

5. Собрать схему (рис.2.) для исследования несимметричного режима работы однофазного потребителя (симметрирующееустройство вначале отключено от сети). Установить мощность активной нагрузки 20% от номинального значения. Перед включением схемы установить значение междуфазного напряжения 220 В. Подать напряжение на схему и измерить значения токов в фазах сети. Результаты измерений занести в табл.3.

6. Отключить схему от сети и подключить симметрирующее устройство (рис.2.). Мощность индуктивной ветви (два последовательно соединенных индуктивных сопротивления) – по 25% от номинального значения, мощность емкостной ветви (два последовательно соединенных емкостных сопротивления) — по 25% от номинального значения. Подключение емкостной ветви производить через токоограничивающее сопротивление величиной 150 – 200 Ом (одна из фаз свободной модели линии) для предотвращения броска тока при включении емкости. После включения схемы вывести токоограничивающее сопротивление из работы и измерить значения токов в фазах сети. Результат измерений занести в табл.3.

Рис.2. Схема исследования несимметричного режима однофазного потребителя

Исследование несимметричного режима работы однофазного потребителя

Схема подключения однофазного потребителя Токи фаз, А
IA IB IC
Без симметрирующего устройства
С симметрирующим устройством

7. Определить значения напряжений обратной последовательности U2 для каждого из четырех опытов (табл.1.) по следующим формулам:

(1)

и

где UНБ — наибольшее значение междуфазного напряжения,

UНМ — наименьшее значение междуфазного напряжения.

Результаты сравнить, и занести в табл.1.

Рассчитать коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U,% для четырех опытов как

где UН — номинальное напряжение трехфазной сети.

Результаты расчетов K2U,% занести в табл.1.

8. Определить значения напряжений нулевой последовательности U для каждого из четырех опытов (табл.2.) по следующим формулам:

и

где UНБФ — наибольшее значение фазного напряжения,

UНМФ — наименьшее значение фазного напряжения.

Результаты сравнить, и занести в табл.2.

Рассчитать коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности KU, % как

Результаты расчетов занести в табл.2.

9. Построить векторную диаграмму симметричных составляющих токов для подключения однофазной нагрузки к трехфазной сети без симметрирующего устройства.

10. Сделать выводы по работе.

Содержание отчета

1. Название работы.

3. Схемы проведения опыта.

4. Таблицы с опытными данными.

5. Расчеты напряжений обратной и нулевой последовательностей, коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U,% и коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности KU, %.

6. Векторные диаграммы симметричных составляющих токов при подключении однофазной нагрузки в трехфазную сеть.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Основные причины возникновения несимметричных режимов работы в трехфазных электрических сетях.

Читайте также:  Как рассчитать мощность водяных батарей

2. Метод симметричных составляющих и его применение к определению прямой, обратной и нулевой последовательностей при несимметричных режимах.

3. В чем проявляется вредное воздействие токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей на электроприемники.

4. Основные методы по снижению несимметрии в трехфазных электрических сетях.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Порядок выполнения работы

1. На компьютере запустить MatLab и затем — пакет Simulink.

2. Открыть файл с исследуемой моделью – koleb_U.mdl.

3. Задать параметры трехфазного программируемого источника и нагрузки, установив при этом режим прямоугольных колебаний напряжения.

3. Установить время моделирования и запустить процесс моделирования. По окончании процесса моделирования открыть осциллограф и определить величину размаха колебания напряжения, длительность интервала времени между изменениями напряжения.

Размах колебания напряжения в процентах находится по следующей формуле:

, (1)

где Uai, Uai+1— значения следующих один за другим экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей амплитудных значений напряжения на каждом полупериоде основной частоты, В.

Интервал времени между изменениями напряжения Dti, i+1 в секундах или минутах вычисляют по формуле

где ti, ti+1— начальные моменты следующий один за другим изменений напряжения, с, мин.

Данные измерений и расчетов занести в табл.1.

Исследование прямоугольных колебаний напряжения

№ опыта Uai Uai+1, В dUt,% ti+1 , с ti , с Dti, i+1, с

4. Повторить несколько раз опыт с прямоугольными колебаниями напряжения, в одном из опытов преобразовать полученную осциллограмму в графический файл с последующей распечаткой.

5. По результатам опытов определить создавались или нет провалы напряжения и временные перенапряжения, и в случае возникновения этих процессов, определить их параметры длительность провала напряжения, коэффициент временного перенапряжения, длительность временного перенапряжения. Длительность провала напряжения определяется как

где tн — начальный момент времени провала напряжения (снижение среднеквадратичного напряжения ниже уровня 0,9 Uном);

tк— конечный момент времени провала напряжения (восстановление среднеквадратичного напряжения до уровня 0,9 Uном).

Коэффициент временного перенапряжения по вычисляется по формуле

. (4)

Длительность временного перенапряжения Dtпер в секундах определяется как

где tн пер — момент времени превышения действующим значением напряжения уровня 1,1 Uном;

tк пер — момент времени спада напряжения до уровня 0,9 Uном.

5. Установить режим модулированных колебаний напряжения на трехфазном программируемом источнике и повторить пункты 3 — 4. Данные измерений и расчетов занести в табл.2.

Исследование модулированных колебаний напряжения

№ опыта Uai Uai+1, В dUt,% ti+1 , с ti , с Dti, i+1, с

6. По результатам работы сделать вывод о соответствии качества электроэнергии во время проведения опытов требованиям ГОСТ 13109-97.

Содержание отчета

8. Название работы.

10. Схема исследуемой модели.

11. Таблицы с опытными данными.

12. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Основные причины возникновения колебаний напряжения в электрических сетях.

2. Основные причины возникновения провалов напряжения и временных перенапряжений.

3. В чем проявляется вредное воздействие колебаний напряжений на электроприемники.

4. Основные методы по снижению колебаний напряжения в трехфазных электрических сетях.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Рис.1. Схема полной звезды

Реагирует на все виды повреждений. Недостатком является то. Что во всех случаях будет происходить отключение двух линий. В сетях 6÷35 кВ не применяется, так как анормальный режим работы возможен в течение двух часов, согласно ПУЭ. Используется в сетях 110 кВ и выше.

Недостатком является то, что схема дорогая, громоздкая.

Рис.2. Схема неполной звезды

При двойных замыканиях на землю в 2/3 случаев (между фазами А и В, В и С) происходит правильное отключение только одной линии. По сравнению со схемой полной звезды. Проще, дешевле.

Чувствительность защиты при двухфазном КЗ за трансформатором с группами соединения обмоток Y/Δ-11; Δ/Y -11 в 2 раза ниже, чем в предыдущем, и объясняется это тем, что ток в реле в 2 раза меньше.

Применяется в сетях 6÷35 кВ с изолированной или с компенсированной нейтралью.

Порядок выполнения работы

1.Снятьосциллограммы исследования схем в нормальном режиме.

2. Снятьосциллограммы исследования схем при однофазном коротком замыкании.

3. Снятьосциллограммы исследования схемпри двухфазном коротком замыкании.

Содержание отчета

1. Название работы.

3. Схема исследуемой модели.

5. Выводы по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ КАК ПОТРЕБИТЕЛЬ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Цель работы: экспериментальное исследование изменения потребления реактивной мощности асинхронными электродвигателями при отклонении напряжения от номинального значения и определение по опытным данным статических характеристик асинхронных электродвигателей.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник