Рекомендації щодо виконання. Робота більшості електроприймачів змінного струму супроводжується споживанням реактивної енергії (потужності) і характеризується коефіцієнтом потужності

Робота більшості електроприймачів змінного струму супроводжується споживанням реактивної енергії (потужності) і характеризується коефіцієнтом потужності соsφ. На практиці коефіцієнт потужності підприємства визначається договором на його електропостачання і повинен знаходитися в межах 0, 93–0, 99 [4, 5, 8, 12].

Циркуляція реактивної потужності між системою електропостачання і електроприводом супроводжується втратами потужності. У зв'язку з цим зниження рівня цієї потужності, що називається, зазвичай, компенсацією реактивної потужності, визначає одну з можливостей енергозбереження.

Крім того, проходження реактивної потужності знижує пропускну здатність усіх елементів системи електропостачання і призводить до додаткового падіння напруги в лініях електропередач і трансформаторах. Таким чином, компенсація реактивної потужності є важливим техніко-економічним завданням [4, 8].

Перш ніж приступити до компенсації реактивної потужності і вибору засобів для її реалізації, слід провести заходи щодо зниження споживання реактивної потужності.

Компенсація реактивної потужності не завжди економічно вигідна для підприємства, що її здійснює. Це пов'язано з необхідністю капітальних витрат на установку засобів компенсації і зростанням споживання активної енергії, що викликається втратами потужності в компенсуючих пристроях. Тому визначення рівня компенсації, засобів її реалізації і місця їх установки вимагає виконання техніко-економічних розрахунків.

У таблиці. 4.1 наведені орієнтовні дані, що характеризують ефект від компенсації реактивної потужності в системі електропостачання.

Таблиця 4.1 – Дані за результатами компенсації реактивної потужності

Засоби компенсації реактивної потужності

До засобів компенсації реактивної потужності відносяться конденсаторні батареї, синхронні двигуни, синхронні компенсатори і фильтрокомпенсуючі пристрої.

Конденсаторні батареї є основними засобами компенсації реактивної потужності при робочій напрузі до 10 кВ і практично не мають обмеження за потужністю. Вони характеризуються простотою під час монтажу і експлуатації, безшумністю в роботі, відносно невисокою вартістю, можливістю установки практично у будь-якому приміщенні, малими питомими власними втратами потужності близько 0, 0025–0, 005 кВт/кВАр. Їх недоліком є неможливість плавного регулювання потужності, що віддається, наявність залишкового заряду, що вимагає застосування розрядних резисторів, чутливість до несинусоїдальності напруги мережі і пожежонебезпечність.

Реактивна потужність батареї конденсаторів (2кВА), визначається за співвідношенням

, (4.1)

де – кутова частота напруги мережі змінного струму з частотою 50 Гц; – номінальна напруга конденсаторів; В; – місткість конденсаторної батареї, мкФ.

Як видно з виразу (4.1), конденсаторні батареї однієї і тієї ж місткості вищої напруги здатні генерувати і велику реактивну потужність.

Синхронні двигуни приводять в рух виконавчі органи робочих машин і виробничих механізмів.

За рахунок цього електропривод з синхронним двигуном може працювати з необхідним коефіцієнтом потужності cosφ і мінімальними втратами потужності (максимальним ККД) або забезпечувати найкращі значення цих показників в системі електропостачання або у вузлі навантаження, до якого він підключений. Дія на ці енергетичні показники здійснюється за допомогою регулювання струму збудження двигуна, яке може здійснюватися в автоматичному режимі за заданим критерієм якості за допомогою систем автоматичного регулювання збудження (АРЗ).

Можливість роботи синхронного двигуна в якості джерела (компенсатора) реактивної потужності ілюструють U-подібні характеристики (рис. 4.1): залежність струму статора двигуна і його від струму збудження при , і . Вони мають мінімум, якому відповідає максимум коефіцієнта потужності .

На рис 4.1 наведені залежності (криві 1 і 2) та (криві 3 і 4) при двох рівнях механічного навантаження синхронного двигуна: номінальному (криві 1 та 3) та його неробочого ходу (криві 2 та 4). Область характеристик праворуч від пунктирної лінії 5 відповідає роботі двигуна з випереджаючим , а ліворуч – з відстаючим, на самій лінії 5

Рисунок 4.1 – U – подібні характеристики синхронного двигуна

За невеликих струмів збудження струм статора відстає від напруги мережі на кут , що відповідає роботі синхронного двигуна з відстаючим і споживанню ним реактивної енергії з живлячої мережі.

Під час деякого струму збудження реактивна складова струму дорівнюватиме нулю, тобто струм статора стане чисто активним . Цьому режиму відповідає мінімальне значення струму статора і максимально можливе значення . При подальшому збільшенні струму збудження знову з'явиться реактивна складова струму, але така, що вже випереджає напругу мережі на 90°. За рахунок цього струм статора також випереджатиме напругу мережі і двигун почне працювати з випереджаючим , віддаючи реактивну енергію в живлячу мережу.

Як видно з рис. 4.1, зі збільшенням потужності навантаження ділянка генерації реактивної потужності (випереджаючого ) зміщується у бік великих струмів збудження. Таким чином, якщо синхронний двигун працює зі змінним навантаженням на валу, то для повного використання його компенсуючих властивостей потрібне відповідне змінення його струму збудження.

Серійні синхронні двигуни випускаються з випереджаючим номінальним в межах 0, 8–0, 9, що визначає можливість їх використання в якості джерел реактивної потужності.

Регулювання струму збудження дозволяє використовувати синхронний двигун не лише як компенсатор реактивної потужності, але і забезпечувати з його допомогою інші корисні опції електроприводу і системи електропостачання, серед яких підвищення стійкості роботи синхронного двигуна при коливаннях механічного навантаження і підтримка номінальної напруги у вузлі системи енергопостачання, до якого приєднаний двигун. У загальному випадку регулювання струму збудження синхронного двигуна здійснюється в автоматичних схемах, в яких використовуються збудники тиристорів і різні види зворотних зв'язків – АРВ.

Генерація реактивної потужності цими двигунами супроводжується виділенням в них додаткових втрат потужності, що визначаються за формулою:

, (4.2)

де , – постійні для цього двигуна величини, залежні від типу двигуна, його потужності і швидкості обертання; – відповідно генерована і номінальна реактивні потужності двигуна.

В табл. 4.2 приведені значення , , номінальних потужностей , ККД та реактивної потужності для синхронних двигунів серії СДН напругою 6 кВ з номінальною швидкістю 1000 об/хв.

Синхронні компенсатори є синхронними двигунами полегшеної конструкції, які працюють без механічного навантаження. Їх перевага – можливість швидкого плавного регулювання струму збудження у великому діапазоні, а недоліки – значна вартість і відносно високі питомі втрати потужності, що становлять 0, 15–0, 32 кВт/кВАр. З цих причин застосування синхронних компенсаторів виявляється доцільним за необхідності генерації значної реактивної потужності (50 МВАр і вище), що змінюється в часі.

Таблиця 4.2 – Дані синхронних двигунів серії СДН

, кВт	, кВАр	, %	, кВт	, кВт
		95, 37	5, 09	3, 99
		95, 95	4, 74	4, 42
		95, 75	6, 65	6, 8
		96, 06	8, 06	7, 53
		96, 5	8, 13	7, 74
		96, 75	10, 3	8, 91
		96, 43	14, 1	11, 8
		96, 9	13, 8	11, 5
		97, 22	14, 6	13, 1

Фільтрокомпенсуючі пристрої (ФКП) доцільно використовувати на підприємствах, робота яких характеризується змінним електричним навантаженням, що викликає великі коливання напруги і викривлення форми кривих струму і напруги. Ці пристрої виконують одночасно дві функції: компенсацію реактивної потужності і фільтрацію вищих гармонік напруги і струму. Для цього до їх складу входять фільтр, що складається з індуктивних та ємнісних елементів і налаштований на подавляючі частоти вищих гармонік, а також спеціальний тиристорний перетворювач, що працює в режимі генерації реактивної потужності.

Ті ж функції, що і ФКП, але без фільтрації гармонічних складових, виконують статичні тиристорні компенсуючі пристрої.

Способи компенсації реактивної потужності

За способами компенсації розрізняють одиничну, групову і централізовану схеми компенсації.

Одинична схема передбачає компенсацію реактивної потужності однієї окремої електроустановки.

Групова схема передбачає компенсацію декількох електроустановок, розташованих поруч і підключених до одного розподільного пристрою.

Централізована схема застосовується для компенсації реактивної потужності декількох груп електроприймачів цеху або підприємства в цілому. Як правило, така компенсація характеризується наявністю регулятора реактивної потужності, що дозволяє змінювати рівень генерованої реактивної потужності при зміні режиму роботи системи електропостачання.

Підключення компенсуючих пристроїв може здійснюватися паралельно до електроустановки або послідовно з нею. Перший варіант, що дістав назву поперечної компенсації, застосовується для підвищення власне коефіцієнта потужності електроустановок. Другий варіант підключення, що називається подовжньою компенсацією, застосовується для електроприймачів, які працюють зі швидкозмінним навантаженням. Його застосування дозволяє понизити коливання напруги за рахунок компенсації індуктивних опорів елементів систем електропостачання.

Реактивна потужність компенсуючої установки (КУ) визначається за формулою:

, (4.3)

де – активна потужність електроприймача (електропривода); – тангенси кута відповідно після і до компенсації.

Економія електроенергії за рахунок зниження втрат потужності в системі електропостачання при компенсації реактивної потужності може бути визначена двома способами.

Перший спосіб передбачає використання коефіцієнта , що враховує зниження втрат активної потужності в системі електропостачання за рахунок зниження реактивної потужності, що передається, кВт/кВАр. Значення цього коефіцієнта лежать в межах 0, 02...0, 15, і він визначається схемою електропостачання. При його використанні формула для визначення економії втрат активної потужності в системі електропостачання при компенсації реактивної потужності має вигляд:

, (4.4)

де – величина реактивної потужності, що компенсується.

Формула є простою, проте через відсутність точного значення коефіцієнта , результати розрахунку можуть мати значну похибку.

Другий спосіб розрахунку допускає наявність конкретної схеми електропостачання електропривода з відомими параметрами її елементів. В цьому випадку зниження втрат потужності в ланці системи електропостачання, обумовлене зниженням реактивної потужності, що проходить по ньому, може бути розраховане за наступною формулою:

, (4.5)

де – реактивна потужність компенсуючого пристрою; – реактивна потужність до компенсації; – активний опір ланки; – напруга; – втрати потужності в компенсуючому пристрої.

Для трансформаторів компенсація реактивної потужності знижує їх навантаження і тим самим втрати потужності, які визначаються формулою:

, (4.6)

де – втрати потужності в трансформаторі, , – втрати потужності відповідно неробочого ходу і короткого замикання, – коефіцієнт завантаження трансформатора.

У практиці електропривода застосування знаходить індивідуальна компенсація реактивної потужності електродвигунів, у тому числі і низьковольтних. Таку компенсацію роблять з метою як зниження втрат потужності в системі електропостачання, так і для підвищення напруги на двигуні під час його живлення по довгих лініях. Формула для розрахунку потужності компенсуючого пристрою , що підвищує напругу на величину :

, (4.7)

де – номінальна напруга живлення, – питомий реактивний опір двигуна, – довжина живлячої лінії [8].

Приклади виконання самостійної роботи|

Синхронний двигун типу СДН–1000–600УЗ має наступні паспортні дані: ; ; ; (випереджальний); ; ; ; ; ; ; . Необхідно розрахувати залежності та при роботі двигуна з номінальним навантаженням на валу, а також залежність реактивної потужності від струму збудження при роботі двигуна з випереджаючим . Визначити зниження втрат в двигуні при роботі з у порівнянні з його роботою з номінальним випереджаючим .