VI. Коэффициент мощности и пути его улучшения. Как на практике увеличивают коэффициент мощности

Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока

Увеличение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока Большая часть современных потребителей электронной энергии имеют индуктивный нрав нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных движков, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток нужен для сотворения вращающегося магнитного поля у электронных машин и переменного магнитного потока трансформаторов.

Активная мощность таких потребителей при данных значениях тока и напряжения находится в зависимости от cosφ:

P = UICosφ, I = P / UCosφ

Понижение коэффициента мощности приводит к повышению тока.

Косинус фи в особенности очень понижается при работе движков и трансформаторов вхолостую либо при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей употребляется не стопроцентно. С уменьшением cosφ существенно растут энергопотери на нагрев проводов и катушек электронных аппаратов.

Увеличение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока К примеру, если активная мощность остается неизменной, обеспечивается током 100 А при cosφ=1, то при снижении cosφ до 0,8 и той же мощности сила тока в сети растет в 1,25 раза (Iа = Iсети х cosφ, Iс = Iа / cosφ ).

Утраты на нагрев проводов сети и обмоток генератора (трансформатора) Pнагр = I2сети х Rсети пропорциональны квадрату тока, другими словами они растут в 1,252 = 1,56 раза.

При cosφ= 0,5 сила тока в сети при той же активной мощности равна 100 / 0,5 = 200 А, а утраты в сети растут в 4 раза (!). Растут утраты 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 огромную, чем в первом. Нагрузка же генератора (термический режим) определяется не активной мощностью потребителей, а полной мощностью в киловольт-амперах, другими словами произведением напряжения на силу тока, протекающего по обмоткам.

Если обозначить сопротивление проводов полосы Rл, то утраты мощности в ней можно найти так:

Таким макаром, чем выше потребителя, тем меньше утраты мощности в полосы и дешевле передача электроэнергии.

Коэффициент мощности указывает, как употребляется 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.

Как следует, увеличение коэффициента мощности наращивает степень использования мощности генераторов.

Для увеличения коэффициента мощности (cosφ) электронных установок используют компенсацию реактивной мощности.

Роста коэффициента мощности (уменьшения угла φ — сдвига фаз тока и напряжения) можно достигнуть последующими методами:

1) подменой не достаточно загруженных движков движками наименьшей мощности,

2) снижением напряжения

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

4) включением в сеть особых компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.

На массивных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы — синхронные перевозбужденные электродвигатели.

Синхронные компенсаторы

Чтоб повысить экономичность энергетических установок более нередко употребляют 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 электронных установках до нескольких сотен кВА используют косинусные конденсаторы. Их выпускают на напряжение от 0,22 до 10 кВ.

Емкость конденсатора, нужную для увеличения cosφ от имеющегося значения cosφ1 до требуемого cosφ2, можно найти по диаграмме (рис. 2 б, в).

косинусные конденсаторы При построении векторной диаграммы в качестве начального вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный нрав, 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 всем этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 2, в). Из векторной диаграммы видно, что φ2 1, т.е. после включения конденсатора коэффициент мощности увеличивается от cosφ1 до cosφ2

Емкость конденсатора можно высчитать с помощью векторной диаграммы токов (рис. 2 в) Ic = Iр1 — Iр = Iа tgφ1 — Iа tgφ2 = ωCU

Беря во внимание, что P = UIа, запишем емкость конденсатора С = (Iа / ωU) х (tgφ1 — tgφ2) = (P / ωU2) х (tgφ1 — tgφ2).

На практике обычно коэффициент мощности увеличивают не до 1,0, а до 0,90 — 0,95, потому что полная компенсация просит дополнительной установки конденсаторов, что нередко экономически не оправдано.

Школа для электрика

elektrica.info

VI. Коэффициент мощности и пути его улучшения.

Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Активная мощность таких потребителей при заданных значениях тока и напряжения зависит от

Следовательно, повышение коэффициента мощности приводит к уменьшению тока.

Если обозначить сопротивление проводов линии , 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 = 0,5 мощность генератора должна быть

кВА,

а при

= 1

= 1000 кВА.

Следовательно, повышение увеличивает степень использования мощности генераторов. Чтобы повысить экономичность энергетических установок, принимают повышают – используют батареи конденсаторов, подключаемые параллельно индуктивной нагрузке (рис. 2.18 а).

Рис. 2.18

Емкость конденсатора, необходимую для повышения от существующего значения до требуемого , можно определить по диаграмме (рис. 2.18 б, в). При построении векторной диаграммы в качестве исходного вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный характер, то вектор тока

отстает от вектора напряжения на угол

. Активная составляющая тока

совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока

отстает от него на 90° (рис. 2.18 б).

После подключения к потребителю батареи конденсаторов ток определяется как геометрическая сумма векторов и . При этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 2.18 в). Из векторной диаграммы видно, что , т.е. после включения конденсатора коэффициент мощности повышается от

до

Емкость конденсатора можно рассчитать при помощи векторной диаграммы токов (рис. 2.18 в)

Учитывая, что , запишем емкость конденсатора

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.

Предприятия стремятся оплатить льготный тариф за электрическую энергию, для повышения cosφ существуют естественный и искусственный пути.

Естественные пути:

Эксплуатировать силовые установки (двигатели, трансформаторы и другие) в номинальном режиме, которые используют максимум КПД и минимальные потери мощности.

Исключать режимы работ асинхронных двигателей и трансформаторов в холостом ходе, при которых cosφ=0,17

Искусственные пути:

Для повышения cosφ реальных установок применяют параллельное включение конденсаторов различных параллельных обмоток
Использование специальной машины, которая получила название асинхронного конденсатора.

Зачем повышать коэффициент мощности? — Руководство по устройству электроустановок

Снижение стоимости электроэнергии

Повышение коэффициента мощности обеспечивает несколько технических и экономических преимуществ, особенно снижение счетов за электроэнергию.

Оптимальное регулирование потребления реактивной мощности дает следующие экономические преимущества.

Приводимая информация основана на фактической структуре тарифных ставок, общепринятой в Европе и направленной на стимулирование потребителей минимизировать потребление реактивной мощности.

Установка конденсаторов для повышения коэффициента мощности позволяет потребителям снижать затраты на электроэнергию за счет поддержания уровня потребления реактивной мощности ниже значения, согласованного (по договору) с поставщиком электроэнергии. В рамках рассматриваемой тарифной структуры счет за потребленную реактивную энергию выставляется по критерию tg φ.Как указано выше:

$tg\ \phi=\frac{Q}{P}$ (квар·ч / кВт·ч)

Электроснабжающая организация поставляет реактивную энергию бесплатно:

До точки, в которой ее потребление составляет менее 40% от потребления активной энергии

(tg φ = 0,4) в течение максимального периода 16 часов в день (с 06-00 до 22-00 ч) в период наибольшей нагрузки (часто зимой).

Без ограничения в периоды низкой нагрузки зимой, весной и летом.

В течение периодов ограничения счет за реактивную энергию, потребленную свыше 40% активной энергии (tg φ > 0,4), выставляются ежемесячно по текущим ставкам. Таким образом, количество реактивной энергии Wреак, оплачиваемой потребителем в такие периоды, составляет: квар·ч (к оплате) = W кВт·ч (tg φ – 0,4), где W кВт·ч – активная энергия, потребленная в периоды ограничения, tg φ – общая реактивная энергия за период ограничения и 0,4W (кВт·ч) – количество реактивной энергии, поставленной бесплатно за период ограничения.

Tg φ = 0,4 соответствует коэффициенту мощности 0,93. Таким образом, если в периоды ограничения коэффициент мощности никогда не упадет ниже 0,93, потребитель ничего не будет платить за потребленную реактивную мощность.

Однако, получая такие преимущества пониженных затрат на электроэнергию, потребитель должен учитывать стоимость приобретения, установки и обслуживания конденсаторов для повышения коэффициента мощности, а также автоматических регуляторов (в случае ступенчатой компенсации) вместе с дополнительными кВт·ч, потребляемыми диэлектриками.

Учитывая такие затраты на конденсаторы, может оказаться более экономически выгодным обеспечивать только частичную компенсацию, т.е. оплата некоторой потребляемой реактивной энергии может обходиться дешевле, чем 100%-ная компенсация.

Вопрос повышения коэффициента мощности - это, прежде всего, вопрос оптимизации (за исключением очень простых случаев).

Техническая/экономическая оптимизация

Повышение коэффициента мощности позволяет уменьшить номинальные значения мощности трансформаторов, распределительных устройств, кабелей, а также сократить потери мощности и ограничить потери напряжения.

Высокий коэффициент мощности позволяет оптимизировать все компоненты системы, то есть избежать завышения номиналов определенного оборудования. Для получения оптимальных результатов необходимо устанавливать компенсирующие устройства как можно ближе к потребителю реактивной (индуктивной) энергии.

Уменьшения сечения кабелей

Рис. L7: требуемое увеличение сечения кабелей при снижении коэффициента мощности с единицы до 0,4.

Множитель для площади поперечного сечения жил(ы)кабеля	1	1,25	1,67	2,5
cos φ	1	0,8	0,6	0,4

Рис. L7 : Множитель для сечения кабеля в зависимости от cos φ

Снижение потерь (P, кВт) в проводниках

Потери в кабелях пропорциональны квадрату тока и измеряются счетчиком киловатт-часов установки. Например, снижение общего тока в проводнике на 10% приводит к снижению потерь почти на 20%.

Снижение потерь напряжения

Конденсаторы для повышения коэффициента мощности снижают или даже полностью устраняют (индуктивный) реактивный ток в вышележащих проводниках, тем самым снижая или устраняя потери напряжения.

Примечание: избыточная компенсация приводит к повышению напряжения на конденсаторах.

Повышение пропускной способности

Повышение коэффициента мощности нагрузки, питаемой от трансформатора, приводит к снижению тока через трансформатор, что позволяет добавлять нагрузку. На практике может оказаться дешевле повысить коэффициент мощности [1], чем заменить трансформатор на больший номинал.

Этот вопрос рассматривается в разделе Компенсация на зажимах трансформатора.

Примечания

[1] В силу других преимуществ высокого значения коэффициента мощности, указанных ранее.

ru.electrical-installation.org

Что означает коэффициент мощности генератора?

Большинство потребителей, которым необходимо подобрать электростанцию, часто недопонимают многие технические характеристики, включая такой термин как коэффициент мощности генератора. Между тем этот показатель относится к довольно значимым, поэтому следует уяснить его важность и на что он влияет.

Понятие мощности

Любой электрический прибор либо нагрузка, подключенная к генератору, потребляет две мощности: реактивную и активную, они в сумме образуют полную мощность системы энергоснабжения, которая измеряется в кВА.

1. активная мощность дизельгенератора представляет мощность, используемую непосредственно для выполнения работы (совершения своих функций потребителем), то есть это необходимая полезная мощность.

2. реактивная мощность дизельгенератора («пустая» мощность) возникает у электропотребителя вследствие особенностей его конструкции и существующих законов физики, она постоянно циркулирует между потребителем и генератором. При этом чем меньше потребляет подключенное устройство реактивной мощности, тем качество энергоснабжения будет больше и генератор по величине номинальной мощности потребуется меньше.

Коэффициент мощности электростанции

Коэффициент мощности генератора, который измеряется как cos φ, в целом демонстрирует, какую часть от полной мощности генератора составляет непосредственно активная (полезная мощность). На сегодняшний день коэффициент мощности генератора принято измерять в дробных значениях, которые не превышают 1, где показатель 1 – это 100% (то есть из суммарной заявленной мощности 100% приходится непосредственно на активную её составляющую). В результате при коэффициенте мощности 0,8 потребитель будет получать 0,8 активной мощности генератора из 100% полной мощности.

То есть, значение cos φ представляет достаточно важный показатель. Данное значение будет оказывать прямое влияние на качественную работу подключенных потребителей.

Как это выглядит на практике

Допустим, вы хотите приобрести дизельную электростанцию, коэффициент мощности cos φ которой составляет 0,8, а номинальная мощность – 1000 кВА. Генератор в таком случае подключенным нагрузкам может отдать активную мощность, равную лишь 800 кВА, то есть 0,8 * 1000 кВА cos φ = 800 кВА. Если увеличить коэффициента мощности до 0,9, то получаем актуальную активную мощность генератора, составляющую 900 кВА. Получается, что чем показатель cos φ выше, тем большую активную мощность генератор может отдать потребителям при одинаковых показателях номинальной мощности.

При подборе электростанции непосредственно под определенные нужды объекта установки, этот показатель будет определять, подойдет ли данная ДГУ для бесперебойного питания всех подключенных потребителей. В противном случае следует рассмотреть вариант аренды дизельной электростанции с большим значением номинальной мощности и меньшим показателем cos φ, и наоборот.

Способы улучшения коэффициента мощности -

Повышение коэффициента мощности на предприятиях возможно двумя путями: естественным и искусственным.

Естественный путь повышения cos ф предусматривает: упорядочение технологических процессов таким образом, чтобы приводные двигатели были постоянно загружены и не работали продолжительное время на холостом ходу; замену незагруженных двигателей менее мощными; замену асинхронных двигателей с фазным ротором на асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором; замену тихоходных двигателей на быстроходные; применение синхронных двигателей вместо асинхронных.

Для осуществления вышеперечисленных мероприятий не требуются капитальные затраты, поэтому естественный путь улучшения коэффициента мощности является наиболее доступным и выгодным.

Для искусственного повышения коэффициента мощности применяют компенсирующие устройства на напряжение до 1000 В и выше.

На шахтах чаще всего применяются централизованная компенсация путем установки конденсаторов на шинах 6 кВ. При этом повышается общий коэффициент мощности, ио от передачи реактивной мощности разгружаютея только трансформаторы районных подстанций и линии, питающие ГПП.

Для разгрузки сетей участков от реактивной мощности необходимо конденсаторы устанавливать непосредственно на участках. В угольных шахтах такие установки конденсаторов не применяют из-за отсутствия их в нужном исполнении.

В связи с тем, что для установки конденсаторов необходимы определенные капитальные затраты, вопрос о применении искусственного способа повышения cos ф решается технико-экономичсскими расчетами при проектировании предприятия, а в период эксплуатации — технико-экономическими расчетами, которые производит электроснабжающая организация.

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.

alyos.ru

Повышение коэффициента мощности в промышленных сетях

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЗА СЧЕТ РАЦИОНАЛИЗАЦИИ РАБОТЫ ТОКОПРИЕМНИКОВ

Повышение коэффициента мощности промышленного предприятия сводится в основном к рационализации работы основных потребителей реактивной мощности — асинхронных двигателей и трансформаторов.

Рис.1. Зависимость средних значений к.п.д. от мощности (для асинхронных двигателей открытого и защищенного типов).

зависимость косинуса фи от мощности двигателя

Рис. 2. Зависимость средних значений cos φ от мощности (для асинхронных двигателей открытого и защищенного типов).

Ниже приводятся основные мероприятия, направленные к рационализации работы асинхронных двигателей:

1. Замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности или замена на двигатели той же мощности, но с улучшенными характеристиками.

При замене двигателя двигателем меньшей мощности часто потери активной мощности

из-за более низкого номинального к. п. д. нового двигателя могут остаться неизменными или же увеличиться (рис.1), а потребление реактивной мощности в ряде случаев уменьшиться (рис.2). Поэтому следует проверить целесообразность замены двигателей. Кроме того, следует учесть стоимость монтажных работ при замене двигателя.

Пример. Для привода центробежного наcoca установлен двигатель типа АД-82/2, который имеет следующие данные: Р = 60 кВт; Uн4 = 380 В; ηн = 0,895; cos φн = 0,91; Т= 4 000 час/год. Стоимость электроэнергии 2 pyб/кВтч - kэ = 0,1. Предположим, что фактическая загрузка двигателя Р = 30 кВт при cosφ1 = 0,81, η1 = 0,87 и Q1 = 24,7 кВАр. Определить целесообразность замены указанного двигателя на двигатель типа АД-72/2, имеющего данные: Рн = 35 кВт; Uн = 380 В; ηн = 0,89; cosφн = 0,90; I0 = 23,0 а.

Коэффициент загрузки двигателя АД-72/2 Р

, к.п.д. при этом

Реактивная мощность, потребляемая двигателем, определяется формулой

где Q0 — потребляемая реактивная мощность холостого хода. В данном случае

;

Следовательно,

Уменьшение потерь активной мощности в самом двигателе при замене находим из выражения

Так как

, то замена целесообразна при любом kэ

Общая экономия потерь активной мощности равна:

Годовую экономию получим:

или

Следовательно, в данном случае такая замена двигателей целесообразна и дает значительную годовую экономию.

схема переключения асинхронного двигателя

Рис.3. Принципиальная схема переключения статорной обмотки асинхронного двигателя с трех параллельных ветвей на две.

2. Понижение рабочего напряжения для двигателей, работающих с малыми коэффициентами загрузки, путем:

1) Переключения малозагруженных двигателей (при загрузке 35% и ниже) напряжением 127/220 и 220/380 В с треугольника на звезду с помощью специальных переключателей или постоянной перепайкой статорных обмоток. Для двигателей с часто изменяющейся нагрузкой применяются автоматические переключатели с треугольника на звезду и обратно.

2) Секционирование статорных обмоток двигателей, загруженных до 50% номинальной мощности (рис. 3). Это мероприятие на практике осложняется необходимостью изготовления переключателей и перемотки обмотки с устройством до 18 выводов для их перепайки или их присоединения к переключателю. Коэффициент мощности при этом повышается с 0,5 до 0,8.

3) Понижение напряжения фабрично-заводских силовых сетей путем переключения ответвлений понижающих цеховых трансформаторов для случая, когда все двигатели в цехе мало загружены и питаются от одного и того же трансформатора.

диаграмма нахождения показателей эффективности

Рис. 4. Диаграмма для нахождения показателя эффективности Э в зависимости от мощности х.х. электропривода.

3. Ограничение времени работы двигателей на х. х., которое осуществляется на практике чаще всего с помощью автоматических ограничителей.

Если межоперационное время превышает 10 сек., применение ограничителей х. х. дает экономию активной и реактивной энергии, которая подсчитывается из выражений

где z — число технологических циклов в час;

Рн — номинальная мощность двигателя, кВт;

Э — коэффициент эффективности, определяемый по диаграмме рис. 4 в зависимости от мощности х. х. двигателя, измеряемой ваттметром;

Эр — коэффициент эффективности, определяемый по диаграмме рис. 5 в зависимости от номинального коэффициента мощности двигателя;

Твсп — продолжительность вспомогательного времени, сек/цикл.

Рис.5 Диаграмма для нахождения показателя эффективности Эр, определяемого в зависимости от номинального коэффициента мощности асинхронного двигателя.

Пример. Станок револьверный типа Р-136. Двигатель АД-42/4;

Рн =5,8 кВт; cos φн = 0,86; P0 = 1,25 кВт; режим: Твсп = 16 сек.;

z = 38 циклов/час;

находим по диаграмме рис. 4 Э = 0,175, тогда

По cos φн = 0,86 и

находим из диаграммы рис. 5 Эр=0,355, тогда

4. Повышение качества ремонта асинхронных двигателей. Выпуск из ремонта двигателей с большой неравномерностью загрузки отдельных фаз с увеличенным током х. х. или с отклонением от заводских обмоточных данных вызывает значительное повышение потребления двигателями реактивной мощности из сети.

5. Рационализация работы трансформаторов, заключающаяся в замене и перегруппировке их, а также отключении трансформаторов во время работы на холостом ходу.

Если при этом потребление реактивной мощности снижается, а потери активной мощности увеличиваются или наоборот, то следует решить целесообразность замены и перегруппировки трансформаторов.