Методы увеличения коэффициента мощности реферат

Обновлено: 19.05.2024

Одной из причин низкого значения является неполная загрузка асинхронных электродвигателей, так как активная мощность определяется активной нагрузкой, тогда как реактивная зависит от общей мощности двигателя, его типа и загрузки. Следовательно, неправильный выбор типа двигателя и его мощности (с запасом) приводит к понижению значения

Важнейшим условием рационального использования электроэнергии (т. е. повышения является полная загрузка электродвигателя и недопущение его длительной работы на холостом ходу, правильный выбор типа двигателя и его мощности. Такой способ повышения называют естественным.

Если применение естественного способа не дает нужных результатов, то могут быть применены и способы искусственного повышения

Одним из наиболее распространенных способов искусственного повышения является компенсация сдвига фаз между напряжением и общим током в цепи потребителя (или группы потребителей). Например, параллельно двигателю Д подключают конденсатор (рис. 1-24). Компенсация сводится к тому, что за счет емкостного тока конденсатора уменьшается сдвиг по фазе между током и напряжением в цепи двигателя. Путем подбора емкости конденсатора С можно довести значение сдвига по фазе до нуля.

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 cosφ: 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 cosφ значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов и катушек электрических аппаратов.

Например, если активная мощность остается постоянной, обеспечивается током 100 А при cosφ=1, то при понижении cosφ до 0,8 и той же мощности сила тока в сети возрастает в 1,25 раза (Iа = Iсети х cosφ, Iс = Iа / cosφ ). 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 cosφ= 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 Rл, 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 / cosφ = 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 (cosφ) 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).

Рис. 2 Включение конденсаторов для компенсации реактивной мощности: а - схема, б, в - векторные диаграммы Для компенсации cosφ 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 cosφ1 до требуемого cosφ2, 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 I1 отстает от вектора напряжения на угол φ1Iа совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока Iр отстает от него на 90° (рис. 2 б). После подключения к потребителю батареи конденсаторов ток I определяется как геометрическая сумма векторов I1 и Ic. При этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 2, в). Из векторной диаграммы видно, что φ2 2 ) х (tgφ1 - tgφ2). 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.

Резонанс напряжений и токов в цепи переменного тока. Векторные диаграммы, частотные и энергетические характеристики. Понятие о расчете сложных (с несколькими источниками питания) цепей.

Явление резонанса. Электрическая цепь, содержащая индуктивность и емкость, может служить колебательным контуром, где возникает процесс колебаний электрической энергии, переходящей из индуктивности в емкость и обратно. В идеальном колебательном контуре эти колебания будут незатухающими. При подсоединении колебательного контура к источнику переменного тока угловая частота источника ? может оказаться равной угловой частоте ?₀, с которой происходят колебания электрической энергии в контуре. В этом случае имеет место явление резонанса, т. е. совпадения частоты свободных колебаний ?₀, возникающих в какой-либо физической системе, с частотой вынужденных колебаний ?, сообщаемых этой системе внешними силами.

Резонанс в электрической цепи можно получить тремя способами: изменяя угловую частоту ? источника переменного тока, индуктивность L или емкость С. Различают резонанс при последовательном соединении L и С — резонанс напряжений и при параллельном их соединении — резонанс токов. Угловая частота ?₀, при которой наступает резонанс, называется резонансной, или собственной частотой колебаний резонансного контура.

Резонанс напряжений. При резонансе напряжений (рис. 196, а) индуктивное сопротивление X_Lравно емкостному Х_си полное сопротивление Z становится равным активному сопротивлению R:

Z = ?( R 2 + [?₀L - 1/(?₀C)] 2 ) = R

В этом случае напряжения на индуктивности U_L и емкости U_c равны и находятся в противофазе (рис. 196,б), поэтому при сложении они компенсируют друг друга. Если активное сопротивление цепи R невелико, ток в цепи резко возрастает, так как реактивное сопротивление цепи X = X_L—X_с становится равным нулю. При этом ток I совпадает по фазе с напряжением U и I=U/R. Резкое возрастание тока в цепи при резонансе напряжений вызывает такое же возрастание напряжений U_L и U_c, причем их значения могут во много раз превышать напряжение U источника, питающего цепь.

Угловая частота ?0, при которой имеют место условия резонанса, определяется из равенства ?_oL = 1/(?₀С).

Рис. 196. Схема (а) и векторная диаграмма (б) электрической цепи, содержащей R, L и С, при резонансе напряжений

?_o = 1/?(LC) (74)

Если плавно изменять угловую частоту ? источника, то полное сопротивление Z сначала начинает уменьшаться, достигает наименьшего значения при резонансе напряжений (при ?_o), а затем увеличивается (рис. 197, а). В соответствии с этим ток I в цепи сначала возрастает, достигает наибольшего значения при резонансе, а затем уменьшается.

Резонанс токов. Резонанс токов может возникнуть при параллельном соединении индуктивности и емкости (рис. 198, а). В идеальном случае, когда в параллельных ветвях отсутствует активное сопротивление (R₁=R₂ = 0), условием резонанса токов является равенство реактивных сопротивлений ветвей, содержащих индуктивность и емкость, т. е. ?_oL = 1/(?_oC). Так как в рассматриваемом случае активная проводимость G = 0, ток в неразветвленной части
цепи при резонансе I=U?(G 2 +(B_L-B_C) 2 )= 0. Значения токов в ветвях I₁ и I₂ будут равны (рис. 198,б), но токи будут сдвинуты по фазе на 180° (ток IL в индуктивности отстает по фазе от напряжения U на 90°, а ток в емкости I с опережает напряжение U на 90°). Следовательно, такой резонансный контур представляет собой для тока I бесконечно большое сопротивление и электрическая энергия в контур от источника не поступает. В то же время внутри контура протекают токи I_L и I_с, т. е. имеет место процесс непрерывного обмена энергией внутри контура. Эта энергия переходит из индуктивности в емкость и обратно.

Как следует из формулы (74), изменяя значения емкости С или индуктивности L, можно изменять частоту колебаний ?₀ электрической энергии и тока в контуре, т. е. осуществлять настройку контура на требуемую частоту. Если бы в ветвях, в которых включены индуктивность и емкость, не было активного сопротивления, этот процесс колебания энергии продолжался бы бесконечно долго, т. е. в контуре возникли бы незатухающие колебания энергии и токов I_L и I_с. Однако реальные катушки индуктивности и конденсаторы всегда поглощают электрическую энергию (из-за наличия в катушках активного сопротивления проводов и возникновения

Рис. 197. Зависимость тока I и полного сопротивления Z от ? для последовательной (а) и параллельной (б) цепей переменного тока

Рис. 198. Электрическая схема (а) и векторные диаграммы (б и в) при резонансе токов

в конденсаторах токов смещения, нагревающих диэлектрик), поэтому в реальный контур при резонансе токов поступает от источника некоторая электрическая энергия и по неразветвленной части цепи протекает некоторый ток I.

Условием резонанса в реальном резонансном контуре, содержащем активные сопротивления R₁и R₂, будет равенство реактивных проводимостей B_L= B_Cветвей, в которые включены индуктивность и емкость.

Из рис. 198, в следует, что ток I в неразветвленной части цепи совпадает по фазе с напряжением U, так как реактивные токи 1_L и I_с равны, но противоположны по фазе, вследствие чего их векторная сумма равна нулю.

Если в рассматриваемой параллельной цепи изменять частоту ?_о источника переменного тока, то полное сопротивление цепи начинает увеличиваться, достигает наибольшего значения при резонансе, а затем уменьшается (см. рис. 197,б). В соответствии с этим ток I начинает уменьшаться, достигает наименьшего значения I_min = I_a при резонансе, а затем увеличивается.

В реальных колебательных контурах, содержащих активное сопротивление, каждое колебание тока сопровождается потерями энергии. В результате сообщенная контуру энергия довольно быстро расходуется и колебания тока постепенно затухают. Для получения незатухающих колебаний необходимо все время пополнять потери энергии в активном сопротивлении, т. е. такой контур должен быть подключен к источнику переменного тока соответствующей частоты ?₀.

Явления резонанса напряжения и тока и колебательный контур получили весьма широкое применение в радиотехнике и высокочастотных установках. При помощи колебательных контуров мы получаем токи высокой частоты в различных радиоустройствах и высокочастотных генераторах. Колебательный контур — важнейший элемент любого радиоприемника. Он обеспечивает его избирательность, т. е. способность выделять из радиосигналов с различной длиной волны (т. е. с различной частотой), посланных различными радиостанциями, сигналы определенной радиостанции.

Резонанс напряжений

Если в цепь переменного тока включены последовательно катушка индуктивности и конденсатор, то они по-своему воздействуют на генератор, питающий цепь, и на фазовые соотношения между током и напряжением.

Катушка индуктивности вносит сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения на четверть периода, конденсатор же, наоборот, заставляет напряжение в цепи отставать по фазе от тока на четверть периода. Таким образом, действие индуктивного сопротивления на сдвиг фаз между током и напряжением в цепи противоположно действию емкостного сопротивления.

Это приводит к тому, что общий сдвиг фаз между током и напряжением в цепи зависит от соотношения величин индуктивного и емкостного сопротивлений.

Если величина емкостного сопротивления цепи больше индуктивного, то цепь носит емкостный характер, т. е. напряжение отстает по фазе от тока. Если же, наоборот, индуктивное сопротивление цепи больше емкостного, то напряжение опережает ток, и, следовательно, цепь носит индуктивный характер.

Общее реактивное сопротивление Хобщ рассматриваемой нами цепи определяется путем сложения индуктивного сопротивления катушки XL и емкостного сопротивления конденсатора ХС.

Но так как действие этих сопротивлений в цепи противоположно, то одному из них, а именно Хс приписывается знак минус, и общее реактивное сопротивление определяется по формуле:

Хобщ = XL -ХС, XL = ?L, ХС = 1 / ?С

Применив к этой цепи закон Ома, получим:

Формулу эту можно преобразовать следующим образом:

U = I Хобщ = I (XL -ХС) = IXL -IХС

В полученном равенстве IXL —действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление индуктивного сопротивления цепи, а IХС—действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление емкостного сопротивления.

Таким образом, общее напряжение цепи, состоящей из последовательного соединения катушки и конденсатора, можно рассматривать как состоящее из двух слагаемых, величины которых зависят от величин индуктивного и емкостного сопротивлений цепи.

Мы считали, что такая цепь не обладает активным сопротивлением. Однако в тех случаях, когда активное сопротивление цепи не настолько уже мало, чтобы им можно было пренебречь, общее сопротивление цепи определяется следующей формулой:

где R — общее активное сопротивление цепи, XL -ХС — ее общее реактивное сопротивление. Переходя к формуле закона Ома, мы вправе написать: U = I / Z

Коэффициентом мощности называется отношение активной (средней за период) мощности Р к полной (кажущейся) мощности S.

Полная мощность, как это следует из треугольника мощности (рис. 29):

где Q – реактивная мощность. Кроме того, справедливы следующие соотношения: S = UI, P = UIcosφ, Q = UIsinφ, где U, I, φ – соответственно действующие значения напряжения и тока и угол сдвига по фазе между напряжением и током на входе потребителя переменного тока. В общем случае результирующая реактивная мощность определяется как разность индуктивной Q_L и емкостной Q_C мощностей

Нетрудно видеть (рис. 29), что коэффициент мощности может быть представлен как косинус угла сдвига φ между напряжением и током

Коэффициент мощности можно также получить как отношение активной составляющей к полной величине: сопротивления или проводимости, напряжения или тока эквивалентной последовательной и параллельной цепей, то есть

как это следует из соответствующих подобных треугольников.

Как известно [2], площадь поперечного сечения проводов линий электропередач и электрических сетей, обмоток электрических машин и трансформаторов выбирается из условий нагрева, то есть по величине тока I, который при заданном напряжении пропорционален полной мощности S = UI. Энергия, преобразуемая из электрической необратимо в другие виды (механическую, тепловую, химическую и др.), то есть используемая человеком для практических целей, пропорциональна активной энергии и соответствующей ей активной мощности Р, которая, как следует из выражения (58), может быть представлена в виде:

Поскольку U = const (стандартная величина напряжения, подаваемого на зажимы приемника), то одна и та же величина активной мощности Р может передаваться приемнику при большем токе и низком cosφ, или меньшем токе и более высоком значении коэффициента мощности cosφ.

Поэтому выгодно повышать cosφ на входе приемника, поскольку при этом снижается ток I в питающей линии, что позволяет увеличить ее пропускную способность, то есть передать дополнительную активную мощность, а также снизить потери напряжения на входе приемника и потери энергии на нагревание проводов линии электропередачи.

Большинство приемников электрической энергии переменного тока имеет индуктивный характер, то есть они потребляют индуктивную мощность Q_L (асинхронные двигатели, трансформаторы, электромагниты, выпрямители, магнитные пускатели и т.д.). Для уменьшения индуктивной мощности, передаваемой по линии, и повышения тем самым cosφ существует ряд мероприятий, в том числе искусственное повышение cosφ с помощью батареи конденсаторов, которое рассмотрим в этом разделе применительно к однофазному активно-индуктивному приемнику или одной фазе симметричного трехфазного приемника.

На рисунке 30а показана эквивалентная схема приемника, который представлен в виде двух параллельно включенных ветвей: активной r и катушки индуктивности L. Согласно первому закону Кирхгофа вектор действующее значение тока приемника равен геометрической сумме активного и индуктивного токов:

где величина тока .

Векторная диаграмма напряжения U питающей линии и токов эквивалентной схемы показана на рисунке 30б. Если стороны заштрихованного векторного треугольника токов умножить на напряжение U, то получится подобный исходному треугольник мощностей приемника со сторонами P, Q и S (рис. 30б)

На рисунке 31а показана схема, на которой параллельно приемнику с помощью ключа K можно включить компенсирующий конденсатор с емкостью С.

Если ключ K разомкнут, то по питающей линии течет ток I = I_пр, чему соответствует векторная диаграмма на рисунке 30б.

Чтобы уменьшить ток I линии, необходимо замкнуть ключ K (рис. 31а). При этом в цепи конденсатора потечет ток , опережая напряжение U на угол π/2, причем – емкостное сопротивление конденсатора при частоте питающей сети f = 50 Гц (ω = 2πf – угловая частота).

Согласно первому закону Кирхгофа при замкнутом ключе K (рис. 31а)

где I_p = I_L – I_C – реактивный ток, поступающий из сети. Соответствующая равенству (62) векторная диаграмма показана на рисунке 31б. Из диаграммы видно, что при включенном конденсаторе ток линии изменяется до величины I cosφ).

Оказывается, что экономически целесообразно повышать cosφ до величины cosφ¢ = 0,85¸0,9 при отстающем токе I, так как при достижении резонанса cosφ¢ = 1,0 или перекомпенсации, то есть опережающем токе (φ cosφ.

Можно показать, что величина емкости С при этом должна рассчитываться по формуле

Вывод этой зависимости приведен в [7].

Необходимо помнить, что при включении компенсирующего конденсатора (рис. 31а) сам приемник продолжает работать с тем же самым током I_пр и низким cosφ, а коэффициент мощности cosφ¢ повышается на входе всей установки, включающей сам приемник и компенсирующий конденсатор.

Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока

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.

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).

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.

Математически cos φ определяется как отношение активной мощности к полной или равен отношению косинуса этих величин (отсюда и название параметра).

Величина коэффициента мощности может изменяться в интервале 0 — 1 (либо в диапазоне 0 — 100%). Чем ближе его величина к 1, тем лучше, поскольку при величине cos φ = 1 – потребителем реактивная мощность не потребляется (равняется 0), следовательно, меньше потребляемая полная мощность в общем.

Низкий cos φ указывает на то, что на внутреннем сопротивлении потребителя выделяется повышенная реактивная мощность.

Когда токи / напряжения являются идеальными сигналами синусоидальной формы, то коэффициент мощности составляет 1.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

В энергетике для коэффициента мощности используются следующие обозначения cos φ либо λ. В случае если для определения коэффициента мощности используется λ, его значение выражают в %.

Геометрически коэффициент мощности можно изобразить, как косинус угла на векторной диаграмме между током, напряжением между током, напряжением. В связи с чем при синусоидальной форме токов и напряжений величина cos φ совпадает с косинусом угла, от которого отстают эти фазы.

Короткое видео о кратким объяснением, что такое коэффициент мощности:

Коэффициент мощности электрических установок

По значению этого коэффициента можно судить о том, как приемник использует мощность источника. При его повышении, когда активная мощность постоянна, уменьшается ток цепи, также снижаются потери мощности в проводах, что обеспечивает возможность дополнительной загрузки источника. В том случае, когда нагрузка остается неизменной, повышение данного коэффициента приводит к возрастанию активной мощности.
Если коэффициент мощности равен единице, это означает, что реактивная мощность равна нулю, при этом вся мощность источника считается активной. Для электрических ламп характерно активное сопротивление, при их включении сдвиг фазы между током и напряжением почти отсутствует, поэтому для осветительной нагрузки коэффициент мощности можно считать равным единице. У типовой промышленной нагрузки коэффициент мощности — 0,8, у компьютерной — 0,7. Для двигателей переменного тока этот показатель зависит от нагрузки, при их недогрузке коэффициент мощности резко падает.

Повышение коэффициента мощности

Значение коэффициента мощности рассчитывают при проектировании сетей. Поскольку низкое его значение является следствием увеличения величины общих потерь электроэнергии. Для его увеличения в сетях используют различные способы коррекции, повышая его значение до 1.

Повышение cos φ преследует 3 основные задачи:

снижение потерь электроэнергии;
рациональное использование цветных металлов на создание электропроводящей аппаратуры;
оптимальное использование установленной мощности трансформаторов, генератор и прочих машин переменного тока.

Технически коррекция реализуется в виде введения различных дополнительных схем на вход устройств. Эта техника требуется для равномерного использования мощности фазы, устранения перегрузок нулевого провода 3-х-фазной сети, и является обязательной для импульсных источников питания, установленной мощностью 100 Вт и более.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Помимо этого, компенсация позволяет обеспечить отсутствие всплесков потребляемого тока на пике синусоиды, равномерную нагрузку на питающую линию.

Так, например, при мощности

U — 220 В

Средневзвешенный cos фср нельзя использовать для оценки состояния сети предприятия по реактивной мощности, особенно в часы максимальных нагрузок электроснабжающей системы. Зачастую при высоком средневзвешенном cos фср предприятие в часы максимума энергосистемы потребляет значительную часть реактивной мощности в системе.

На основании технико-экономических расчетов предприятиям устанавливается экономически целесообразная величина реактивной мощности Q3l разрешенной к использованию с энергосистемы в часы максимальной нагрузки ее. Действительно потребляемую предприятием реактивную мощность QM определяют замерами в часы максимума нагрузок энергосистемы.

Сравнивая величину разрешенной к использованию реактивной мощности Q3 с величиной действительно потребляемой из сети реактивной мощности QM, можно определить эффективность мероприятий по компенсации реактивной мощности.

Способы повышения коэффициента мощности

Коэффициент мощности можно повысить разными способами. Один из самых распространенных — включение специального устройства, которое называют компенсатором, параллельно приемникам электрической энергии. В качестве такого устройства чаще всего используют батарею конденсаторов. В этом случае компенсатор является статическим. Данный способ повышения называют компенсацией сдвига фаз или компенсацией реактивной мощности.

Если компенсатор отсутствует, от источника к приемнику поступает ток, который отстает от напряжения на некий угол сдвига фаз. Когда подключается компенсатор, по нему проходит ток, опережающий напряжение, при этом в цепи источника угол сдвига фаз относительно напряжения будет меньше. Для полной компенсации угла сдвига фаз нужно создать условия, чтобы ток компенсатора был равен реактивной составляющей тока источника. При включении компенсатора источник и электрическая сеть разгружаются от реактивной энергии, поскольку она начинает циркулировать по цепи приемник-компенсатор.

Для повышения коэффициента мощности могут также применяться синхронные электрические машины, тогда компенсатор называют вращающимся. При этом повышается эффективность использования электрических сетей и генераторов переменного тока, а также уменьшаются потери, возникающих от бесполезной циркуляции реактивной энергии между приемником и источником.

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.

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.

Читайте также: