4.8. Технико-экономическое значение коэффициента мощности

При потреблении приемником активной мощности Р происходит необратимый процесс преобразования элект­рической энергии в механическую, тепловую, световую и другие виды энергии. Реактивная же мощность Q характеризует интенсивность обмена энергией между приемником и источником, при котором энергия на при­емнике не выделяется.

Ряд приемников, например электродвигатели, потреб­ляют активную и реактивную мощность одновременно,

и х полная мощность S = √P² + Q² Эффективность энергопотребления приемника оценивается коэффи­циентом мощности, равным отношению активной мощности к полной мощности P/S. Коэффициент мощности показывает, какую часть от полной мощно­сти приемника составляет его активная мощность. Из рис. 4.23

P/S = cos φ. (4.19)

Из формулы (4.14)

I=p/(Ucosφ). (4.20)

Из формулы (4.20) следует, что уменьшение коэф­фициента мощности двигателя приводит к увеличению его тока, значит, к увеличению потерь на нагрев его об­моток. Вследствие низких значений коэффициента мощ­ности увеличиваются потери на нагрев проводов электри­ческих линий и трансформаторов. Это приносит экономи­ческий ущерб не только промышленным предприятиям, но и предприятиям электрических сетей, а также электро­станциям, которые при низком cos φ непроизводительно загружаются реактивной мощностью.

Возрастание тока линии за счет уменьшения соsφ приводит к увеличению потери напряжения в прово­дах линии, значит, к уменьшению напряжения на прием­нике.

Таким образом, для уменьшения потерь в электри­ческих сетях и недопущения снижения напряжения на приемниках необходимо повышать коэффициент мощно­сти (1).

Низкие значения соs φ связаны в первую очередь с повышенным потреблением активной мощности, так как cos φ = P/S = P/√P² +√Q². С целью повышения коэффициента мощности необходимо уменьшать реактив­ную мощность приемников (2). В первую очередь надо не допускать длительной работы приемников, например электродвигателей, в режиме холостого хода, при котором отсутствует полезная работа, а реактивная мощность потребляется. Надо стремиться загружать двигатели полностью, увеличивать потребляемую ими активную мощность, тогда по формуле (4.19) увеличится cosφ и работа приемника станет более эффективной.

Конденсатор, обмениваясь реактивной мощностью с двигателем, приводит к уменьшению реактивной мощ­ности в электрической сети, что повышает коэффициент мощности. Этот метод широко используется на практике.

Тема 5. Трехфазные электрические цепи

5.1. Достоинства трехфазной цепи

Электрическая цепь переменного тока, в которой дей­ствует одна ЭДС, называется однофазной цепью. В многофазной цепи имеется несколько ЭДС оди­наковой частоты, сдвинутых друг относительно друга по фазе. Так, в двухфазной цепи две ЭДС, в трехфазной —-три и т. д.

Замена двух электрически не связанных однофазных цепей (рис. 5.1, а) одной двухфазной цепью (рис. 5.1,6) позволяет уменьшить число проводов цепи. Два провода заменяются одним, который называется нейтральным проводом.

Расход металла пропорционален площади сечения про­водов, которые выбираются по допустимому току. При­мем Iа = Iв = 50 А. Тогда площадь сечения линейных проводов, должна быть не менее 6мм².

При совпадении ЭДС по фазе совпадают по фазе и токи, поэтому по первому закону Кирхгофа In = Ia +Iв = 100 А. При этом токе потребуется нейтраль­ный провод площадью сечения не менее 16 мм². Общая же площадь сечения проводов схемы (рис. 5.1,а) 4·6= 24 мм², а схемы (рис. 5.1,6) 2·6+16 = 28 мм², т. е. переход к связанной двухфазной цепи без сдвига по фазе ЭДС приводит к увеличению расхода металла на провода. Чтобы получить экономию металла, нужно уменьшить ток нейтрального провода. Этого можно достигнуть, сдвинув по фазе линейные токи (за счет сдвига по фазе ЭДС).

Из рис. 5.2 видно, что ток нейтрального провода имеет минимальное значение при угле сдвига фаз 180° между линейными токами I_А и I_B.

Если I_A=I_B , то ток нейтрального провода I_N= 0. Ввиду отсутствия тока I_N вполне можно обойтись без нейтрального провода. Тогда двухфазная цепь будет со­держать два провода против четырех проводов при одно­фазном исполнении цепи, т. е. достигается уменьшение расхода металла на провода в два раза.

В трехфазной цепи (рис. 5.3) применяются три линей­ных и один нейтральный провод против шести проводов

при однофазном исполнении цепи. Причем если нагрузка фаз приемника равномерная (I_А = I_В = I_с), то можно обой­тись без нейтрального провода.

При равномерном распределении нагрузки по фазам приемника (I_A=I_B=I_C) и сдвиге по фазе ЭДС Е_А, E_B , Е_с относительно друг друга на угол 120° (рис. 5.4) ток в нейтральном проводе отсутствует, так как I_N = I_a + I_B + I_c = 0. Если же нагрузка неравномерная (I_A ≠I_B ≠I_c), ток в нейтральном проводе существует (рис. 5.5).

Итак, с целью экономии металла проводов и уменьше­ния потерь энергии в линиях электропередачи ЭДС Е_А, Е_в, Ее трехфазного генератора сдвинуты по фазе по отно­шению друг к другу на 120°, чтобы ток в нейтральном проводе был минимальным или отсутствовал совсем. Из-за большого экономического эффекта трехфазных цепей в настоящее время в большинстве случаев передача электроэнергии осуществляется трехфазным током.

В сравнении с однофазными трехфазные цепи обладают также следующими достоинствами: 1) при прочих равных условиях трехфазный генератор дешевле, легче и эконо­мичнее, чем три однофазных генератора с такой же общей мощностью; то же относится к трехфазным дви­гателям и трансформаторам; 2) трехфазная система токов позволяет получить вращающееся магнитное поле, на котором основана работа трехфазных двигателей; 3) суммарная мгновенная мощность трехфазного двига­теля постоянная (у однофазного двигателя мощность пульсирует с двойной частотой тока), что обеспечивает на валу двигателя постоянный вращающий момент.