Avtosfera76.ru

Авто Сфера №76
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности в районных сетях

Рубрика: Технические науки

Статья просмотрена: 3495 раз

Библиографическое описание:

Плотников, М. П. Компенсация реактивной мощности в районных сетях / М. П. Плотников. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2011. — № 12 (35). — Т. 1. — С. 37-39. — URL: https://moluch.ru/archive/35/3948/ (дата обращения: 21.09.2021).

Вопросы экономного использования всех видов энергии, в том числе электричес-кой, и повышения экономичности работы электроустановок являются важной государственной проблемой. В последние годы повышению качества электроэнергии уделяют боль-шое внимание, т.к. качество электроэнергии может существенно влияет на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения, технологический процесс производства.

Одним из основных вопросов, связанных с повышением качества электроэнергии в районных сетях является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающий выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, размещение источников в системе электроснабжения. Передача реактивной мощности на значительные расстояния от мест генерации до мест потребления существенно ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения. Поэтому генераторы электростанций должны вырабатывать, наряду с активной мощностью, также и реактивную, передаваемую по электрический сети потребителям.

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии, которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Полная мощность, выдаваемая генераторами в сеть [1, с.140]:

где P и Q — активная и реактивная мощности приемников с учетом потери мощности в сетях;

cosφ — результирующий коэффициент мощности приемников электроэнергии.

Генераторы рассчитываются для работы с их номинальным коэффициентом мощности, равным 0,8—0,85, при котором они способны выдавать номинальную активную мощность [2, с.180]. Снижение cosφ у потребителей ниже определенного значения может привести к тому, что cosφ генераторов окажется ниже номинального и выдаваемая ими активная мощность при той же полной мощности будет меньше номинальной. Таким образом, при низких коэффициентах мощности у потребителей для обеспечения передачи им заданной активной мощности приходится вкладывать дополнительные затраты в сооружение более мощных электростанций, увеличивать пропускную мощность сетей и трансформаторов и вследствие этого нести дополнительные эксплуатационные расходы.

Так как в современные электрические системы входит большое количество трансформаторов и протяженных воздушных линий, то реактивное сопротивление передающего устройства получается весьма значительным, а это вызывает немалые потери напряжения и реактивной мощности. Передача реактивной мощности по сети приводит к дополнительным потерям напряжения, из выражения [3, с. 168]:

видно, что передаваемая по сети реактивная мощность Q и реактивное сопротивление сети Х существенно влияют на уровень напряжения у потребителей.

Размер передаваемой реактивной мощности влияет также на потери активной мощности и энергии в электропередаче, что следует из формулы:

Величиной, характеризующей передаваемую реактивную мощность, является коэффициент мощности . Подставляя в формулу потерь значение полной мощности, выраженной через co sφ , получаем:

Отсюда видно, что зависимость мощности конденсаторных батарей обратно пропорциональна квадрату напряжения сети, поэтому невозможно плавно регулировать реактивную мощность, а следовательно, и напряжение установки. Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

— высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);

— большие перепады напряжения в электрических линиях;

— необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего выше приведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Что легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Основными источниками реактивной мощности, устанавливаемыми на месте потребления, являются синхронные компенсаторы и статические конденсаторы. Наиболее широко используют статические конденсаторы на напряжении до 1000 В и 6—10 кВ. Синхронные конденсаторы устанавливаются на напряжении 6—10 кВ районных подстанций.

Рис.1 Схемы электропередачи

а—без компенсации; б — с компенсацией.

Все эти устройства являются потребителями опережающей (емкостной) реактивной мощности или, что то же самое, — источниками отстающей реактивной мощности, выдаваемой ими в сеть. Сказанное иллюстрируется схемой на рис. 1. Так, на схеме рис. 1 а изо-бражена передача электроэнергии от электростанции А к потребительской подстанции Б. Передаваемая мощность составляет P + jQ. При установке у потребителя статических кон-денсаторов мощностью Q К (рис. 1 б) мощность, передаваемая по сети, будет Р + j(Q — Q К )

Мы видим, что реактивная мощность, передаваемая от электростанции, уменьшилась или, как говорят, стала скомпенсированной на величину мощности, вырабатываемой конденсаторной батареей. Эту мощность потребитель получает теперь в значительной части непосредственно от компенсирующей установки. При компенсации реактивной мощности уменьшаются и потери напряжения в электропередачах. Если до компенсации мы имели потерю напряжения в районной сети

то при наличии компенсации она будет снижена до величины

где R и Х — сопротивления сети.

Так как мощность отдельных конденсаторов сравнительно невелика, то обычно их соединяют параллельно в батареи, размещаемые в комплектных шкафах. Часто применяют установки, состоящие из нескольких групп или секций батарей конденсаторов, что делает возможным ступенчатое регулирование мощности конденсаторов, а стало быть, и напряжения установки.

Батарея конденсаторов должна быть снабжена разрядным сопротивлением, наглухо присоединенным к ее зажимам. Разрядным сопротивлением для конденсаторных установок напряжением 6—10 кВ служат трансформаторы напряжения ТН, а для конденсаторных батарей напряжением до 380 В — лампы накаливания. Необходимость в разрядных сопротивлениях диктуется тем, что при отключении конденсаторов от сети в них остается электрический заряд и сохраняется напряжение, близкое по величине к напряжению сети. Будучи же замкнутыми (после отключения) на разрядное сопротивление, конденсаторы быстро теряют свой электрический заряд, спадает до нуля и напряжение, что обеспечивает безопасность обслуживания установки. От других компенсирующих устройств конденсаторные установки выгодно отличаются простотой устройства и обслуживания, отсутствием вращающихся частей и малыми потерями активной мощности.

Рис 2 Схема включения конденсаторной батареи.

При выборе мощности компенсирующих устройств надо стремиться к правильному распределению источников реактивной мощности и к наиболее экономичной загрузке сетей. Различают:

а) мгновенный коэффициент мощности, подсчитываемый по формуле.

исходя из одновременных показаний ваттметра (Р), вольтметра (U> и амперметра (I) для данного момента времени или из показаний фазометра,

б) средний коэффициент мощности, представляющий собой среднее арифметическое значение мгновенных коэффициентов мощности за равные промежутки времени, определяемый по формуле:

где n — число промежутков времени;

в) средневзвешенный коэффициент мощности, определяемый по показаниям счетчиков активной Wa и реактивной Wr энергии за определенный промежуток времени (сутки, месяц, год) с помощью формулы:

Выбор типа, мощности, места установки и режима работы компенсирующих устройств должен обеспечивать наибольшую экономичность при соблюдении:

а) допустимых режимов напряжения в питающей и распределительных сетях;

б) допустимых токовых нагрузок во всех элементах сети;

в) режимов работы источников реактивной мощности в допустимых пределах;

г) необходимого резерва реактивной мощности.

Критерием экономичности является минимум приведенных затрат, при определении которых следует учитывать:

а) затраты на установку компенсирующих устройств и дополнительного оборудования к ним;

б) снижение стоимости оборудования трансформаторных подстанций и сооружения распределительной и питающей сети, а также потерь электроэнергии в них и

в) снижение установленной мощности электростанций, обусловленное уменьшением потерь активной мощности.

Из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что компенсация реактивной мощности в районных сетях с помощью конденсаторных батарей позволит увеличить пропускную способность линии, без изменения электротехнического оборудования. Кроме того, это целесообразно с экономической точки зрения.

Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Энергоиздат, 2004. 456 с.

Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Энергоиздат, 1990. 265 с.

Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества электроэнергии в электрических сетях. Киев: Наукова думка, 1985. 268 с.

Большанин Г.А, Плотников М.П. Особенности распределения электрической энергии по городским сетям. Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск: Изд-во БрГУ, 2011. – Т.2., с. 48-51.

Активная и реактивная мощность

Активная и реактивная мощность

Сообщение chegevara » 19 май 2017, 14:30

Активная и реактивная мощность

Сообщение Ryzhij » 19 май 2017, 16:04

Активная и реактивная мощность

Сообщение rwg » 19 май 2017, 18:00

Активная и реактивная мощность

Сообщение Михайло » 20 май 2017, 09:33

Для полноты и точности картины важно понимать, что единственным реальным током является полный ток. В сетях переменного тока есть такая досада — генератор выдает потребителю большой ток (полный ток), а фактически потребитель (двигатель) вырабатывает мощность чуть ниже, чем если считать по полному току. Неприятно это тем, что провода, автоматические выключатели и т.п. рассчитываются по полному току, имеют большое сечение, большие габариты, но при этом происходит недоиспользование возможностей.
Теперь о причинах этой картины. Картина становится ясной, если посмотреть картинку из учебника, где напряжение опережает ток и показаны графики мгновенной мощности (полной мощности).

Почему ток отстает от напряжения по фазе? Ответ: потому что ток определяется нагрузкой. Если нагрузка индуктивная, то она по ранее изученному закону Ленца сдвигает ток относительно напряжения в сторону отставания. Получается так, что генератор как бы пихает энергию в нагрузку, а та отталкивает ее в некоторой части обратно в силу своей природы.

Активных и реактивных токов, активной и реактивной мощности фактически не существует, это чисто математические фокусы а-ля комплексных чисел. Тем не менее нужно уметь это все вычислять, чтобы правильно подбирать индуктивности, емкости, сопротивления и т.п. Активная мощность (ток) — это та доля, которая фактически потребилась потребителем, реактивная мощность (ток) — эта доля, которую нагрузка «оттолкнула» обратно в генератор. Соответственно нужно стремиться увеличить активную составляющую и уменьшить реактивную, чтобы было максимальное использование мощности сети, максимальный косинус фи, активная составляющая равнялась полной.

Компенсация реактивной мощности: если в схему с индуктивностью добавить немного емкости (не перебарщивая), то мы будем наблюдать, что получившаяся схема увеличила свой коэффициент мощности (косинус фи). Это называется компенсацией реактивной мощности. Хитрость заключается в том, что как раз в те моменты времени, когда индуктивная нагрузка выталкивает из себя энергию, емкостная нагрузка желает потребить эту энергию. Можно убедиться в этом, если построить графики мгновенной мощности для индуктивности и емкости при переменном напряжении.

При компенсации реактивной мощности индуктивность и емкость как бы дополняют друг друга, они обмениваются между собой реактивной мощностью, не занимая при этом источник энергии. Для источника энергии компенсированная нагрузка представляет собой нагрузку с высоким косинусом фи. Компенсация реактивной мощности представляет собой реальное техническое решение проблемы недоиспользования мощности.
Есть еще понятия «резонанс токов» и «резонанс напряжений» — это названия для тех случаев, когда индуктивности добавляют ровно столько емкости, чтобы не переборщить. Это оптимальные случаи компенсации реактивной мощности для параллельного и последовательного соединения реактивных нагрузок. Подробности — в учебниках.

Читать еще:  Датчик оборотов двигателя ваз 2110 инжектор

***
А еще у нас преподаватель постоянно просил дать определение реактивной энергии. Если реактивная мощность еще как-то математически определена, то реактивной энергии не существует даже математически. Например, говорить «компенсация реактивной энергии» некорректно. Это просто к слову.

Активная и реактивная мощность

Сообщение Ryzhij » 21 май 2017, 05:23

Мощность, ЛЮБАЯ, это энергия в единицу времени.
Не бывает такого, что вот мощность есть, а энергии нет.

Это так, к слову 😉

Активная и реактивная мощность

Сообщение Михайло » 21 май 2017, 06:15

Активная и реактивная мощность

Сообщение Ryzhij » 21 май 2017, 08:23

Активная и реактивная мощность

Сообщение Михайло » 21 май 2017, 15:21

Активная и реактивная мощность

Сообщение Jackson » 22 май 2017, 12:14

Активная и реактивная мощность

Сообщение Jackson » 22 май 2017, 15:15

Это не совсем так. Реактивную мощность нельзя забрать или отдать — она болтается туда-сюда как селёдка по закрытой банке и никуда не девается. Чтобы забрать мощность, её нужно куда-то передать, соответственно чтобы отдать — её нужно где-то взять. Это первое.

Второе. Мощность генератора будет такой, какова его нагрузка (нет нагрузки — нет никакой мощности) по отношению к этому генератору. Генератор сам по себе эту мощность не выдаст — закон сохранения.

Так что когда Вы говорите про двигатель — говорите какую нагрузку он создаёт. А когда говорите про генератор — говорите про то какую нагрузку он на себя принял. Если нормально нагрузка у нас индуктивная, то и на генератор она ляжет индуктивная.

Третье. Случай параллельной работы генераторов, когда мощность — как активная так и реактивная распределяются между двумя источниками. Это два независимых (по управлению и в теории) параметра генератора — активная мощность и реактивная.
С активной мощностью при параллельной работе всё просто: если она положительна значит генератор генерирует, если отрицательна — потребляет (и подкручивает собой приводной двигатель). Это называется обратная мощность или двигательный режим. Но солярку при этом приводной двигатель вырабатывать, к сожалению, не будет.

С реактивной принцип тот же, но чуть сложнее для понимания. Если нормально нагрузка индуктивная, то нормально и на генераторах она индуктивная, но может получиться так что на одном генераторе реактивной мощности вовсе не будет, или она будет даже емкостная (при общей индуктивной) — это значит что этот генератор недостаточно возбуждён и требуется энергия для того чтобы поддерживать его напряжение (шины-то общие), чем он дополнительно нагружает другой генератор. Может быть даже так что общая нагрузка чисто активна, но из-за разного возбуждения генераторов на одном видим cosФ = 0,8i, а на другом — 0,8c.

Где-то каша в голове — либо у Вас либо у автора сего.

Продолжим. Каналы управления генераторами при их параллельной работе по активной и реактивной мощности разные и независимые. Активная мощность создаёт тормозной момент на валу генератора, значит чем больше дадим топлива (газу) тем больше он возьмёт на себя активной мощности, и наоборот. можно отрегулировать его так чтобы он активной мощности ни выдавал ни потреблял, всю активную мощность возьмут на себя другие источники, с которыми он работает параллельно.
Реактивная мощность никакого момента в теории на валу не создаёт (на практике создаёт но очень незначительный и не у всех генераторов), но определяется степенью возбуждения генератора, то есть регулируя ток возбужения (так же как и топливо — больше/меньше) можно добиться чтобы генератор взял на себя реактивную нагрузку, начал наоборот создавать её, или работал в 0. Как и с активной мощностью.

Теперь про санитара леса. Раз каналы управления разными мощностями разные, то логично, если не создавать момент на валу (работать с 0 активной мощностью) кидать на генератор реактивную нагрузку. Эта идея одно время широко применялась на судах, где валогенератор, что приводился в движение главным двигателем вместе с гребным винтом, работал в режиме т.н. синхронного компенсатора: включается в судовую сеть как обычный генератор, но регулируется так что активной мощности на себя не берёт и соответственно главный двигатель не нагружает, а реактивную нагрузку принимает на себя сколько может чем разгружает остальные генераторы. Генератор с собственным независимым приводом в таком режиме гонять бессмысленно экономически — двигатель все равно будет его вращать, топливо потреблять, ресурс расходоваться а без нагрузки ДВСы и малые турбины плохо работают (точнее очень недолго). Но если уже есть какой-то приводной двигатель который что-то вращает, то можно навесить на него ещё и синхронный генератор и включить его в сеть — пусть берёт на себя только реактивную нагрузку.

Только это выливается в требования к автоматике, редуктор нужно с отбором мощности сделать, сам генератор небесплатный и габаритный, и на технологию повлияет. Например на судне, которое идёт с включенным валогенератором, у капитана нет свободы манёвра потому что обороты ГД должны быть постоянными (иначе он всю судовую электросеть завалит) — значит делаются гребные винты регулируемого шага со своей непростой механикой и автоматикой. Короче нюансов много и далеко не везде это применимо. Но на океанских торговых судах оправдано — на трансокеанском переходе в течение недели-двух а то и больше никаких маневров не планируется, незачем гонять независимые генераторы, когда главный двигатель всё равно крутится и всё время с постоянными оборотами — тут либо полностью переходят на валогенератор, либо используют валогенератор как раз в режиме синхронного компенсатора.

Потребители реактивной мощности

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи(трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле(асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминесцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя– статора передаётся во вторичную– ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности. К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

Устройства компенсации реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности — целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии. Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия мер по компенсации составляет 0,7 — 0,75. Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:

  • уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы,
  • уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения,
  • улучшить качество электроэнергии у электроприемников (за счёт уменьшения искажения формы напряжения),
  • уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях,
  • избежать штрафов за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности,
  • снизить расходы на электроэнергию.

Физика процесса

Значительную часть электрооборудования любого предприятия составляют устройства, обязательным условием нормальной работы которых является создание в них магнитных полей, а именно: трансформаторы, асинхронные двигатели, индукционные печи и прочие устройства, которые можно обобщенно охарактеризовать как «индуктивная нагрузка».

Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через нее, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети.

Для большинства промышленных потребителей это означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем кроме совершающей полезную работу активной энергии протекает и реактивная энергия, не совершающая полезной работы и направленная только на создание магнитных полей в индуктивной нагрузке. Активная и реактивная энергии составляют полную энергию, при этом доля активной энергии по отношению к полной определяется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением — cos?. Однако, протекая по кабелям и обмоткам трансформаторов, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекаемого по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — то есть активные потери.

Из этого следует, что согласно современным правилам расчета за электроэнергию, потребитель вынужден как минимум дважды платить за одни и те же непроизводительные затраты. Один раз — непосредственно за потребленную из сети реактивную энергию (по счетчику реактивной энергии) и второй раз — за нее же, но косвенно, оплачивая активные потери от протекания реактивной энергии, учитываемые счетчиком активной энергии. Изменить данную ситуацию можно путем размещения источника реактивной энергии непосредственно у потребителей — это дает возможность разгрузить сети от реактивного тока и практически исключить все вышеописанные недостатки — то есть «скомпенсировать» индуктивную реактивную мощность.

Таким источником служат другие фазосдвигающие элементы — конденсаторы. В противоположность индуктивности, конденсаторы стремятся сохранять неизменным напряжение на своих зажимах, то есть для них ток «опережает» напряжение. Поскольку величина потребляемой электроэнергии на любом предприятии никогда не является постоянной и может меняться в существенном диапазоне за достаточно малый промежуток времени, — то, соответственно, может меняться и соотношение активной потребляемой энергии к полной, то есть cosφ. Причем, чем меньше активная нагрузка какого-либо индуктивного потребителя (асинхронного двигателя, трансформатора), тем ниже cosφ. Из этого следует, что для компенсации реактивной мощности необходим набор оборудования, обеспечивающий адекватное регулирование cosφ в зависимости от изменяющихся условий работы оборудования — то есть установка компенсаторов реактивной мощности (УКРМ).

Экономика, статистика и реализация компенсации реактивной мощности

По оценкам отечественных специалистов доля электроэнергии составляет 30-40 % в стоимости продукции. Поэтому энергосбережение является весьма существенным фактором в экономии ресурсов и достижении конкурентного преимущества.

Одним из направлений по энергосбережению является снижение реактивной мощности (увеличение cosφ), т.к. реактивная мощность приводит к росту потерь электроэнергии. При отсутствии устройств компенсации реактивной мощности, потери могут составить от 10 до 50% от среднего потребления.

Источники потерь

Отметим, что при низких значениях cosφ (0.3-0.5), трехфазные счетчики дают погрешность показаний до 15%. Потребитель будет переплачивать из-за неверных показаний счетчика, роста электропотребления, штрафов за низкий cosφ.

Реактивная мощность приводит к снижению качества электроэнергии, перекосам фаз, высокочастотным гармоникам, тепловым потерям, перегрузкам генераторов, броскам по частоте и амплитуде. Нормы качества электроэнергии определяет ГОСТ 13109-97.

Статистика потерь мощности

Устройства для компенсации реактивной мощностиУказанные недостатки, т.е. плохое качество электроэнергии, приводят к большим экономическим потерям. Например, в Америке в конце 1990-х годов проводились исследования, которые оценили ущерб от низкого качества электроэнергии в 150 миллиардов долларов в год.

В ЕвразЭС своя статистика. Работа микропроцессорной техники, медицинского оборудования, систем телекоммуникаций часто прерываются короткими по продолжительности (несколько миллисекунд) провалами или перегрузками по питающему напряжению, которые происходят 20-40 раз в год, но ведут к дорогостоящему экономическому ущербу. Прямой или косвенный ущерб достигает при этом несколько миллионов долларов в год. По статистике полное исчезновение напряжения составляет всего 10% от общего количества неисправностей, отключения продолжительностью более 1-3 секунды происходят в 2-3 раза реже отключений длительностью менее 1 секунды. Способы борьбы с кратковременными перебоями работы электросети гораздо более сложные и дорогостоящие.

Практический опыт измерений

Рассмотрим вклад различных устройств в увеличение реактивной мощности. Асинхронные электродвигатели – это около 40%; электрические печи 8%; преобразователи 10%; различные трансформаторы 35%; линии электропередач 7%. Но это только средние значения. Дело в том, что cos? оборудования сильно зависит от его загрузки. Например, если cosφ асинхронного электродвигателя при полной нагрузке 0.7-0.8, то при малой нагрузке он всего 0.2-0.4. Аналогичное явление происходит и с трансформаторами.

Способы и устройства компенсации реактивной мощности

Устройства для компенсации реактивной мощностиТак как указанные реактивные нагрузки в большей мере имеют индуктивный характер, то для их компенсации используются конденсаторные установки. Если нагрузка имеет емкостной характер, для компенсации используют индуктивности (дроссели и реакторы).

В более сложных случаях используют автоматизированные фильтрокомпенсирующие конденсаторные установки. Они позволяют избавить сети от высокочастотных гармонических составляющих, повысить помехоустойчивость оборудования.

Устройство компенсации реактивной мощности

Регулируемые и нерегулируемые установки для компенсации реактивной мощности

Устройства для компенсации реактивной мощностиУстановки для компенсации реактивной мощности делятся по степени управления делятся на регулируемые и нерегулируемые. Нерегулируемые проще и дешевле, но учитывая изменение cos? от степени нагрузки, они могут вызвать перекомпенсацию, т.е. они неоптимальные с точки зрения максимального повышения cosφ.

Регулируемые установки хороши тем, что отслеживают изменение в электросети в динамическом режиме. С их помощью можно поднять cos? до значений 0.97-0.98. Кроме того, происходит мониторинг, запись и индикация текущих показаний. Это позволяет далее использовать эти данные для анализа.

Содержание

Наиболее распространенными электроприемниками на промышленных предприятиях являются асинхронные электродвигатели:

  • Они составляют основную часть промышленной нагрузки, и на их долю приходится около 80 % всей потребляемой в промышленности электрической энергии [1].
  • При этом асинхронные двигатели являются также крупными потребителями реактивной мощности. Ими используется около 40 % реактивной мощности, потребляемой в промышленных электрических сетях.

Именно режимы работы асинхронных двигателей зачастую оказывают существенное влияние на общую реактивную мощность, потребляемую промышленным предприятием, и, как следствие, на величину коэффициента реактивной мощности tgϕ промышленного предприятия, значение которого нормируется в [2] в зависимости от уровня номинального напряжения электрической сети.

В связи с этим представляется целесообразным проанализировать потребление реактивной мощности асинхронными двигателями с тем, чтобы в дальнейшем выработать рекомендации по их рациональной эксплуатации, которые бы были направлены на естественное уменьшение реактивной мощности, потребляемой электродвигателями, и, в конечном итоге, на снижение величины tgϕ промышленного предприятия в целом.

Определение реактивной мощности

В общем случае реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем, складывается из двух составляющих:

  • Реактивной мощности намагничивания Q, расходуемой на создание магнитного потока холостого хода.
  • Реактивной мощности полей рассеяния Qp

Реактивная мощность определяется по формуле:

где

  • QHOM — потери реактивной мощности в асинхронном двигателе на рассеяние при номинальной нагрузке, кВАр.
  • k3 = Р/РHOM — коэффициент загрузки асинхронного двигателя по активной мощности.
  • Р — активная мощность нагрузки асинхронного двигателя, кВт.
  • РHOM — номинальная мощность асинхронного двигателя, кВт.

Из формулы (1) следует, что реактивная мощность Q не зависит от нагрузки, в то время как реактивная мощность Qp изменяется пропорционально квадрату коэффициента загрузки асинхронного двигателя.

В [3] приводятся формулы для определения составляющих реактивной мощности Q и Qp, потребляемой асинхронным двигателем.

На основании данных формул в результате ряда математических преобразований нами была получена формула для определения коэффициента реактивной мощности асинхронного двигателя:

где

  • I — ток холостого хода асинхронного двигателя, А.
  • IHOM — номинальный ток асинхронного двигателя, A.
  • tgϕHOM — номинальный коэффициент реактивной мощности асинхронного двигателя.
  • ɳHOM — номинальный коэффициент полезного действия (КПД) асинхронного двигателя.

Из формулы (2) видно, что коэффициент реактивной мощности асинхронного двигателя зависит от величины его коэффициента загрузки.

Расчет и анализ основных показателей реактивной мощности

Основание для проведения расчетов по методике:

  • Поэтому в целях оценки влияния коэффициента загрузки асинхронных двигателей на потребление ими реактивной мощности были определены относительные значения тока холостого хода асинхронных двигателей, а затем в соответствии с формулой (2) значения их коэффициента реактивной мощности при различных значениях коэффициента загрузки k3 в диапазоне от 0 до 1.
  • Исходными данными для расчетов являлись каталожные данные электродвигателей, приведенные в [4, 5] и в каталогах заводов-изготовителей. Рассматривались асинхронные двигатели серий 4А и АИ основного исполнения номинальной мощностью 0,06-250 кВт с различной синхронной частотой вращения, получившие широкое распространение на промышленных предприятиях.
  • По результатам расчетов для каждого из рассматриваемых электродвигателей были построены графики зависимости коэффициента реактивной мощности от коэффициента загрузки tgϕ = f(k3).
  • Как показали расчеты, величина tgϕ асинхронных двигателей существенно зависит от относительного значения их тока холостого хода.

В ходе анализа полученных результатов было установлено, что относительное значение тока холостого хода и величина tgϕ оказались примерно одинаковыми для групп асинхронных двигателей следующих серий:

  • Серия 4А с синхронной частотой вращения n=3000 об/мин в диапазонах номинальных мощностей 0,09-0,25 кВт, 0,37-4 кВт, 5,5-45 кВт и 55- 250 кВт.
  • Серия АИ с той же синхронной частотой вращения в диапазонах номинальных мощностей 0,09-0,25 кВт, 0,37-4 кВт, 5,5—45 кВт и 55-90 кВт.

В результате получили следующие результаты расчетов:

  • Это позволило аппроксимировать зависимости tgϕ= f(k3) для данных групп асинхронных двигателей с использованием степенной аппроксимирующей функции.
  • При этом коэффициент детерминации R 2 оказался близким к единице, что свидетельствует о высокой степени близости аппроксимации экспериментальных данных выбранной аппроксимирующей функцией.
  • Аппроксимированные графики зависимости tgϕ = f(k3) для асинхронных двигателей серий 4А и АИ основного исполнения с синхронной частотой вращения n=3000 об/мин приведены на рисунках 1 и 2 соответственно.

где

  • 1 — 0,09-0,25 кВт.
  • 2 — 0,37-4 кВт.
  • 3 — 5,5-45 кВт.
  • 4 — 55-250 кВт.

где

  • 1 — 0,09-0,25 кВт.
  • 2 — 0,37-4 кВт.
  • 3 — 5,5— 45 кВт.
  • 4 — 55-90 кВт.

Аналогичные расчеты были проведены для асинхронных двигателей серий 4А и АИ основного исполнения с синхронными частотами вращения n=1500; 1000; 750 об/мин:

  • По результатам расчетов для данных электродвигателей также были построены аппроксимированные графики зависимости tgϕ = f(k3).
  • Анализ графиков зависимости tgϕ = f(k3) показал, что загрузка асинхронных двигателей значительно влияет на потребление ими реактивной мощности. Данная зависимость проявляется в том, что с уменьшением коэффициента загрузки асинхронных двигателей значение их tgϕ, а, следовательно, и величина потребляемой ими реактивной мощности возрастают.
  • При этом, как следует из графиков зависимости на рисунок 1 и 2, существенное увеличение tgϕ асинхронных двигателей наблюдается при загрузке их менее 40-45 % номинальной мощности.
  • При уменьшении загрузки асинхронных двигателей менее 10 % номинальной мощности происходит резкое увеличение tgϕ и реактивной мощности, потребляемой электродвигателями. При этом величина tgϕ асинхронных двигателей при малых загрузках в несколько раз превышает нормируемое в [2] значение коэффициента реактивной мощности.
  • На основании этого можно сделать вывод, что потребление реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от их загрузки в значительно большей степени по сравнению с силовыми трансформаторами [6].

Из графиков рис. 1 и 2 нетрудно видеть, что значение коэффициента реактивной мощности асинхронных двигателей увеличивается также с уменьшением их номинальной мощности. Это обусловлено тем, что конструктивное исполнение асинхронных двигателей таково, что с уменьшением их номинальной мощности увеличивается относительная величина воздушного зазора и соответственно относительная величина потребляемой ими реактивной мощности.

Кроме того, сравнение графиков зависимости tgϕ = f(k3) для асинхронных двигателей серий 4А и АН позволило установить:

  • Что асинхронные двигатели серии 4А имеют более высокую величину коэффициента реактивной мощности по сравнению с асинхронными двигателями серии АИ (особенно это касается электродвигателей малой мощности).
  • Это в значительной мере объясняется тем, что в асинхронных двигателях серии АИ при изготовлении магнитопроводов используется более качественная холоднокатаная электротехническая сталь.
  • В результате этого снижаются потери в стали асинхронных двигателей, а вместе с тем и величина реактивной мощности намагничивания, потребляемой электродвигателями.
  • Таким образом, как показал анализ, коэффициент загрузки асинхронных двигателей оказывает значительное влияние на потребление ими реактивной мощности.
  • Снижение коэффициента загрузки асинхронных двигателей приводит к увеличению их коэффициента реактивной мощности, что, в свою очередь, сказывается на увеличении tgϕ промышленного предприятия в целом.

Предложения и решения по улучшению реактивной мощности из практики

Следует отметить, что на сегодняшний день в условиях снижения объемов промышленного производства значительная доля реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями на промышленных предприятиях, обусловлена их малой загрузкой.

Поэтому при проведении энергетических обследований (энергоаудита) промышленных предприятий, осуществляемых в соответствии с Федеральным законом №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» [7], необходимо:

  • Проверять соответствие номинальной мощности асинхронных двигателей.
  • Мощности нагрузки электродвигателей.

При систематической недогрузке асинхронных двигателей на промышленных предприятиях в первую очередь должны быть приняты меры по увеличению их загрузки путем рационализации технологического процесса и увеличения загрузки производственного оборудования.

Если после реализации данных мероприятий номинальная мощность асинхронных двигателей остается существенно завышенной по отношению к их мощности нагрузки, то должна производиться замена малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности.

По опыту эксплуатации асинхронных двигателей считается:

  • Что если средняя загрузка электродвигателей составляет менее 45 % номинальной мощности, то замена асинхронных двигателей менее мощными является целесообразной.
  • При загрузке асинхронных двигателей более 70 % номинальной мощности можно считать, что замена в общем случае нецелесообразна.
  • В том случае, если средняя загрузка электродвигателей составляет 45-70 % номинальной мощности, то целесообразность их замены должна быть подтверждена техникоэкономическим расчетом [3].

Анализ зависимости tgϕ=f(k3) для асинхронных двигателей серий 4А и АИ подтверждает справедливость данных рекомендаций.

В случае невозможности замены малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности целесообразным может оказаться снижение напряжения на их зажимах.

Снижение напряжения, подводимого к обмоткам асинхронного двигателя, до определенного минимально допустимого значения приводит к уменьшению реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, за счет уменьшения тока намагничивания.

При этом одновременно снижаются потери активной мощности и, следовательно, увеличивается КПД электродвигателя.

На практике известны следующие способы снижения напряжения у малозагруженных асинхронных двигателей:

  • Переключение статорной обмотки с треугольника на звезду.
  • Секционирование статорных обмоток.
  • Понижение напряжения в сетях, питающих асинхронные двигатели, путем переключения ответвлений цехового трансформатора.

К числу мероприятий, направленных на рационализацию работы асинхронных двигателей, можно также отнести ограничение длительности холостого хода. Если промежутки работы асинхронных двигателей на холостом ходу достаточно велики, то целесообразно на это время отключать электродвигатели от сети. Потребление активной и особенно реактивной мощности при этом значительно снижается.

Таким образом, проведение мероприятий по рационализации работы асинхронных двигателей на промышленных предприятиях должно быть направлено на естественное уменьшение величины потребляемой ими реактивной мощности, снижение tgϕ асинхронных двигателей и, тем самым, должно способствовать поддержанию нормируемых значений коэффициента реактивной мощности в промышленных электрических сетях и значительному повышению общей энергетической эффективности промпредприятий.

Теория и практика

Чаще всего реактивная энергия и мощность потребляется при использовании трехфазного асинхронного двигателя, здесь и нужна компенсация сильнее всего. Согласно последним данным: 40 % — потребляют двигатели (от 10 кв), 30 – трансформаторы, 10 – преобразователи и выпрямители, 8% — расход освещения

Для того чтобы этот показатель уменьшить, используются конденсаторные устройства или установки. Но существует огромное количество подтипов этих электроприборов. Какие бывают конденсаторные установки и как они работают?

Видео: Что такое компенсация реактивной мощности и для чего она нужна?

Для того чтобы производилась компенсация энергии и реактивной мощности конденсаторными батареями и синхронными двигателями, понадобится установка энергосбережения. Чаще всего используют подобные устройства с реле, хотя вместо него может быть установлен контактор либо тиристор. Дома используются релейные приборы дуговой компенсации. Но если проводится компенсация реактивной энергии и мощности на заводах, у трансформаторов (там, где несимметричная нагрузка), то намного целесообразнее применять тиристорные устройства.

В отдельных случаях возможно использование комбинированных устройств, это приборы, которые одновременно работают и через линейный преобразователь, и через реле.

Чем поможет использование установок:

  • подстанция снизит скачки напряжения;
  • электрические сети станут более безопасными для работы электрических приборов, исчезнут проблемы компенсации электричеста и мощности у холодильных установок и сварочных аппаратов;
  • кроме этого, они очень просты в установке и эксплуатации.

Широкий выбор решений от LEGRAND

Legrand предлагает полный комплекс решений по производству и комплектации устройств компенсации реактивной мощности, включая поставку как отдельных комплектующих для сборки УКРМ 0,4 кВ (конденсаторы ALPIVAR, контакторы, регуляторы коэффициента мощности ALPIMATIC, модули компенсации), так и сборные УКРМ на 0,4 кВ и на среднее напряжение 3‑90 кВ. Производство всех компонентов расположено в Европе и соответствует самым высоким стандартам качества.

Помимо УКРМ, решения Legrand по обеспечению качества электрической энергии включают в себя активные фильтры высших гармоник, ИБП, системы автоматизированного локального и удаленного контроля потребления электроэнергии.

Полная комплектация проекта электрооборудованием группы Legrand дает возможность конечному заказчику получить наиболее оптимальное коммерческое предложение, а также исключает вероятность «технического конфликта» между продукцией различных, не связанных между собой обязательствами сторонних производителей.

Решения Legrand по обеспечению качества электрической энергии могут быть использованы для самого широкого круга объектов, начиная от небольших торгово-развлекательных комплексов и офисных центров и заканчивая крупными промышленным объектами.

УКРМ серии Alpimatic на электромеханических контакторах выпускаются в качестве готовых модулей для установки в НКУ как компонент автоматической компенсации реактивной мощности.

УКРМ серии Alpistatic с полупроводниковыми контакторами предназначены для электроустановок с быстро меняющимися нагрузками, чувствительных к гармоникам и переходным процессам. Быстродействие системы обеспечивается временем отклика не более 40 мс. При этом все ступени устройства могут включаться и отключаться одновременно. Комплектная конденсаторная установка Alpistatic включает в себя один или несколько компенсирующих модулей в зависимости от типа конденсаторной батареи и ее установленной мощности.

УКРМ Alpimatic / Alpistatic позволяют эффективно использовать активную мощность и повысить стабильность напряжения в цепях потребителя, компенсируя реактивную составляющую тока, доля которой доходит до 60 % в общем энергопотреблении промышленных предприятий.

Особенностью Legrand является то, что специалисты компании готовы не только поставить оборудование на объект, но и выполнить необходимые измерения на месте монтажа с целью оптимизации электроустановки, оценить качество электроэнергии, организовать мониторинг параметров сети, проконсультировать проектировщиков и подрядчиков.

Оборудование для компенсации реактивной мощности Legrand установлено на ряде ведущих предприятий разных отраслей.

• завод «Кроноспан» в Егорьевске Московской области (силовое, понижающее оборудование, распределительные щиты, УКРМ);
• разрез «Виноградовский» – угледобывающее предприятие в Беловском районе Кемеровской области с проектной мощностью 3 млн тонн угля в год (установка на ОФ «Каскад-2» устройств компенсации реактивной мощности в ТП 25.1‑2×400 кВА);
• АКРОН – предприятие по производству азотных удобрений в Новгороде Великом (устройство компенсации реактивной мощности 1500 кВАР);
• Ижевский автомобильный завод (шинопроводы Legrand серии Zucchini, главный распределительный шкаф, устройство компенсации реактивной мощности, комплектующие для щитов по разделу ЭМ);
• котельная «Жигулевские сады» для теплоснабжения стадиона и прилегающей инфраструктуры к проведению игр чемпионата мира по футболу в Самаре (устройства компенсации реактивной мощности, ГРЩ DМX3, DРX, XL3);
• электродепо «Митино» Арбатско-Покровской линии Московского метрополитена (устройства компенсации реактивной мощности, ИБП, шинопроводы, автоматические выключатели (DPX3)).

Это лишь небольшая часть российских объектов, на которых установлено компенсирующее оборудование Legrand, но и этот перечень дает представление о преимуществах работы с компанией на самых разных объектах. Специалисты провели энергоаудит на более чем 70 объектах, где эксплуатируются УКРМ Legrand, и по итогам мониторинга сетей представили заказчикам ТЭО.

Более чем на 100 объектах были существенно снижены расходы на электроэнергию, а фактический срок окупаемости энергоэффективного оборудования на 7 объектах составил менее года. На Надеждинском металлургическом заводе (группа «Норникель») за счет установки УКРМ и активных фильтров была решена проблема выхода из строя оборудования из‑за образования в сети активных гармоник. После установки оборудования Legrand качество энергии выросло, а платежи за электричество, напротив, снизились.



Legrand Россия и СНГ
Тел. в Москве: +7 (495) 660‑75‑50 (60)
e-mail: bureau.moscou@legrand.ru
Центр информационной
поддержки (Сall center Legrand):
8 (800) 700‑75–54, для звонков из РФ (бесплатно)

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector