Для чего и как повышают коэффициент мощности
При создании первых энергосистем в конце 19-го века актуальным стал вопрос «войны токов». Его суть заключалась в том, какому электротоку отдать предпочтение — постоянному или переменному. Победил переменный электроток вследствие простоты изменения его напряжения трансформаторами (для цели передачи электроэнергии на большие расстояния) и простоты трехфазных эллектродвигателей переменного электротока в сравнении с ненадежными коллекторно-щеточными двигателями постоянного электротока.
Эффекты переменного тока
При работе с переменным элетротоком приходится считаться с эффектами, не проявляющимися на постоянном электротоке (или проявляющимися лишь в моменты переключений). Ток в цепи источника постоянного напряжения определяется, согласно закону Ома, электродвижущей силой источника и суммой электрических сопротивлений нагрузки, подводящих проводов, внутреннего электросопротивления источника, а мощность, развиваемая на нагрузке, определяется электронапряжением на данной нагрузке и ее сопротивлением.
На переменном элетротоке, помимо сопротивления, называемого активным, начинает сказываться реактивное, определяемое индуктивностями и емкостями в электроцепи. Индуктивное реактивное сопротивление возникает под действием изменяющегося магнитного поля. Емкостное — это результат того, что переменное электронапряжение противодействует накоплению заряда на обкладках конденсатора, способствуя протеканию через него тока.
Ввиду наличия реактивного сопротивления в цепи нагрузки, ток и напряжение перестают совпадать по фазе (что наблюдается при чисто активном сопротивлении цепи). В индуктивности ток отстает от напряжения на 90 градусов, а в емкости опережает на 90 градусов. В общем случае комплексной нагрузки разница фаз между электронапряжением и электротоком изменяется от +90 до -90 градусов. В частном случае чисто активной нагрузки составляет ноль градусов.
Что собой представляет реальная нагрузка
Комплексная нагрузка может состоять из ламп накаливания, нагревателей, электродвигателей (синхронных и асинхронных), газоразрядных источников света, тиристорных преобразователей, источников питания бытовых устройств с трансформаторами, зарядных устройств, выпрямителей и пр., что делает нагрузку по большей части индуктивной.
Если в нагрузке индуктивность физически соединена последовательно с активным потребителем, возможно эквивалентное преобразование такого соединения для определенной частоты в параллельную схему индуктивности и активного сопротивления (численно отличных от значений в последовательной схеме).
В данном случае в подводящих проводах сохранится прежняя разность фаз между электротоком и электронапряжением. В активной части нагрузки будет рассеиваться полезная мощность (активная), а параллельная индуктивность эквивалентной схемы будет бесполезно нагружать подводящие провода, что проявится в увеличении их нагрева и потери энергии в них.
Таинственный косинус φ
Потери энергии в электроцепи можно оценить углом сдвига фаз φ между напряжением и током, но электротехники предпочитают пользоваться вместо угла значением его косинуса — cosφ. Именно это косинус и считают коэффициентом мощности, исходя из того, что он представляет собой соотношение активной мощности и полной. Последняя является суммой активной P и реактивной Q мощности, но определяется не как скалярная сумма, а векторная. Поскольку векторы электротока и электронапряжения взаимно перпендикулярны, численно сложение мощностей происходит по теореме Пифагора:
Исходя из того, что потребляемый ток I определяется напряжением на нагрузке и полной мощностью, то I=S/U, а мощность потерь в проводах — I 2 R, где R — активное сопротивление проводов. Справедливым является такое соотношение:
Отсюда вытекает целесообразность повышения коэффициента мощности, а именно cosφ для снижения потерь и расхода материалов на подвод электроэнергии, поскольку при увеличении тока потребления возникает необходимость увеличения сечения проводников.
Способы повышения cosφ
Теперь становится ясным, зачем следует стремиться к идеальному значению cosφ = 1. При комплексной индуктивно-активной нагрузке ее можно представить эквивалентной схемой параллельно соединенных активного сопротивления и индуктивности. Если включить параллельно этой схеме конденсатор, подобрав его таким образом, чтобы он образовывал с индуктивностью колебательный контур с резонансной частотой, равной частоте электросети (50 или 60 Гц), полное сопротивление контура возрастает до бесконечности. При этом реактивная составляющая электротока и реактивная мощность спадают до 0 (так в теории при идеальном конденсаторе), а косинус φ возрастает до 1.
Именно этим методом и пользуются на практике, подключая к потребителям электроэнергии конденсаторы, емкость которых рассчитывается исходя из характера нагрузки. На практике принято осуществлять повышение коэффициента мощности путем централизованной компенсации реактивной мощности, для чего фиксируют на электрических подстанциях (обычно крупных предприятий) текущее значение коэффициента мощности, а при падении его ниже установленного уровня подключают (вручную или автоматически) батареи мощных конденсаторов, которые повышают коэффициент мощности до оптимального значения (обычно порядка 0.80-0.95). Недопустимым признается cosφ ниже 0.65.
Существуют и другие способы повысить коэффициент мощности. Например, оптимальный подбор оборудования по паспортной мощности, в частности эксплуатация трансформаторов и электродвигателей с максимальной их загрузкой со снижением времени работы на холостом ходу.
Все определяет материальный интерес. Предприятия заинтересованы в подобной процедуре, поскольку за низкий коэффициент мощности они наказываются материально, оплачивая избыточную отдачу (обычно допускаемую в пределах 15% от общей) в систему реактивной мощности в пределах 8% от тарифа за потребление активной мощности, либо выплачивая штраф за отсутствие компенсирующей установки.
Подобное положение является вполне справедливым, поскольку индуктивная нагрузка генераторов электростанций снижает их возбуждение, а на доводку возбуждения до паспортного требуется дополнительная затрата активной энергии.
Что касается населения, оплате подлежит лишь фактически потребляемая электрическая энергия, вне зависимости от коэффициента мощности. Потребляемая реактивная мощность лишь бесполезно увеличивает ток в подводящих проводах, что несколько снижает напряжение электрической сети на вводе в квартиру/домовладение.
Какие способы повышения коэффициента мощности применяются в промышленности
Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока
Большинство 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.
Например, 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.
Чтобы повысить экономичность энергетических установок наиболее часто используют батареи конденсаторов , подключаемые параллельно индуктивной нагрузке (рис. 2 а).
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).
При 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.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
1.6.12 Коэффициент мощности. Пути его повышения
показывает, насколько рационально используется электрическая энергия. Чем ближе , тем лучше, так как больше удельный вес Р в S, а именно активная мощность Р и совершает полезную работу.
Для повышения существует два способа:
1. Естественный способ. Для повышения можно использовать потребители, которые не используют реактивную мощность (машины постоянного тока); асинхронные двигатели, соответствующие требуемой мощности, или специальные электрические машины (синхронные компенсаторы).
2. Искусственный способ (рис. 1.21). Для повышения нужно уменьшить угол сдвига фаз между током и напряжением либо к нагрузке, носящей активно-индуктивный характер, параллельно подключить батарею емкостей.
Рис. 1.21. Схема (а) и векторная диаграмма (б) при искусственном
увеличении коэффициента мощности (––– – до подключения С;
— — — – после подключения С)
Для цепи, показанной на рис. 1.21, а, имеем
, .
Так как , то .
Способы повышения коэффициента мощности
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.
34. Способы повышения коэффициента мощности.
χ=
=ν
1.установка источников реактивной мощности например, конденсаторов на первичной стороне трансформатора, питающего преобразователь. Емкость, включенная на синусоидальное напряжение, обеспечивает опережающий сдвиг тока, т. е. эти устройства вырабатывают реактивную мощность и, таким образом, компенсируют отставание тока от напряжения, вызванное работой ТП на активно-индуктивную нагрузку.
2. использование в выпрямителе трансформатора с отпайками на различные напряжения. В этом случае вместо увеличения угла управления, переключают тиристорную схему на отпайку обмотки трансформатора с более низким напряжением, что понижает значение выпрямленного напряжения так же, как при увеличении угла управления.
3.преобразовательные установки с последовательным соединением двух преобразователей, каждый из которых состоит из трехфазной мостовой схемы с питанием от отдельных трансформаторов или от одного трансформатора с двумя системами вторичных обмоток.
4.Применение широтно-импульсной модуляции
Изменяя длительность интервала протекания тока по синусоидальному закону, т. е. осуществляя модуляцию входного тока по синусоидальному закону, можно снизить содержание высших гармоник во входном токе до очень малых значений, легко подавляемых фильтром LΦCΦ. В результате модуляции
сетевой ток становится близким по форме к синусоидальному с заданной точностью.
35. Классификация пч и их функциональные схемы.
В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты: амплитуда напряжения (или тока) нагрузки Um (Im) и частота изменения напряжения (или тока) fn.
Соответственно две входные координаты — сигнал управления напряжением (или током) Uун (Uут) и сигнал управления частотой uyf
Современные ПЧ (рис. 12.1) можно разделить на два основных класса:
двухзвенные ПЧ с автономными инверторами (с промежуточной цепью постоянного тока);
ПЧ с непосредственной связью нагрузки с сетью (непосредственные ПЧ).
1.Двухзвенные преобразователи частоты (дпч)
Принцип действия ДПЧ: переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем инвертируется, т.е. преобразуется в переменное напряжение (или ток) требуемой регулируемой частоты посредством инвертора (рис. 12.2).
2. 
Преобразование напряжения сети с неизменной стандартной частотой (например, 50 Гц) и стандартным действующим напряжением (например, 380 В) в регулируемое по величине выпрямленное напряжение 
(или ток 
) промежуточной цепи осуществляется управляемым источником (УИ) соответственно напряжения (УИН), или тока (УИТ) рис 12,6.
3.
Переход от амплитудно-импульсного к широтно-импульсному способу формирования и регулирования выходного напряжения существенно изменил свойства преобразователей частоты. Во-первых, существенно приблизилась к синусоиде форма выходного тока и соответственно улучшилась равномерность вращения двигателей, расширился диапазон регулирования скорости. Во-вторых, значительно повысилось быстродействие электропривода
4. 
36. Использование активного выпрямителя напряжения (АВН) в энергосберегающих системах электропривода.
энергосбережение на базе активных выпрямителей U — АВН.
В силовой цепи последовательно включены АВН, фильтр Ф и АИН. Силовые полупроводниковые элементы выпрямителя и инвертора, обладающие двусторонней проводимостью тока в виде ключей. АВН, выполненный по 3х мост сх, преобразует
Uсети (при f=const) на зажимах А1, В1 и С1 в стабилизированное Ud на конденсаторе фильтра. 3хфазный мостовой АИН в режиме ШИМ преобразует =U в
U на выходе АИН с заданной частотой. Двигатель – приемник эл.эн. формирует sin-ноеU, изменяя ширину рабочих импульсо, f, U. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей. Если Есети> Ет.А.В.С., то эн. поступает в АВН, если Есети< Е т.А.В.С., то эн. отдается из АВН. Система позволяет регулировать коэффициент мощности, если он =1, то сдвига между I и U нет..
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Площади поперечного сечения приводов линий электропередачи и электрических сетей, обмоток электрических машин, трансформаторов, электротехнических аппаратов и приборов выбираются, исходя из нагревания, по значению тока в них, который при заданном напряжении переменного тока прямо пропорционален полной мощности S. А энергия, преобразуемая из электрической в другие виды (в механическую, тепловую и т. д.) и используемая в большей части для практических целей, пропорциональна активной энергии и соответствующей ей активной мощности Р.
Как известно, между указанными мощностями и реактивной мощностью существуют соотношения
Входящий в первое выражение cos φ называется коэффициентом мощности и показывает, какую часть полной мощности составляет активная мощность: cos φ = P/S= Р/√ P 2 + Q 2 .
Считая, что активная мощность установки, значение которой зависит в основном от мощности приемников, остается постоянной, выясним, к чему приведет увеличение коэффициента мощности установки.
Как следует из приведенных формул, при увеличении cos φ мощность S уменьшается. При Р = const это может происходить лишь за счет уменьшения реактивной мощности Q установки. Снижение мощности S приводит к уменьшению линейного тока I л . Последнее будет сопровождаться уменьшением потерь напряжения и мощности в сопротивлениях проводов сети, обмотках трансформаторов и генераторов.
Очевидно, при уменьшении тока площади поперечного сечения названных элементов могут быть также уменьшены. В отношении трансформаторов и генераторов это приводит к уменьшению габаритных размеров, расхода дефицитных материалов на изготовление, массы, номинальной мощности и стоимости.
В действующей установке повышение cos φ при существующей площади поперечного сечения проводов позволит увеличить число приемников, которые могут быть подключены к данной сети.
Таким образом, повышение коэффициента мощности дает определенные выгоды во многих отношениях, а поэтому имеет большое народнохозяйственное значение.
Большая часть элементов электрических цепей переменного тока потребляет кроме активной мощности также индуктивную мощность. К ним относятся в первую очередь наиболее распространенные в народном хозяйстве асинхронные электродвигатели. Значительная часть индуктивной мощности потребляется трансформаторами, широко используемыми вразличных установках. Индуктивная мощность потребляется также различными электромагнитными аппаратами, такими, например, как электромагниты, контакторы и магнитные пускатели, реле и т. д.
Для уменьшения индуктивной мощности и увеличения тем самым cos φ необходимо прежде всего:
выбирать правильно двигатели по мощности, так как необоснованное завышение мощности приведет к их работе с недогрузкой, а при этом, как правило, cos φ понижается;
заменять двигатели, работающие с недогрузкой, двигателями меньшей мощности;
сокращать по возможности времена работы двигателей и трансформаторов вхолостую.
Если все же cos φ оказывается недостаточно высоким, прибегают часто к его искусственному повышению. Для этой цели подключают к трехфазной сети компенсирующие устройства, к которым относятся батареи конденсаторов и трехфазные синхронные компенсаторы (см. гл. 11). Последние применяются реже. Батарея конденсаторов соединяется обычно треугольником, как показано на рис. 3.18, а. Батарея конденсаторов потребляет емкостную мощность, которая частично компенсирует индуктивную мощность установки, в результате чего реактивная мощность уменьшается, а коэффициент мощности повышается. Естественно, что cos φ самих приемников при этом остается прежним.
| Рис. 3.18. Схема и векторная диаграмма к примеру 3.5 |
Чтобы уменьшить ток проводов сети, батарею конденсаторов устанавливают по возможности вблизи приемников.
Пример 3.5. К трехфазной сети рис. 3.18, а с линейными напряжениями U л = 220В подключены два трехфазных приемника. Активная мощность и коэффициент мощности первого приемника P 1 = 10 кВт, cos φ 1 = 0,7. Фазные сопротивления второго приемника r ф = 6 Ом,
x L ф = 8 Ом, нагрузка симметричная.
Определить токи, мощности и коэффициент мощности cos φ установки из двух приемников. Найти мощность, токи и емкость батареи конденсаторов, если требуется повысить коэффициент мощности до cos φ’ = 0,95. Определить токи и мощности установки из двух приемников и батареи конденсаторов.
Решение. Полная и реактивная мощности первого приемника
S 1 = P 1 /cos φ 1 = 14,3 кВ•А, Q 1 = √ S 1 2 — P 1 2 ≈ 10,2 квар.
Полное сопротивление и ток фазы второго приемника
Активная и реактивная мощности второго приемника
Р 2 = 3I 2 ф2 r 2 = 8,7 кВт; Q 2 = 3I ф2 x L ф ≈ 11,6 квар.
Активная, реактивная и полная мощности установки, состоящей из двух преемников.
Линейный ток и коэффициент мощности установки из двух приемников
Мощности установки из приемников и батареи конденсаторов
Линейные токи установки из приемников и батареи конденсаторов, мощность и линейные токи батареи конденсаторов
Фазные токи и сопротивление фазы батареи конденсаторов
Емкость одной фазы и всей батареи конденсаторов
Векторная диаграмма цепи рис, 3.18, а приведена на рис. 3.18, б. На диаграмме показаны только те токи, которые определяют ток I’ a (t. е. I a и I кa ), а также токи, определяющие ток I кa
(т. е. I кab и I кca ).
Электротехника/Ю. М. Борисов, Д. Н. Липатов, Ю. Н. Зорин. Учебник для вузов. — 2-е изд., пере-раб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985.