Почему стремятся повысить коэффициент мощности электрической установки

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.

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

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.

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.

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

Поделиться с друзьями
Мощность и напряжение