Меню

Как повысить коэффициент мощности потребителя



Способы повышения коэффициента мощности

date image2015-02-27
views image10716

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Большинство потребителей электрической энергии синусоидального тока представляют активно-индуктивные нагрузки, токи которых отстают по фазе от напряжения сети. Для потребителей электрической энергии при заданном напряжении питающей сети U и потребляемой активной мощности Р, ток потребителя зависит от величины cos j :

то есть с уменьшением cos j ток возрастает. Электрические генераторы, трансформаторы и электрические сети рассчитываются на определенные значения напряжения и тока . Поэтому при cos j = 0.5 и полной загрузке током генераторов, трансформаторов и сетей, потребителю может быть передана активная мощность, составляющая 50% от номинальной активной мощности трансформаторов и генераторов при cos j = 1. Таким образом, генераторы, трансформаторы и сеть будут полностью загружены по току и недогружены по активной мощности. Поэтому величину cos j, характеризующую использование номинальной мощности источника электрической энергии, называют коэффициентом мощности. Работа потребителей с малым коэффициентом мощности, кроме ухудшения условий использования источника питания, приводит к увеличению мощности потерь в линиях передач, вследствие увеличения передаваемого тока.

Существует несколько способов для увеличения коэффициента мощности, основанных на подключении к нагрузке приемника с емкостным током:

1. Применение синхронных двигателей, которые позволяют регулировать cos j при изменении тока возбуждения (синхронные компенсаторы).

2. Параллельно приемникам электрической энергии подключают конденсаторы.

Емкость конденсаторов, необходимая для уменьшения угла сдвига фаз между током и напряжением от j1 до требуемого значения j 2 определяется из выражения:

Обычно при помощи конденсаторов компенсацию угла j осуществляют, повышая cos j до 0.9 — 0.95, так как дальнейшая компенсация требует больших затрат на установку конденсаторов, которые экономически неоправданны.

Источник

Почему необходимо повышать коэффициент мощности?

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.

Низкий коэффициент мощности из-за индуктивных нагрузок может быть улучшен с помощью оборудования коррекции коэффициента мощности, а низкий коэффициент мощности из-за искажения формы тока требует изменения конструкции оборудования или установки фильтров гармоник. Некоторые преобразователи позиционируются как имеющие коэффициент мощности выше 0,95, тогда как на самом деле их реальный коэффициент мощности находится в пределах от 0,5 до 0,75. Значение 0,95 основано на косинусе угла между напряжением и током и не учитывает провалы в форме тока, которые также приводят к увеличению потерь.

Для работы индуктивной нагрузки необходимо магнитное поле, для создания которого требуется ток, отстающий по фазе от напряжения. Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это процесс компенсации отставания тока путём генерации опережающего тока при подключении конденсаторов к системе электроснабжения. При этом величина подключаемой ёмкости выбирается таким образом, чтобы коэффициент мощности был максимально возможно близким к единице.

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.

Читайте также:  Радиотрансляционный усилитель мощности рум

Коэффициент мощности можно определить двумя способами:

  • коэффициент мощности равен частному активной мощности (кВт) и полной мощности (кВА).
  • коэффициент мощности равен косинусу угла между активной мощностью и полной мощностью (cosφ).

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это название технологии, которая используется с начала 20 века для восстановления значения коэффициента мощности до значения, как можно более близкого к единице. Это обычно достигается подключением к сети конденсаторов, которые компенсируют потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками и таким образом снижают нагрузку на источник. При этом не должно быть никакого влияния на работу оборудования.

Обычно для уменьшения потерь в системе распределения и снижения расходов на электроэнергию производится компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов, которые подключаются к сети для максимально возможной компенсации тока намагничивания. Через конденсаторы, содержащиеся в большинстве устройств компенсации реактивной мощности, проходит ток, который опережает по фазе напряжение, обеспечивая таким образом опережающий коэффициент мощности. Если конденсаторы подключаются к цепи, которая работает при отстающем коэффициенте мощности, это отставание соответственно уменьшается.

Обычно значение скорректированного коэффициента мощности находится в пределах от 0,92 до 0,95. Некоторые распределительные энергокомпании поощряют работу при коэффициенте мощности, к примеру, больше 0,9, а некоторые штрафуют потребителей за низкий коэффициент мощности. Имеется много методов достижения данной цели, суть которой сводится к тому, что для снижения потерь энергии в системе распределения потребителю рекомендуется применять коррекцию коэффициента мощности. В настоящее время большинство сетевых компаний штрафуют потребителей при коэффициенте мощности ниже 0,95 или 0,9.

Необходимость повышения коэффициента мощности

При должным образом выполненной коррекции коэффициента мощности достигаются следующие преимущества:

  • экологические: снижение потребления электроэнергии за счёт повышения эффективности её использования. Снижение потребления приводит к уменьшению выбросов парниковых газов и замедлению истощения ресурсов ископаемого топлива для электростанций;
  • уменьшение расходов на электроэнергию;
  • возможность получения большей мощности от имеющегося источника;
  • снижение тепловых потерь в трансформаторах и оборудовании распределения;
  • уменьшение падения напряжения в длинных кабелях;
  • увеличение срока службы оборудования в связи со снижением электрической нагрузки на кабели и другие электрические компоненты.

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.

Источник

Зачем повышать коэффициент мощности? Основы, которые должен понимать каждый инженер-электрик.

Видео: Дневники Разработчиков. Настройки графики – повышай FPS! [World of Tanks] 2021, Март

Влияние электродвигателей и коэффициента мощности

Низкий коэффициент мощности приводит к плохой эффективности системы. Общая кажущаяся мощность должна подаваться электрической полезностью. При низком коэффициенте мощности или высококиловом компоненте во всей системе происходят дополнительные генерирующие потери.

Зачем повышать коэффициент мощности? Основы, которые вы должны знать. (фото: .see-tech.com)

На рисунках 1 и 2 ниже показано влияние коэффициента мощности на мощность генератора и трансформатора.

Чтобы препятствовать нагрузкам с низким коэффициентом мощности, большинство коммунальных предприятий налагают какую-то форму штрафа или заряда в своей структуре мощности электроэнергии за низкий коэффициент мощности .

Когда коэффициент мощности улучшается за счет установки силовых конденсаторов или синхронных двигателей, производится несколько сбережений:

  1. Высокий коэффициент мощности исключает плату за уплату коммунальных услуг. Этот заряд может быть отдельным зарядом для коэффициента низкой мощности или для корректировки киловатт-заряда.
  2. Высокий коэффициент мощности снижает нагрузку на трансформаторы и распределительное оборудование.
  3. Высокий коэффициент мощности уменьшает потери I 2 R в трансформаторах, распределительном кабеле и другом оборудовании, что приводит к прямой экономии энергопотребления киловатт-часов.
  4. Высокий коэффициент мощности помогает стабилизировать напряжение в системе.

Рисунок 1 — Влияние коэффициента мощности на мощность генератора

Рисунок 2 — Влияние коэффициента мощности на мощность трансформатора

Итак, как улучшить коэффициент мощности?

Для повышения коэффициента мощности при заданной нагрузке компонент реактивной нагрузки (квар) должен быть уменьшен .

Этот компонент реактивной мощности отстает от составляющей мощности (входная мощность кВт) на 90 электрических градусов, так что одним из способов уменьшения влияния этого компонента является введение компонента реактивной мощности, который приводит компонент питания на 90 электрических градусов.

Читайте также:  Использование процессоров больших мощностей недостаток потеря качества при пропуске кадров

Это может быть достигнуто с помощью силового конденсатора, как показано на диаграмме мощности на рисунке 3, что приводит к чистому уменьшению угла θ или увеличению коэффициента мощности .

Рисунок 3 — Векторная схема ввода мощности с коррекцией коэффициента мощности

Для повышения коэффициента мощности при установке системы используются несколько методов. Один из способов, который можно использовать в больших системах, — использовать синхронные двигатели для управления низкоскоростными нагрузками, которые требуют непрерывной работы.

Типичным приложением для синхронного двигателя является использование низкоскоростного воздушного компрессора, который обеспечивает технологический сжатый воздух для установки.

Синхронный двигатель настроен на работу с ведущим коэффициентом мощности и, таким образом, обеспечивает ведущие килографы для компенсации отстающих киловаров индуктивных нагрузок типа асинхронных двигателей.

Синхронные двигатели, как правило, предназначены для работы с 80% -ным коэффициентом мощности и для подачи тока, который приводит к линейному напряжению, а не лагает его, как в случае с асинхронными двигателями и трансформаторами.

Например, рассмотрите нагрузку 2000 кВт с коэффициентом запаздывания 70%. Использование синхронного двигателя мощностью 200 л.с., работающего на 80% -ном коэффициенте мощности, приведет к увеличению общего коэффициента мощности системы с 70% -ного отставания до 85% -ного запаса .

Использование силовых конденсаторов

Более популярным методом повышения коэффициента мощности на низковольтных распределительных системах является использование силовых конденсаторов для обеспечения требуемой реактивной мощности .

Количество и местоположение корректирующей емкости должны определяться из обзора системы распределения и источника нагрузок с малым коэффициентом мощности.

Кроме того, необходимо учитывать общую начальную стоимость и время окупаемости конденсаторной установки.

Чтобы уменьшить потери системы, конденсаторы коррекции коэффициента мощности должны быть электрически расположены как можно ближе к нагрузкам с низким коэффициентом мощности . В некоторых случаях конденсаторы могут быть расположены на определенном питателе. В других случаях, с двигателями большой мощности, конденсаторы могут быть подключены как можно ближе к клеммам двигателя.

Конденсаторы коэффициента мощности подключаются по линиям электропитания параллельно с нагрузкой с низким коэффициентом мощности. Требуемое количество килокаров конденсаторов зависит от коэффициента мощности без коррекции и желаемого скорректированного значения коэффициента мощности.

Коэффициент мощности и киловольты без коррекции можно определить, измеряя коэффициент мощности, линейные амперы и линейное напряжение в точке коррекции.

Для трехфазной системы,

Можно измерить линейные киловатты, линейные амперы и линейное напряжение. Затем,

Емкостные килографы, необходимые для подъема системы до требуемого коэффициента мощности, можно рассчитать следующим образом:

где PF — желаемый коэффициент мощности.

Возьмем пример

Например, рассмотрите нагрузку 1000 кВт с коэффициентом мощности 60%, который можно исправить до 90%:

Таблицы, такие как таблица 1, были разработаны и доступны для большинства производителей силовых конденсаторов для упрощения этого расчета. В таблице 1 представлен множитель, применяемый к киловаттной нагрузке для определения емкостных киловаров, необходимых для получения желаемого скорректированного коэффициента мощности.

Учитывайте ту же нагрузку 1000 кВт с коэффициентом мощности 60%, который можно исправить до 90%.

Таблица 1 — Коэффициенты коррекции коэффициента мощности

Таблица 1 — Коэффициенты коррекции коэффициента мощности

Из таблицы 1 для существующего коэффициента мощности (60%) и скорректированного коэффициента мощности (90%) коэффициент коррекции коэффициента мощности составляет 0, 849 . Таким образом, требуется количество килокаров требуемой емкости 1000 × 0.849 = 849 квар .

Проверим этот расчет:

Добавление корректирующих киловаров

На протяжении многих лет было разработано несколько рекомендаций по выбору конденсаторов коррекции коэффициента мощности асинхронного двигателя. Три из этих рекомендаций следующие:

  1. Добавьте корректирующие килографы конденсаторов, равные 90% от киловольт-ампер без нагрузки .
  2. Добавьте корректирующие килографы конденсаторов, равные 100% от киловольт-ампер без нагрузки .
  3. Добавьте корректирующие килографы конденсаторов, равные 50% от киловольт-ампер .

В таблице 2 приведено сравнение этих методов выбора коррекционных конденсаторов для некоторых типичных четырехполюсных асинхронных двигателей 1800 об / мин.

Таблица 2 — Сравнение методов коррекции коэффициента мощности

Таблица 2 — Сравнение методов коррекции коэффициента мощности

Возникает вопрос: что такое типичный двигатель в отношении коэффициента мощности?

На рисунке 4 показано изменение коэффициента мощности полной нагрузки для стандартных четырехполюсных асинхронных двигателей 1800 об / мин . Рисунок 4 основан на опубликованных данных от 10 производителей электродвигателей.

Рисунок 4 — Коэффициент мощности Nema design B, асинхронные двигатели 1800 об / мин

Разница в коэффициенте мощности полной нагрузки для конкретного значения мощности может варьироваться от 5 до 15 баллов. Поэтому лучше всего знать информацию о коэффициенте мощности для конкретных двигателей, требующих коррекции коэффициента мощности.

Методы без нагрузки для выбора коррекционных конденсаторов являются консервативными и увеличивают скорректированный коэффициент мощности до 95% или выше. Однако информация о без нагрузки недоступна. Напротив, коэффициент мощности и эффективность полной нагрузки обычно доступны либо как опубликованная литература, либо на заводской табличке двигателя.

Эти данные могут быть использованы для расчета коэффициента мощности двигателя и входных киловатт-ампер .

Использование 50% киловатт-ампер для полной нагрузки для определения корректирующих киловаров обычно приводит к скорректированному коэффициенту мощности 0, 99 или выше к слегка ведущему коэффициенту мощности. Этот метод следует использовать с осторожностью, если двигатель не работает при полной номинальной нагрузке.

При условиях частичной нагрузки скорректированный коэффициент мощности может превышать 0, 90. Чем выше мощность двигателя, тем вероятнее, что скорректированный коэффициент мощности может приводить к частичным нагрузкам.

Частичная нагрузка на двигатель не является необычным условием.

Исследования показывают, что средняя нагрузка на асинхронные двигатели мощностью 125 л.с. и выше составляет от 50 до 85% от полной нагрузки . Для асинхронных двигателей 1800 об / мин коэффициент мощности при нагрузке 50% обычно составляет 0, 07-0, 14 пункта ниже коэффициента мощности при полной нагрузке.

Если коррекция конденсатора не используется для подачи киловаров для других некорректированных двигателей в одном и том же контуре, для коррекционных киловолей следует использовать значение, меньшее 50% от входных киловольт-ампер с полной нагрузкой.

Читайте также:  Ветряк мощностью 3 квт

Рекомендации NEMA

При применении конденсаторов коррекции коэффициента мощности в месте расположения двигателя NEMA рекомендует следующую процедуру, основанную на опубликованных или паспортных данных для электродвигателя:

Процедура №1

Примерный коэффициент мощности при полной нагрузке можно рассчитать по опубликованным или табличным данным следующим образом:

  • PF = на единицу коэффициента мощности при полной нагрузке (на единицу PF = процент PF / 100)
  • hp = номинальная мощность
  • E = номинальное напряжение
  • I = номинальный ток
  • Eff = на единицу номинальной полной нагрузки по опубликованным данным или как указано на заводской табличке двигателя (на единицу Eff = percent Eff / 100)
Процедура № 2

По соображениям безопасности обычно лучше улучшить коэффициент мощности для нескольких нагрузок в составе системы распределения растений.

В тех случаях, когда местные коды или другие обстоятельства требуют улучшения коэффициента мощности отдельного двигателя, номинал киловатора конденсатора улучшения может быть рассчитан следующим образом:

  • kvar = номинал трехфазного конденсатора улучшения коэффициента мощности
  • PF i = улучшенный коэффициент мощности на единицу мощности для комбинации мотор-конденсатор
Процедура №3

В некоторых случаях может быть желательным определить результирующий коэффициент мощности PF i, где известен конденсатор улучшения коэффициента мощности, выбранный в пределах максимального безопасного значения, указанного изготовителем двигателя.

Результирующий коэффициент мощности PF i с полной нагрузкой можно вычислить из следующего:

Предупреждение! Ни в коем случае не следует использовать конденсаторы повышения коэффициента мощности в номиналах, превышающих максимальное безопасное значение, указанное производителем двигателя. Чрезмерное улучшение может вызвать чрезмерное возбуждение, приводящее к высоким переходным напряжениям, токам и моментам, что может повысить опасность для персонала и привести к возможному повреждению двигателя или приводного оборудования.

Уровень, на который следует улучшить коэффициент мощности, зависит от экономической окупаемости с точки зрения требований к штрафам за энергопотребление электроэнергии и экономии энергии системы из-за более низких потерь.

Кроме того, необходимо учитывать характеристики нагрузки двигателя. Если нагрузка на двигатель представляет собой циклическую нагрузку, которая варьируется от номинальной нагрузки до легкой нагрузки, значение корректирующей емкости киловара не должно приводить к ведущему коэффициенту мощности при малых нагрузках.

Чтобы избежать этой возможности, NEMA рекомендует, чтобы максимальное значение добавляемых корректирующих киловаров было меньше, чем потребность в килографе без нагрузки двигателя примерно на 10%.

Таким образом, максимальный конденсаторный квар для трехфазных двигателей:

  • I NL = ток холостого хода двигателя
  • V = напряжение на линии электропередачи

Например, рассмотрите асинхронный двигатель мощностью 50 л.с., 1800 об / мин, работающий на электропитании 230 В, трехфазный, 60 Гц.

В таблице 3 показана производительность этого двигателя при различных нагрузках без коррекции коэффициента мощности. В таблице 4 показаны характеристики полной нагрузки с различными значениями коррекционных конденсаторных киловаров, в том числе 100% без нагрузки — киловольт-ампер (13, 7 квар.) И 50% от полной нагрузки киловольт-ампер (23, 7 квар) .

Таблица 3 — Производительность асинхронного двигателя без коррекции коэффициента мощности

Таблица 3 — Производительность асинхронного двигателя без коррекции коэффициента мощности

Таблица 4 — Производительность индукционного двигателя и конденсатора с коррекцией коэффициента мощности при полной нагрузке

Таблица 4 — Производительность индукционного двигателя и конденсатора с коррекцией коэффициента мощности при полной нагрузке

Эти значения киловаров корректируют коэффициент мощности до 0, 97 и единицы соответственно.

Основываясь на работе 4000 часов в год при 5 ¢ / кВтч для электрической энергии, коррекция единичного коэффициента мощности может привести к экономии затрат на энергию в 70 долл. США в год. Комбинированные характеристики мотор-конденсатора при частичных нагрузках приведены в таблице 5.

Обратите внимание, что при частичных нагрузках с более высокими значениями корректирующих киловаров коэффициент мощности может быть очень большим.

Таблица 5 — Индукционный двигатель и производительность конденсатора с коррекцией коэффициента мощности при различных нагрузках

Таблица 5 — Индукционный двигатель и производительность конденсатора с коррекцией коэффициента мощности при различных нагрузках

На рисунке 5 показано сравнение скорректированного и нескорректированного коэффициента мощности при различных уровнях коррекции киловара для асинхронного двигателя мощностью 50 л.с.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! Следует избегать высокого уровня коррекции коэффициента мощности, если двигатель будет работать при частичной нагрузке, а конденсаторы подключаются непосредственно к клеммам двигателя .

Рисунок 5 — Коэффициент мощности асинхронного двигателя мощностью 50 л.с. с различными уровнями коррекции киловара: (1) нет коррекции, (2) коррекция 12 ккваров, (3) коррекция 13, 7-квар, (4) коррекция 23, 7-квар

Применение конденсаторных киловаров до киловатт-ампер без нагрузки приводит к отстающему коэффициенту мощности для всех условий нагрузки.

Национальный электрический кодекс (NEC) устранил любые ограничения на размер конденсаторов коррекции коэффициента мощности, применяемых к цепям асинхронного двигателя. Это возлагает ответственность за инженеров-электриков завода на выбор стратегий коррекции коэффициента мощности, которые наилучшим образом соответствуют их заводским операциям.

Ссылка // Энергоэффективные электродвигатели Марлина О. Турстона; Отдел электротехники Государственный университет штата Огайо Колумбус, Огайо

Источник

Как повысить коэффициент мощности потребителя



Почему необходимо повышать коэффициент мощности?

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.

Низкий коэффициент мощности из-за индуктивных нагрузок может быть улучшен с помощью оборудования коррекции коэффициента мощности, а низкий коэффициент мощности из-за искажения формы тока требует изменения конструкции оборудования или установки фильтров гармоник. Некоторые преобразователи позиционируются как имеющие коэффициент мощности выше 0,95, тогда как на самом деле их реальный коэффициент мощности находится в пределах от 0,5 до 0,75. Значение 0,95 основано на косинусе угла между напряжением и током и не учитывает провалы в форме тока, которые также приводят к увеличению потерь.

Для работы индуктивной нагрузки необходимо магнитное поле, для создания которого требуется ток, отстающий по фазе от напряжения. Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это процесс компенсации отставания тока путём генерации опережающего тока при подключении конденсаторов к системе электроснабжения. При этом величина подключаемой ёмкости выбирается таким образом, чтобы коэффициент мощности был максимально возможно близким к единице.

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.

Читайте также:  Использование процессоров больших мощностей недостаток потеря качества при пропуске кадров

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:

  • коэффициент мощности равен частному активной мощности (кВт) и полной мощности (кВА).
  • коэффициент мощности равен косинусу угла между активной мощностью и полной мощностью (cosφ).

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это название технологии, которая используется с начала 20 века для восстановления значения коэффициента мощности до значения, как можно более близкого к единице. Это обычно достигается подключением к сети конденсаторов, которые компенсируют потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками и таким образом снижают нагрузку на источник. При этом не должно быть никакого влияния на работу оборудования.

Обычно для уменьшения потерь в системе распределения и снижения расходов на электроэнергию производится компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов, которые подключаются к сети для максимально возможной компенсации тока намагничивания. Через конденсаторы, содержащиеся в большинстве устройств компенсации реактивной мощности, проходит ток, который опережает по фазе напряжение, обеспечивая таким образом опережающий коэффициент мощности. Если конденсаторы подключаются к цепи, которая работает при отстающем коэффициенте мощности, это отставание соответственно уменьшается.

Обычно значение скорректированного коэффициента мощности находится в пределах от 0,92 до 0,95. Некоторые распределительные энергокомпании поощряют работу при коэффициенте мощности, к примеру, больше 0,9, а некоторые штрафуют потребителей за низкий коэффициент мощности. Имеется много методов достижения данной цели, суть которой сводится к тому, что для снижения потерь энергии в системе распределения потребителю рекомендуется применять коррекцию коэффициента мощности. В настоящее время большинство сетевых компаний штрафуют потребителей при коэффициенте мощности ниже 0,95 или 0,9.

Необходимость повышения коэффициента мощности

При должным образом выполненной коррекции коэффициента мощности достигаются следующие преимущества:

  • экологические: снижение потребления электроэнергии за счёт повышения эффективности её использования. Снижение потребления приводит к уменьшению выбросов парниковых газов и замедлению истощения ресурсов ископаемого топлива для электростанций;
  • уменьшение расходов на электроэнергию;
  • возможность получения большей мощности от имеющегося источника;
  • снижение тепловых потерь в трансформаторах и оборудовании распределения;
  • уменьшение падения напряжения в длинных кабелях;
  • увеличение срока службы оборудования в связи со снижением электрической нагрузки на кабели и другие электрические компоненты.

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.

Читайте также:  Дквр 10 13 технические характеристики мощность

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.

Источник

Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока

Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального токаБольшинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для 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 при заданных значениях тока и напряжения зависит от cos φ:

P = UICosφ , I = P / UCosφ

Снижение коэффициента мощности приводит к увеличению тока.

Косинус фи 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. С уменьшением cos φ значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов и катушек электрических аппаратов.

Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального токаНапример, если активная мощность остается постоянной, обеспечивается током 100 А при cos φ =1, то при понижении cos φ до 0,8 и той же мощности сила тока в сети возрастает в 1,25 раза ( I а = I сети х cos φ , I с = I а / cos φ ).

Потери на нагрев проводов сети и обмоток генератора (трансформатора) Pнагр = I 2 сети х Rсети пропорциональны квадрату тока, то есть они возрастают в 1,25 2 = 1,56 раза.

При cos φ = 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, 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.

Читайте также:  Котел мощностью 270 квт

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

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

Коэффициент мощности показывает, как используется номинальная мощность источника. Так, для питания приемника 1000 кВт при φ = 0,5 мощность генератора должна быть S = P / cos φ = 1000 / 0 ,5 = 2000 кВА, а при cosφ = 1 S = 1000 кВА.

Следовательно, повышение коэффициента мощности увеличивает степень использования мощности генераторов.

Для повышения коэффициента мощности (cos φ ) электрических установок применяют компенсацию реактивной мощности .

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

1) заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности,

2) понижением напряжения

3) выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу,

4) 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.

Синхронные компенсаторы

Чтобы повысить экономичность энергетических установок наиболее часто используют батареи конденсаторов , подключаемые параллельно индуктивной нагрузке (рис. 2 а).

Включение конденсаторов для компенсации реактивной мощности

Рис. 2 Включение конденсаторов для компенсации реактивной мощности: а — схема, б, в — векторные диаграммы

Для компенсации cos φ в электрических установках до нескольких сотен кВА применяют косинусные конденсаторы. Их выпускают на напряжение от 0,22 до 10 кВ.

Емкость конденсатора, необходимую для повышения cosφ от существующего значения cosφ 1 до требуемого cosφ 2 , можно определить по диаграмме (рис. 2 б, в).

косинусные конденсаторыПри построении векторной диаграммы в качестве исходного вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный характер, то вектор тока I 1 отстает от вектора напряжения на угол φ 1 I а совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока I р отстает от него на 90° (рис. 2 б).

После подключения к потребителю батареи конденсаторов ток I определяется как геометрическая сумма векторов I 1 и I c . При этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 2, в). Из векторной диаграммы видно, что φ 2 1 , т.е. после включения конденсатора коэффициент мощности повышается от cos φ1 до cos φ2

Емкость конденсатора можно рассчитать при помощи векторной диаграммы токов (рис. 2 в) Ic = I р1 — I р = I а tg φ1 — I а tg φ 2 = ωCU

Учитывая, что P = UI а , запишем емкость конденсатора С = (I а / ωU ) х ( tg φ1 — tg φ 2 ) = (P / ωU 2 ) х ( tg φ1 — tg φ2 ) .

На практике обычно коэффициент мощности повышают не до 1,0, а до 0,90 — 0,95, так как полная компенсация требует дополнительной установки конденсаторов, что часто экономически не оправдано.

Источник