Меню

Индивидуальная компенсация реактивной мощности асинхронных двигателей



О компенсации реактивной мощности электродвигателей переменного тока

Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока. Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.

Компенсация реактивной мощности необходима для любых индуктивных (и емкостных) нагрузок с токами, синусоида которых смещена относительно синусоиды напряжения на углы до π радиан(или до 180°), а в основе коррекции коэффициента мощности лежит принцип компенсации реактивных токов, который наиболее легко понять на примере физических (электрических) процессов, протекающих в электродвигателях переменного тока.

Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока

Работа электродвигателя переменного тока невозможна без превентивного создания магнитных полей обмоток ротора и статора, взаимодействие между которыми заставляет вал вращаться. На создание этих полей идет ток намагничивания (MagnetizingCurrent на рис. ниже), а работу двигателя с нагрузкой обеспечивает ток нагрузки (LoadCurren на рис. ниже), которые условно можно представить, как две логические цепи (линии) ветвления подаваемого на электродвигатель тока (TotalMotorCurrent на рис. ниже).

Важно: Ветвление подаваемого тока представляет логические, а не физические связи в электродвигателе — это не физическое деление цепи, а условная логическая схема для понимания концепции реактивных и активных токов.

Если условно принять, что на холостом ходу вал двигателя вращается без каких-либо потерь энергии на трение, нагрев подвижных частей, нагрев обмотки и пр., то ток намагничивания (MagnetizingCurrent) остается постоянной величиной, зависит только от конструктивных особенностей двигателя и «опаздывает» по отношению к сетевому напряжению на π радиан или 180° — синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо.

Кроме того, ток намагничивания условно не связан с присоединяемыми к двигателю нагрузками и по сути не использует энергию – потребляемая в первой половине периода на создание магнитного поля энергия возвращается в сеть во втором полупериоде.

При подключении нагрузки (исполнительного механизма, компрессора и пр.) электродвигатель начинает потреблять из силовой сети ток нагрузки в объемах, пропорциональных силе сопротивления вращению двигателя. Причем ток нагрузки синфазен сетевому напряжению — увеличивается и уменьшается соответственно нагрузке, но в фазе с напряжением.

Поскольку синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо, то результирующая синусоида тока намагничивания и синфазного с напряжением тока нагрузки смещена относительно синусоиды напряжения на угол в пределах от 0 до 90° вправо (опаздывает).
При (условно) равных токах намагничивания и нагрузки результирующая синусоида тока двигателя смещена относительно синусоиды напряжения на 45° вправо (рис. ниже слева), при уменьшении тока нагрузки в сравнении с током намагничивания результирующая кривая тока все больше смещается к синусоиде тока намагничивания (рис. ниже справа).

Важно: Коэффициент мощности — косинус угла смещения результирующей синусоиды тока от синусоиды напряжения, а это по факту показывает для краевых условий, что при нулевом смещении (cos 0 = 1) весь получаемый двигателем ток используется для передачи энергии нагрузке (активный ток и активная мощность), а при максимальном смещении в 90° (cos90° = 0) весь получаемый двигателем ток тратится на намагничивание и не делает полезной работы (реактивный ток, реактивная мощность).

Исходя из элементарной логики понятно, что чем меньше реактивного тока будет использоваться на намагничивание и чем больше активного тока – на передачу энергии нагрузке, то тем меньше будет смещенарезультирующая синусоида тока от синусоиды напряжения, тем больше будет коэффициент мощности (косинус угла смещения) и тем эффективнее будет использоваться двигателем потребляемая энергия. Вместе с тем, мощность электродвигателя зависит от сил создаваемых обмотками магнитных полей, что наряду с сопутствующими энергетическими потерями на трение, нагрев и пр. определяет достаточно высокие токи намагничивания (реактивные токи), тем большие, чем больше мощность двигателя и несовершенней его конструкция в плане энергосбережения.

С другой стороны, потребление из силовой сети больших объемов реактивных токов, необходимых для намагничивания, но не выполняющих полезную работу, снижает долю активных токов (активной мощности) или повышает нагрузку на токоподводящие линии с соответствующими негативными последствиями – падение напряжения из-за повышения электросопротивления проводов, нагрев проводки и силовых трансформаторов и т.д. Поэтому предельно необходимыми становятся мероприятия по компенсации реактивных токов (реактивной мощности), как можно ближе к электрической нагрузке.

Важно: Деление тока на активный и реактивный или мощности на активную и реактивную чисто условно — через силовую сеть подается один переменный ток (и одна мощность), который в нагрузке используется для выполнения полезной работы или же формирования условий для работы электрооборудования (намагничивания обмоток двигателя, трансформатора, генератора и т.д.), по сути, необходимых, но приносящих косвенную пользу. Т.е. реактивная мощность (или реактивные токи) для любой индуктивной нагрузки является неизбежным «злом», без которого невозможна работа, причем «мнимая» реактивная мощность в действительности становится мнимой при технически грамотных мероприятиях по компенсации реактивной мощности (см. подробнее о компенсации реактивной мощности установками КРМ, УКРМ).

Читайте также:  Как определить мощность трехфазный двигатель

Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.

Если рассмотреть случай сети переменного напряжения с двумя токами, один из которых (А на рис. ниже) опережает напряжение на 45°, а другой (В на рис. ниже) отстает от напряжения на 45°, то в векторном выражении вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока А = 0.707 Im будет направлен вверх и вправо относительно центра координат, а вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока В= 0.707 Im будет направлен вниз и влево относительно центра координат.

Результирующий ток рассматриваемого выше электродвигателя будет складываться из тока намагничивания и тока нагрузки (действующие или среднеквадратические значения), а угол между векторами результирующей тока и тока нагрузки определяет угол смещения результирующей синусоиды токов относительно синусоиды напряжения.

По аналогии индуктивная нагрузка, потребляющая ток намагничивания с опаздыванием от напряжения на 90°, на графике будет представлена вектором, направленным вниз из центра координат, синфазные с напряжением токи нагрузки — вправо от центра координат, а опережающая напряжение по току на 90° емкостная нагрузка (CapacitiveCurrent) — вверх от центра координат.

Т.е. если в цепи электродвигателя одновременно использовать емкостную нагрузку (конденсаторы) с током, опережающим напряжение на 90°, а значит и ток намагничивания на 180° и равным по мгновенным значениям току намагничивания, то эти нагрузки будут компенсировать (или дополнять) друг друга во время работы двигателя. Т.е. в полупериод потребности обмоток в намагничивании конденсаторный блок будет отдавать ток в цепь, а при разрушении магнитного поля в следующий полупериод — аккумулировать образуемую энергию в виде накапливаемого реактивного тока.

Если перейти от токов к мощности, то активная мощность RealPower (Вт, кВт, МВт) это произведение активного тока (или тока нагрузки) на напряжение, реактивная мощность ReactivePower(VAR, ВАр, кВАр, МВАр) — произведение реактивного тока (или тока намагничивания) на напряжение, полная мощностьApparentPower(вольт-ампер, ВА, кВА, МВА) — корень из суммы квадратов активной и реактивной мощностей (из теоремы Пифагора согласно векторной диаграмме), а коэффициент мощности — косинус угла между полной мощностью и активной мощностью.

Подготовлено компанией «Нюкон»

Источник

Перспективы применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности в промышленных электроприводах Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мугалимов Риф Гарифович, Мугалимова Алия Рифовна, Мугалимова Маргарита Рифовна

В настоящее время в промышленных электроприводах применяются традиционные асинхронные двигатели , энергетические показатели которых невысоки. Повышение энергоэффективности асинхронных электроприводов является актуальной технико-экономической проблемой всех отраслей промышленности. Для решения этой проблемы разработаны, исследованы, изготовлены и испытаны на практике энергосберегающие асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности . Использованы результаты практических испытаний и математического моделирования. Результаты обрабатывались методами теории вероятностей и математической статистики с использованием корреляционного и регрессионного анализов. Дан сравнительный анализ конструктивных отличий энергосберегающих асинхронных двигателей от традиционных асинхронных двигателей . Представлены результаты практических испытаний энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности . Расчеты и эксперименты, проведенные на реальных электроприводах , созданных на основе энергосберегающих асинхронных двигателей , позволяют утверждать: коэффициент загрузки трансформаторов снижается на 13 %; потери электрической мощности в системах электроснабжения и электроприводов уменьшаются на 19 %; экономия установленной мощности составляет 310–750 кВт·час в год. Таким образом, приводы на основе предлагаемых асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности являются энергосберегающими. На основе энергосберегающих асинхронных двигателей могут быть созданы регулируемые электроприводы по системам ТРН-ЭАД, ПЧ-ЭАД.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Мугалимов Риф Гарифович, Мугалимова Алия Рифовна, Мугалимова Маргарита Рифовна

Текст научной работы на тему «Перспективы применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности в промышленных электроприводах»

Перспективы применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности в промышленных электроприводах

Р.Г. Мугалимов, А.Р. Мугалимова, М.Р. Мугалимова ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация E-mail: energosberegenie@rambler.ru

Состояние вопроса: В настоящее время в промышленных электроприводах применяются традиционные асинхронные двигатели, энергетические показатели которых невысоки. Повышение энергоэффективности асинхронных электроприводов является актуальной технико-экономической проблемой всех отраслей промышленности. Для решения этой проблемы разработаны, исследованы, изготовлены и испытаны на практике энергосберегающие асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Читайте также:  Мощность зимнего комплекта кондиционера

Материалы и методы исследования: Использованы результаты практических испытаний и математического моделирования. Результаты обрабатывались методами теории вероятностей и математической статистики с использованием корреляционного и регрессионного анализов.

Результаты: Дан сравнительный анализ конструктивных отличий энергосберегающих асинхронных двигателей от традиционных асинхронных двигателей. Представлены результаты практических испытаний энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Выводы: Расчеты и эксперименты, проведенные на реальных электроприводах, созданных на основе энергосберегающих асинхронных двигателей, позволяют утверждать: коэффициент загрузки трансформаторов снижается на 13 %; потери электрической мощности в системах электроснабжения и электроприводов уменьшаются на 19 %; экономия установленной мощности составляет 310-750 кВтчас в год. Таким образом, приводы на основе предлагаемых асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности являются энергосберегающими. На основе энергосберегающих асинхронных двигателей могут быть созданы регулируемые электроприводы по системам ТРН-ЭАД, ПЧ-ЭАД.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, реактивная мощность, электропривод.

Perspectives of Asynchronous Motors Application with Individual Compensation of Reactive Power in Industrial Electric Drives

R.G. Mugalimov, A.R. Mugalimova, Candidates of Engineering, M.R. Mugalimova, Engineer Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Magnitogorsk State Technical

University», Magnitogorsk, Russian Federation E-mail: energosberegenie@rambler.ru

Background: Nowadays, the traditional asynchronous motors with non-high energy data are used in industrial electrical drives. Improving the energy efficiency of asynchronous electric drives is relevant technical and economic problem in all industries. To solve this problem the asynchronous motors with individual reactive power compensation are developed, researched, manufactured and tested in practice.

Materials and methods: The authors used the results of the practical tests and mathematical modeling. The results were processed using the probability theory and mathematical statistics according to correlation and regression analyses.

Results: The authors describe the comparative analysis of the specific differences between energy saving asynchronous motors and traditional asynchronous motors. The test results of the energy saving asynchronous motors with individual reactive power compensation are given.

Conclusions: Calculations and experiments conducted on real electric drives that are based on energy saving asynchronous motors allow to confirm that the transformer load factor decreases by 13%, the losses of electrical power supply systems and electric drives are reduced by 19%, the total capacity economy is 310-750 kW per year. Drives based on the proposed asynchronous motors with individual reactive power compensation are energy saving. Based on energy-saving asynchronous motors the controlled electric drives with thyristor converter can be developed.

Key words: asynchronous motor, reactive power, electric drive.

Повышение энергоэффективности технологий, а также рабочих машин и механизмов, их реализующих, является актуальной технико-экономической проблемой всех отраслей промышленности. До 80-90 % рабочих машин и

механизмов промышленных предприятий, строительства, сельского и жилищно-коммунального хозяйств приводятся в движение традиционными асинхронными двигателями (ТАД) с номинальным напряжением до

1000 В. Электроприводы на основе ТАД потребляют не менее 65 % всей вырабатываемой электроэнергии. Около 70 % электроприводов на основе ТАД являются нерегулируемыми, поэтому их энергоэффективность определяется, преимущественно, рабочими характеристиками двигателя.

При известных преимуществах электроприводов на основе ТАД одним из главных их недостатков является сравнительно невысокий энергетический КПД (пэн), определяемый произведением электрического КПД (п) и коэффициента мощности (ооэф) двигателя [1]. Даже при нагрузках, близких к номинальным, при которых электрический КПД ТАД находится в диапазоне 70-92 %, а коэффициент мощности -0,75-0,9, наилучший энергетический КПД электроприводов не превосходит 52-83 %. То есть 17-48 % потребляемой электрической энергии преобразуется в тепловую и рассеивается в окружающей среде. Это снижает энергоэффективность преобразования электрической энергии в механическую и, в итоге, конкурентную способность выпускаемой продукции.

В ООО «Научно-исследовательское и опытно-конструкторское бюро «Энергосбережение»» (г. Магнитогорск) совместно с ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и ООО «МГТУ-Энергосбережение+» разработаны, исследованы, изготовлены и испытаны на практике энергосберегающие асинхронные двигатели (ЭАД) с индивидуальной компенсацией реактивной мощности [2, 3, 4].

При электрическом КПД ЭАД, равным КПД ТАД, энергетический КПД ЭАД находится в диапазоне 70-92 %, что на 9-18 % выше, чем у ТАД. Это достигается за счет повышения ооэф асинхронного двигателя до 0,99-1,0. Последнее обеспечивается конструктивным изменением обмотки статора, применением трехфазного конденсатора определенной емкости, схемами соединения обмоток друг с другом и конденсатором и использованием явления феррорезо-нанса токов в электромагнитной системе двигателя [5].

Конструктивные отличия ЭАД от ТАД заключаются в том, что в пазах статора ЭАД размещаются две трехфазные обмотки. Одна из обмоток, называемая рабочей (РО), подключается к источнику питания (ИП), а другая, называемая компенсационной (КО), — к трехфазному конденсатору (С) регламентированной емкости. Параметры обмоток и емкость конденсатора определяются при проектировании электромагнитной системы ЭАД по методике, изложенной, например, в [6, 7]. Отличительной особенностью методики проектирования ЭАД является электромагнитный расчет, выполняемый в два этапа. На первом этапе по известной методике проектирования асинхронных двигателей по критерию минимума затрат рассчитывается

Читайте также:  За какое время можно с помощью электрического кипятильника мощность 500

ТАД [8]. На втором этапе расчета, используя полученные результаты первого этапа и особенности конструкции ЭАД, осуществляется расчет по критерию максимума энергетического КПД двигателя.

Создание ЭАД возможно или на существующих электромашиностроительных заводах, или на электроремонтных предприятиях, цехах и участках путем реконструкции ТАД при их капитальном ремонте, используя имеющиеся технологии, материалы и оборудование.

Перспективы применения ЭАД в промышленных электроприводах определяются следующими их преимуществами:

1. Рабочие и механические характеристики ЭАД превосходят аналогичные характеристики ТАД. Для сравнения, на рис. 1 представлены зависимости ооэф, пэн = /(Р2) и естественные механические характеристики п = ^М) ТАД и ЭАД типа БМР55, созданного путем реконструкции ТАД при капитальном ремонте.

Зависим сть энергетического КПД от мощности P2

Источник

Как компенсировать реактивную мощность? Виды компенсации

Уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом характеризуется коэффициентом мощности потребителя, который определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, то есть cos(ф) = P/S. Чем ближе значение cos(ф) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности. Например, cos(ф) асинхронных двигателей составляет примерно 0,7; cos(ф) электродуговых печей и сварочных трансформаторов — примерно 0,4; cos(ф) станков и машин не более 0,5 и т.д., поэтому полное использование мощностей сети возможно только при компенсации реактивной составляющей мощности.

Примечание: Следует отметить, что обычно не рекомендуется компенсировать реактивную мощность полностью (до cos(ф)=1), так как при этом возможна перекомпенсация (за счет переменной величины активной мощности нагрузки и других случайных факторов). Обычно стараются достигнуть значения cos(ф) =0,90…0,95.

Компенсировать реактивную мощность возможно синхронными компенсаторами, синхронными двигателями, косинусными конденсаторами (конденсаторными установками). В настоящее время для компенсации широкое применение получили конденсаторные установки КРМ (УКМ58, УККРМ, АКУ), обладающие рядом преимуществ перед другими устройствами компенсации:

  • малые потери активной мощности;
  • отсутствие вращающихся частей, подверженных механическому износу;
  • невысокие капиталовложения и затраты при эксплуатации;
  • отсутствие шума во время работы;
  • простота в монтаже и эксплуатации.

Выбор оборудования компенсации зависит от типа подключенного к сети силового оборудования.

Компенсация может быть индивидуальной (местной) и централизованной (общей). В первом случае параллельно нагрузке подключают один или несколько (батарею) косинусных конденсаторов, во втором – некоторое количество конденсаторов (батарей) подключается к главному распределительному щиту.

Индивидуальная компенсация

Самый простой и наиболее дешевый способ компенсации. Число конденсаторов (конденсаторных батарей) соответствует числу нагрузок и каждый конденсатор расположен непосредственно у соответствующей нагрузки (рядом с двигателем и т. п.). Такая компенсация хороша только для постоянных нагрузок (например, один или несколько асинхронных двигателей с постоянной скоростью вращения вала), то есть там, где реактивная мощность каждой из нагрузок (во включенном состоянии нагрузок) с течением времени меняется незначительно и для ее компенсации не требуется изменения номиналов подключенных конденсаторных батарей. Поэтому индивидуальная компенсация ввиду неизменного уровня реактивной мощности нагрузки и соответствующей реактивной мощности компенсаторов называется также нерегулируемой.

Централизованная компенсация

Компенсация с помощью одной регулируемой установки КРМ (УКМ-58), подключенной к главному распределительному щиту. Применяется в системах с большим количеством потребителей (нагрузок), имеющих большой разброс коэффициента мощности в течение суток, то есть для переменной нагрузки (например, несколько двигателей, размещенных на одном предприятии и подключаемых попеременно). В таких системах индивидуальная компенсация неприемлема, так как, во-первых, становится слишком дорогостоящей (при большом количестве оборудования устанавливается большое количество конденсаторов), и, во-вторых, возникает вероятность перекомпенсации (появление в сети перенапряжения).

В случае централизованной компенсации конденсаторная установка оснащается специализированным контроллером (автоматическим регулятором реактивной мощности) и коммутационно-защитной аппаратурой (контакторами и предохранителями). При отклонении значения cos(ф) от заданного значения контроллер подключает или отключает определенные конденсаторные батареи (компенсация осуществляется ступенчато). Таким образом, контроль осуществляется автоматически, а мощность подключенных конденсаторов соответствует потребляемой в данный конкретный момент времени реактивной мощности, что исключает генерацию реактивной мощности в сеть и появление в сети перенапряжения.

Дополнительная информация, консультации, цены

Мы предложим эффективное и экономичное решение. Воспользуйтесь опытом наших технических специалистов — заполните форму справа, или позвоните.

Расчет, производство и поставка конденсаторных установок. Установки компенсации реактивной мощности, в наличии и под заказ.

Менеджер
Долинов Евгений Игоревич (моб. 8-905-7896190)

Источник