29. Основные потребители реактивной мощности

Основными потребителями реактивной мощности являются:

• Асинхронные двигатели;

• Трансформаторы;

• Все остальное (все потребители, имеющие в своем составе индуктивности - аппараты управления, содержащие катушки индуктивности).

Асинхронные двигатели (АД)

АД потребляют 70-80% всей реактивной мощности, вырабатываемой энергосистемой.

Реактивная мощность в АД расходуется на создание основного магнитного потока и потоков рассеяния. При этом она .рассчитывается по Т-образной схеме замещения следующим образом

,

где - реактивная мощность АД,

- реактивная мощность холостого хода,

- коэффициент загрузки,

Q_НАГР. - реактивная мощность, обусловленная созданием магнитных потоков рассеяния от токов нагрузки;

- реактивная мощность, обусловленная созданием магнитных потоков рассеяния при номинальном токе в обмотке статора.

Реактивная мощность холостого хода идет на создание основного магнитного поля. определяется по следующей формуле

,

где - ток холостого хода. Он не приводится в паспортных данных, его определяют по измерениям на предприятии. Обычно он находится в диапазоне 15-35% от номинального тока АД.

Мощность идет на создание потоков рассеяния при номинальной загрузке электродвигателя. В паспорте эта мощность не приводится. Она определяется расчетным путем через номинальную реактивную мощность АД Q_НОМ.

в паспорте не задается, определяется через заданный коэффициент мощности .

.

При таких больших значениях коэффициента реактивной мощности величина потребляемой реактивной мощности близка к активной.

Трансформаторы

Трансформаторы не потребители мощности. Они передают мощность другим потребителям.

В трансформаторе, как и в АД, реактивная мощность расходуется на создание основного магнитного потока и потоков рассеяния..

У трансформатора нет зазора в магнитопроводе (в отличие от АД, у которых между статором и ротором воздушный зазор). Поэтому, в трансформаторах меньше магнитное сопротивление на пути замыкания магнитного потока, меньше ток холостого хода, меньше требуется реактивной мощности на создание рабочего магнитного потока. Меньше потоки рассеяния.

При этом трансформатор потребляет значительно меньшую РМ, чем АД той же мощности.

Однако суммарная установленная мощность трансформаторов в несколько раз превышает суммарную мощность двигателей, так как мощность несколько раз трансформируется. Поэтому в сумме силовые трансформаторы в электрических сетях потребляют 20-25% реактивной мощности.

Формула по расчету потерь мощности в трансформаторе аналогично АД

.

В отличие от АД потребляемая РМ трансформаторов может быть определена по паспортным данным.

Мощность холостого хода

.

Мощность КЗ

.

30. Основные причины, по которым не выгодна передача реактивной мощности по электрической сети. Принцип и назначение крм.

Фрагмент энергосистемы (передача мощности от электростанции двигателям):

АД

P, Q

Основную часть реактивной и активной мощности вырабатывают генераторы.

Мощность передается по всем линиям электрической сети от генераторов до АД..

Основными причинами, по которым не выгодна передача реактивной мощности по электрической сети, являются:

1. От передачи реактивной мощности имеются дополнительные потери активной мощности

Если P и Q соизмеримы, то удвоение потерь активной мощности в элементах электрической сети.

2. Имеют место дополнительные потери напряжения

R<<X, а P и Q близки.

3. Передача реактивной мощности увеличивает ток в элементах сети

и увеличивает мощность, передаваемую по элементам сети

.

Это приводит при проектировании к необходимости завышать сечения линий и мощности трансформаторов, другими словами – завышать пропускную способность элементов сети.

Принцип и назначение КРМ:

Мощность, потребляемая из сети

Ток, потребляемый из сети

.

Типовая векторная диаграмма для реальной сети выглядит следующим образом:

φ₁- до компенсации

Во всех сетях ток отстает от напряжения.

Принцип компенсации заключается в снижении потребления реактивной мощности или реактивного тока, путем включения в сеть потребителей реактивной мощности другого знака, то есть получаем:

;

,

где - мощность компенсации,

- ток компенсации.

При этом векторная диаграмма изменится:

- после компенсации

I_P.C=I_P-I_K

Индуктивная мощность – потребление реактивной мощности.

Емкостная мощность – генерация реактивной мощности.

31. Классификация мероприятий по уменьшению потребления реактивной мощности

Все мероприятия по КРМ делят на две группы:

1. Мероприятия, не требующие капитальных вложений;

2. Мероприятия, связанные с капитальными затратами.

1. Мероприятия, не требующие капитальных затрат.

1.1. Технологические мероприятия, ведущие к улучшению режима работы электродвигателей.

• Мероприятия, связанные с двигателями:

  1. Изменение режима нагрузки двигателя.

Например:

- замена режима S6 режимом S1

- Выравнивание графика нагрузки на валу двигателя.

Это технологические мероприятия и надо в некоторых случаях изменять технологический режим.

2. Правильный выбор мощности двигателя.

Коэффициент загрузки двигателя должен быть близким к 1, в крайнем случае, 0.7-1 – это оптимальная область загрузки.

Двигатель на практике всегда не догружен, его выбирают с запасом по мощности.

3. Замена не догруженного двигателя на двигатель меньшей мощности.

4. Снижение напряжения у малонагруженных двигателей.

Большую роль играет снижение потерь холостого хода, так как они составляют значительную доля потерь реактивной мощности.

Их можно снизить следующим образом:

• Так как в ночные часы трансформаторы недогружены, то необходимо отключение малонагруженных трансформаторов и переключение их нагрузки на другие трансформаторы.

Это можно сделать на заводах.

Мероприятия, связанные с установкой специальных компенсирующих устройств, то есть связанные с капитальными вложениями.

• Применение синхронных компенсаторов СК;

• Применение батарей статических конденсаторов БСК (БК);

• Применение СД вместо АД;

• Применение бесконтактных источников реактивной мощности ИРМ (это сочетание тиристорных преобразователей и БК).

Понижение напряжения у малонагруженных двигателей

Напряжение изменяют двумя способами:

1. Переключением обмоток статора с треугольника на звезду.

Этот способ широко применялся для станков-качалок.

При треугольнике к каждой обмотке приводится линейное напряжение.

При звезде к каждой обмотке приводится фазное напряжение, которое в раз меньше.

Недостаток: необходимо чтобы в нормальном режиме обмотки были соединены в звезду, то есть, нужны специальные двигатели.

2. Применение трансформаторов с ответвлениями.

Самые простые – трансформаторы с 5 ответвлениями. Они применяются для погружных двигателей.

Недостаток: для каждого двигателя свой трансформатор.

3. Применение тиристорных преобразователей напряжения.

Сейчас это самый популярный способ:

Е сли уменьшить напряжение U, то измениться (уменьшится) основной магнитный поток холостого хода Ф_О, то есть снижаются потери холостого хода Q_ХХ, затем снижаются потери реактивной мощности сети Q_С, как следствие снижаются потери активной мощности сети - экономическая эффективность.

Недостатки:

1. Момент, развиваемый двигателем, пропорционален квадрату напряжения

,что ограничивает область применения.

2. Снижается скорость вращения двигателя n, как следствие снижается производительность и мощность Р₂, отдаваемая в нагрузку.

3. Ток, потребляемый двигателем из сети, возрастает. Следовательно, возрастает ток двигателя.

Потери в сети от реактивной мощности снижаются, от активной - возрастают.

Замена малонагруженных двигателей на двигатели меньшей мощности

Исходные условия:

Вариант 1. Р_НОМ1, k_З1; Двигатель не догружен, коэффициент загрузки существенно ниже единицы.

Вариант 2. Р_НОМ2< Р_НОМ1, k_З2> k_З1.

Нагрузка на валу ЭД в обоих вариантах одинаковая.

Выгодно ли менять двигатель? Что дает эта замена?

1) Недогруженный двигатель работает с пониженным значением коэффициента мощности и потребляет из сети повышенное значение реактивной мощности. При замене ЭД на ЭД меньшей мощности коэффициент загрузки повышается k_З2> k_З1.

Повышение коэффициента загрузки приведет к тому, что увеличатся КПД η и коэффициент мощности .

Увеличение при той же нагрузке на валу приведет к снижению потребления реактивной мощности Q. Значит, снизятся потери активной мощности в сети

.

Увеличение η приведет к снижению потерь активной мощности в двигателе, вследствие чего снизится потребление активной мощности из сети и потери мощности в сети

.

экономическая

эффективность

Потери мощности в сети складываются из потерь мощности в линиях и трансформаторах.

В общем случае целесообразность замены ЭД определяется путем ТЭР в основе которых лежит определение изменения суммарных потерь активной мощности в ЭД и в электрической сети. Обозначим изменение потерь активной мощности в двигателе через ΔΔР_д и в сети через ΔΔР_с. Тогда суммарное изменение потерь активной мощности вследствие снижения номинальной мощности ЭД будет

ΔΔР = ΔΔР _д+ ΔΔР _с

Тогда стоимость изменеиия (снижения) потерь мощности в сети будет

.

Целесообразность замены ЭД на ЭД меньшей мощности определяется по величине срока окупаемости затрат на приобретение нового двигателя и демонтаж старого а счет снижения стоимости потерь мощности по выражению

,

где – стоимость снижения потерь;

К₂ – стоимость нового двигателя;

К_ДЕМ. – стоимость демонтажа старого двигателя;

К_{1 ОСТ.} – остаток от продажи старого двигателя.

Рассмотрим методику расчета снижения потерь

Расчеты удобно выполнять в следующей последовательности:

1. Определяются потери мощности в двигателе и в сети до замены (вариант 1 с двигателем Д1)

1.1. Определяем потери мощности в двигателе

.

где Р_ХХ - потери холостого хода и Р_{НАГР.НОМ} нагрузочные потери при номинальной нагрузке.

В паспорте ЭД потери холостого хода Р_ХХ и нагрузочные потери при номинальной нагрузке Р_{НАГР.НОМ} не задаются..

При эксплуатации потери холостого хода Р_ХХ определяются по измерениям при испытаниях. Тогда нагрузочные потери при номинальной нагрузке можно определить по выражению

;

где определяется по паспортным данным

.

Если потери холостого хода Р_ХХ неизвестны то можно принимать

.

1.2. Определяем потребление реактивной мощности двигателем Д1 следующим образом

.

где Q_ХХ – потребление РМ в режиме холостого хода и Q_{НАГР.НОМ} потребление РМ на создание потоков рассеяния при номинальных токах в обмотках статора и ротора.

В паспорте ЭД потребление РМ в режиме холостого хода Q_ХХ и потребление РМ на создание потоков рассеяния при номинальных токах Q_{НАГР.НОМ} не задаются.. Потребление РМ в режиме холостого хода может быть определено по выражению

.

Ток холостого хода в паспортных данных не задается. В условиях эксплуатации ток холостого хода можно измерить. При отсутствии данных тк холостого хода можно принять приближенно

1.3. Определяем потери мощности в сети

.

2. Затем по аналогии рассчитываем потери для варианта 2 при установке двигателя Д2 мощностью Р_НОМ2. При этом определяем потери: мощности в двигателе Д2, и в электрической сети при установки двигателя Д2

.

3) .Определяем изменение потерь мощности в сети

.

4) Определяем стоимость

.