6.3. Способы повышения коэффициента мощности

Работа АД, трансформаторов и других устройств переменного тока, обладающих индуктивным сопротивлением, сопровождается периодическим изменением возникающего в них магнитного потока. При этом в цепи данных устройств возникает ЭДС самоиндукции, противодействующая изменению магнитного потока. Реактивная мощность, идущая на создание магнитного потока в машинах, обладающих индуктивным сопротивлением, 4 раза в течение каждого периода переменного тока меняет свое направление, причем среднее значение этой мощности за каждый полупериод равно 0. Таким образом, к токоприемникам кроме активной мощности, преобразуемой в них в другие виды энергии, доставляется и реактивная мощность, которая необходима для создания магнитных полей в ЭД. Реактивная энергия не производит полезной работы, а обмен ею между ЭП и генераторами электростанций приводит к добавочным потерям энергии в линиях, ЭП и трансформаторах.

Как известно, мерой соотношения между активной и реактивной мощностью является коэффициент мощности, определяемый как отношение активной Р мощности к полной мощности S:

сos  = P/S = P/(P² + Q²), (6.1)

где Q – реактивная мощность. При синусоидальной форме напряжения и тока величина cos  совпадает с косинусом угла сдвига фаз между ними.

Коэффициент мощности электротехнической установки без специальных средств для его повышения носит название естественного и по большей части колеблется (для предприятий) в пределах 0,6–0,8. На долю асинхронных двигателей приходится 60 % всей реактивной энергии, потребляемой от энергосистемы предприятием, на долю трансформаторов – 20 %. Остальная часть приходится на долю преобразовательных подстанций, установок индукционного нагрева и др. Как правило, коэффициент мощности и КПД растут с ростом мощности асинхронных двигателей.

Номинальный cos  АД составляет 0,75–0,9, однако при эксплуатации АД он оказывается значительно ниже по следующим причинам:

1. Недогрузка ЭД. При этом активная мощность Р снижается, а реактивная мощность Q не меняется. Особенно низок cos у ЭД, работающих при пульсирующем или переменном характере нагрузки. Поэтому в ЭП станков-качалок, буровых лебедок cos  чрезвычайно низок (0,4–0,5).

2. Некачественный ремонт ЭД, после которого изменяются обмоточные данные, и в результате магнитная индукция может перейти в зону насыщения.

3. Увеличение напряжения сети. Поскольку магнитная индукция в магнитопроводе ЭД пропорциональна напряжению сети, когда напряжение сети возрастает, значение магнитной индукции соответствует зоне насыщения. В результате резко увеличивается намагничивающий ток и реактивная мощность. Коэффициент мощности имеет важное экономическое значение. Из формулы:

I = P3U cos (6.2)

следует, что при одинаковой активной мощности сила тока в случае cos  = 0,5 будет в 2 раза больше, чем при cos  = 1. Следовательно, в первом случае и потери энергии в питающей линии того же сечения будут в 4 раза большими, в 2 раза возрастут потери напряжения, возникнет необходимость в увеличении мощности трансформаторов, поскольку их нагрузочная способность определяется силой тока, т.е. полной мощностью S = 3U_HI, а не активной мощностью подключенных к ним ЭП.

Используют различные способы повышения cos :

- применение синхронных ЭД дает повышение коэффициента мощности, поскольку они обладают способностью работать с током, опережающим напряжение и выполнять функции генератора реактивной мощности;

- замена малозагруженных ЭД на двигатели меньшей мощности, что сопровождается уменьшением потерь активной мощности;

- снижение напряжения малозагруженных АД путем включения в цепь статора тиристорного регулятора напряжения, который при недогрузке АД автоматически снижает напряжение на его зажимах, что вызывает уменьшение намагничивающего тока. Поскольку активная мощность при этом не уменьшается, данная мера приводит к увеличению cos  и, поскольку при этом уменьшаются потери в стали статора, растет и КПД;

- устранение холостой работы АД посредством ограничителей холостого хода, отключение трансформаторов при загрузке меньше 30 % и перевод их нагрузки на другие трансформаторы.

Повышение cos  с помощью компенсирующих устройств. Ток I₁ статорной обмотки, потребляемый АД, отстает от напряжения на угол ₁ вследствие индуктивного характера нагрузки. При параллельном соединении конденсатора, потребляемый им ток I_к, опережающий напряжение на 90, будет складываться с током I₁. В результате потребляемый от сети реактивный ток уменьшится до величины I_2р:

I_2р = I_1р – I_к. (6.3)

Тогда ток I₂, потребляемый от сети будет меньше, чем ток I₁ и сдвинут по фазе на угол ₂ < ₁, чем и объясняется повышение коэффициента мощности. Из диаграммы токов и мощностей можно получить следующую формулу для расчета мощности компенсирующего устройства:

Q_к = Q₁ – Q₂ = Р_ст(tg₁ – tg₂), (6.4)

где Р_ст – средняя годовая активная мощность, которую для непрерывно работающих предприятий нефтяных промыслов находят делением годового потребления активной энергии на Т_в = 8000 часов, tg₁ соответствует средневзвешенному коэффициенту мощности за 1 год до компенсации; tg₂ соответствует коэффициенту мощности, который должен быть достигнут после компенсации. В качестве компенсирующих устройств обычно используют конденсаторные батареи, устанавливаемые на нефтепромысловых подстанциях 35/6–10кВ и присоединяемые к шинам 6–10кВ.

Существует еще один способ компенсации, уменьшающий угол сдвига фаз между током и напряжением. Это вращающиеся компенсаторы – перевозбужденные синхронные или асинхронные машины. Данный способ целесообразно использовать в том случае, когда компенсированный ЭД под воздействием конденсаторных компенсирующих устройств сам начинает возбуждаться и работает в режиме самовозбужденного асинхронного генератора. Перенапряжение от самовозбуждения хотя и не оказывает влияния на конденсаторы, устойчивые к коротким замыканиям, может, тем не менее, нанести повреждение ЭД. Кроме того, появляется еще опасность для обслуживающего персонала, который предполагает, что на зажимах выключенного ЭД напряжение отсутствует. Перенапряжения у ЭД, имеющих короткое время выбега, относительно скоро снижаются до безопасной величины. Но в любом случае ЭД должны быть заземлены.