28. Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока
Коэффициент мощности показывает, как используется номинальная мощность источника.
cosφ = P / S = Р/(P2 + Q2 )0,5 P = UIсosφ, I = P / Uсosφ
S – полная мощность, Р - активная мощность, Q - реактивная мощность, φ – угол сдвига фаз тока и напряжения
При увеличении cos φ мощность S уменьшается. При Р =const это возможно лишь за счет уменьшения реактивной мощности Q установки. Снижение мощности S приводит к уменьшению линейного тока . Последнее будет сопровождаться уменьшением потерь напряжения и мощности в сопротивлениях проводов сети, обмотках трансформаторов и генераторов.
Очевидно, при уменьшении тока площади поперечного сечения названных элементов могут быть также уменьшены. В отношении трансформаторов и генераторов это приводит к уменьшению габаритных размеров, расхода дефицитных материалов на изготовление, массы, номинальной мощности и стоимости. В действующей установке повышение cos φ при существующей площади поперечного сечения проводов позволит увеличить число приемников, которые могут быть подключены к данной сети.
Увеличения коэффициента мощности можно добиться следующими способами:
1) заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности
2) понижением напряжения
3) выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу
4) включением в сеть специальных компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.
На мощных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы - синхронные перевозбужденные электродвигатели.
Чтобы повысить экономичность энергетических установок наиболее часто используют батареи конденсаторов, подключаемые параллельно индуктивной нагрузке (рис. 1 а).
Для компенсации cosφ в электрических установках до нескольких сотен кВА применяют косинусные конденсаторы. Их выпускают на напряжение от 0,22 до 10 кВ.
Емкость конденсатора, необходимую для повышения cosφ от существующего значения cosφ1 до требуемого cosφ2, можно определить по диаграмме (рис. 1 б, в).
При построении векторной диаграммы в качестве исходного вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный характер, то вектор тока I1 отстает от вектора напряжения на угол φ1, Iа (активная составляющая) совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока Iр отстает от него на 90° (рис. 1 б).
После подключения к потребителю батареи конденсаторов ток I определяется как геометрическая сумма векторов I1 и Ic. При этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 1, в). Из векторной диаграммы видно, что φ2 <φ1, т.е. после включения конденсатора коэффициент мощности повышается от cosφ1 до cosφ2
Емкость конденсатора рассчитывают при помощи векторной диаграммы токов (рис. 1 в)
Ic = Iр1 - Iр = Iа tgφ1 - Iа tgφ2 = ωCU
Учитывая, что P = UIа, емкость конденсатора:
С = (Iа / ωU) (tgφ1 - tgφ2) = (P / ωU2) (tgφ1 - tgφ2).
На практике обычно коэффициент мощности повышают не до 1,0, а до 0,90 - 0,95, так как полная компенсация требует дополнительной установки конденсаторов, что часто экономически не оправдано.