Компенсаційні перетворювачі, статичні джерела реактивної потужності.

Прогрес в області перетворювальної техніки, що виражається в переході від машинних перетворювачів з синхронними двигунами до статичних ртутних і напівпровідникових, ускладнив електропостачання цих установок, які з генераторів реактивної потужності перетворились в її споживачів. Тому виникла проблема створення перетворювача, який би не споживав реактивної потужності. Цим вимогам відповідає компенсаційний перетворювач.

Принцип роботи статичного джерела реактивної потужності полягає в тому, що випрямленим струмом перетворювача індуктивність (реактор чи дросель з залізом) заряджається магнітною енергією, яка інвертується в мережу змінного струму з випереджуючим коефіцієнтом потужності.

Передача реактивної потужності через мережу.

Передача реактивної потужності через мережу (лінія, трансформатор) супроводжується втратами. Якщо через мережу, що має реактивне навантаження , необхідно передати додаткову реактивну потужність , то додаткові втрати активної потужності в мережі, кВт

, (5)

де – номінальна напруга мережі (лінії, трансформатора), кВ; – активний опір мережі, Ом.

Якщо реактивне навантаження мережі (лінії, трансформатора) за рахунок компенсації зменшиться на величину , то зменшення втрат активної енергії, кВт,

, (6)

Зміна втрат реактивної енергії визначається за аналогічними формулами, в яких активні складові замінюються реактивними.

При передачі реактивної потужності необхідно враховувати втрати реактивної потужності в мережі, реакторах і трансформаторах, так що джерело повинне генерувати потужність , де ( – додаткові втрати реактивної потужності в мережі, рівні приблизно 5%).

Способи підвищення коефіцієнта потужності.

Покращення коефіцієнта потужності можна досягнути лише при правильному співвідношенні різних способів його підвищення, кожен з яких повинен бути технічно і економічно обумовлений. Міроприємства з підвищення коефіцієнта потужності можна поділити на наступні групи:

а) зменшення споживання реактивної потужності приймачами електричної енергії без застосування компенсуючих пристроїв;

б) застосування компенсуючих пристроїв.

Міроприємства з зменшення споживання приймачами реактивної потужності повинні розглядатися в першу чергу, оскільки для їх здійснення, як правило, не потрібні значні капітальні затрати. До них відносяться наступні:

1. впорядкування технологічного процесу, що веде до покращення енергетичного режиму обладнання;

2. заміна мало завантажених асинхронних двигунів двигунами меншої потужності;

3. зниження напруги у двигунів, систематично працюючих з малим навантаженням;

4. обмеження неробочого режиму двигунів;

5. застосування синхронних двигунів замість асинхронних у випадках, коли це можливо за умовами технологічного процесу;

6. підвищення якості ремонту двигунів;

7. заміна мало завантажених трансформаторів.

Розглянемо ефективність цих міроприємств:

Заміна мало завантажених асинхронних двигунів двигунами меншої потужності;

Величина споживання реактивної потужності асинхронними двигунами залежить від коефіцієнта завантаження і номінального коефіцієнта потужності двигунів. При номінальному завантаженні і номінальній напрузі асинхронний двигун споживає реактивну потужність, яка рівна:

, (7)

де – к.к.д. двигуна при повному завантаженні.

Реактивна потужність, що споживається двигуном з мережі при неробочому режимі може бути знайдена з виразу:

, (8)

де – струм неробочого режиму асинхронного двигуна.

Для двигунів з номінальним коефіцієнтом потужності реактивна потужність неробочого режиму складає близько 50% реактивної потужності при номінальному завантаженні двигуна. Для двигунів з вона досягає 70%.

Збільшення споживання реактивної потужності при повному завантаженні двигуна в порівнянні з споживачами при неробочому режимі складає:

, (9)

При навантаженнях асинхронного двигуна, менших за номінальне, приріст споживання реактивної потужності у порівнянні з неробочим режимом пропорційний квадрату коефіцієнту завантаження двигуна:

(10)

де – коефіцієнт завантаження двигуна.

Таким чином реактивне навантаження, що споживається двигуном при довільному навантаженні, складає:

(11)

Коефіцієнт потужності асинхронного двигуна при довільному завантаженні з врахуванням (11) можна визначити з виразу:

(12)

Як видно з формули (12), коефіцієнт потужності двигуна зменшується при зменшенні його завантаження. Звідси слідує, що заміна систематично мало завантажуваних двигунів двигунами меншої потужності допомагає підвищити коефіцієнт потужності електроустановки.

Пониження напруги в мало завантажених двигунів;

При неможливості заміни мало завантаженого асинхронного двигуна необхідно перевірити доцільність пониження напруги на його затискачах. Пониження напруги на виводах асинхронного двигуна до певного мінімально-допустимого значення призводить до зменшення споживання ним реактивної потужності (за рахунок зменшення струму намагнічування) і тим самим до збільшення коефіцієнта потужності. При цьому одночасно зменшуються втрати активної потужності і, відповідно, збільшується к.к.д. двигуна. На практиці застосовуються наступні методи пониження напруги в мало завантажених асинхронних двигунів:

1. переключення статорної обмотки з трикутника на зірку;

2. секціонування статорних обмоток;

3. зниження напруги в мережах підприємства, шляхом переключення відгалужень понижуючих трансформаторів.

Переключення статорної обмотки з трикутника на зірку рекомендується для двигунів напругою до 1000 В, що систематично завантажені менше ніж на 35-40% номінальної потужності. При переключенні двигуна з трикутника на зірку через зменшення максимального обертального моменту в 3 рази необхідно здійснити перевірку за граничним коефіцієнтом завантаження двигуна, що визначається умовами стійкості.

Секціонування статорних обмоток асинхронних двигунів можна рекомендувати у тих випадках, коли неможливо здійснити переключення обмотки статора з трикутника на зірку. Якщо двигуни виготовлені з паралельними вітками в статорній обмотці, то секціонування здійснюється відносно просто, шляхом перепаювання лобових з’єднань обмотки. Складніше переключити статорну обмотку двигуна на іншу схему з’єднань, якщо вона виконана одинарним проводом. В таких випадках переключення секцій обмотки можливе лише при капітальних ремонтах двигунів.

Переключення відгалужень понижуючого трансформатора для пониження робочої напруги асинхронних двигунів також є нормальним експлуатаційним прийомом, що направлений на підвищення коефіцієнта потужності, якщо даний трансформатор не заживлює одночасно інші приймачі, що не припускають пониження напруги на їх затискачах.

Обмеження неробочого режиму працюючих асинхронних двигунів;

Робота більшості АД характерна тим, що в перервах між завантаженням вони обертаються в неробочому режимі. Для ряду споживачів час роботи двигунів в неробочому режимі досягає 50-65% всього часу роботи. Якщо проміжки роботи в неробочому режимі достатньо великі, то доцільно на цей час відключати двигун від мережі. Споживання активної і особливо реактивної енергії при цьому значно зменшується. У випадку застосування обмежувачів неробочого режиму підрахунок економії здійснюється за графіками активної і реактивної енергії, що споживається АД.

Підвищення якості ремонту АД;

При виконанні ремонту двигунів необхідно враховувати і точно дотримуватись номінальних даних двигуна. В іншому випадку з ремонту можуть бути випущені двигуни з підвищеним споживанням реактивної потужності, великою нерівномірністю завантаження окремих фаз, збільшеним струмом неробочого режиму, значними відхиленнями від заводських обмоткових даних і іншими серйозними недоліками. Все це створює підвищені втрати енергії і погіршує природній коефіцієнт потужності підприємства.

Заміна трансформаторів;

Великих успіхів в підвищенні коефіцієнта потужності промислового підприємства можна досягнути за рахунок раціоналізації роботи трансформаторів, яка здійснюється шляхом їх заміни і перегрупування, а також шляхом відключення деяких трансформаторів в години їх малого завантаження. Якщо при цих міроприємствах понижується споживання реактивної енергії і зменшуються втрати активної потужності, то здійснення їх доцільне.