2. Повышение коэффициента мощности электроустановок

Коэффициентом мощности называют отношение активной мощности Р к полной мощности S = UI

cos=P/S=P/(UI). (3.6)

Коэффициент мощности показывает, какая доля электроэнергии необратимо преобразуется в активную, большая часть которой за вычетом потерь на нагрев идет затем на выполнение полезной работы (механической, лучистой, звуковой, тепловой и т.д.). Последнее учитывается через КПД установок.

Из приведенного отношения следует, что при одной и той же активной мощности Р приемников, если напряжение сети остается постоянным, то с уменьшением cos потребляемый ток из сети возрастает за счет индуктивной составляющей. Тогда генераторы, трансформаторные подстанции загружаются полной мощностью за счет реактивной, но недоиспользуются по активной мощности. В то же самое время большой ток приводит к увеличенным потерям на нагрев проводов сети и обмоток генераторов (трансформаторов). Повышаются потери напряжения в сети, что нарушает нормальную работу других потребителей и тем самым вызывает необходимость замены проводов линии электропередач проводами увеличенного сечения, а генераторы на большую мощность, то есть приводит к дополнительным капитальным затратам.

Однако cos предприятий сильно зависит как от характера нагрузки приемников (активный или активно-индуктивный), так и от степени их загрузки. Например, у асинхронных двигателей, трансформаторов при нормальной загрузке коэффициент мощности составляет 0,8. .0,9, который снижается до 0,2. .0,4при неполном использовании их мощности.

Рис. 3.5

До недавнего времени для предприятий нормировался минимально допустимый cos в пределах 0,9...0,92. В настоящее время энергосистемой устанавливается допустимое значение реактивной мощности Qэ и нормируется tg_э =Q_э/Р_ф. Фактическое значение tg_ф определяется по показаниям счетчиков реактивной W_p и активной W_a энергии предприятия tg_ф = Wp/W_a.

Рис. 3.6

Для повышения cos электрических установок применяют ряд мер, направленных на компенсацию реактивной мощности. Увеличение cos можно добиться следующими способами:

1) заменой малозагруженных двигателей (загрузка менее 45 %от номинальной) двигателями меньшей мощности;

2. понижением напряжения на обмотках малонагруженных двигателей, работающих треугольником, переключением их на звезду;

3. выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу;

4. включением в сеть специальных компенсирующих устройств, представляющих собой статические конденсаторы или синхронные компенсаторы (облегченные синхронные двигатели).

Наиболее простым и удобным аппаратом для улучшения cos является статический конденсатор, включаемый параллельно с активно-индуктивной нагрузкой (рис. 3.1.). При включении конденсатора емкостный ток Iс, находящийся в противофазе с индуктивным током I_Lнагрузки, приводит к их взаимной частичной (рис. 3.2) или полной (рис. 3.3) компенсации. Общий ток I со значения I₁ (конденсатор отключен) уменьшается до Ir (резонанс токов). Причем активная составляющая тока Ir, а тем самым и активная мощность Р, остаются без изменения. При этом угол сдвига фазсоставляет 0<₁, а коэффициент мощности cos повышается от cos₁ (см. рис. 3.2)до cos=1 (при резонансе токов, см. рис.3.3).

Обычно мощные специальные конденсаторы называют косинусными и их маркируют не по току, а по реактивной мощности Q (квар) при определенном напряжении. Косинусные конденсаторы устанавливают на трансформаторные подстанции предприятия или у рубильников распределительных шкафов, шинных сборок цеха. Мощность компенсирующего устройства (батарей) Qб определяется как разность между фактической реактивной мощностью предприятия Q_фи задаваемой энергосистемой оптимальной реактивной мощностью Q_э, т.е.Q_б = Q_ф-Q_э= CU² = 2fCU² или Q_б= P_ф(tg_Э- tg₁), вар, где Р_ф - фактическая активная мощность, Вт. (3.7)

Тогда требуемая емкость компенсирующих устройств

nC=(Pф10⁶)/(2fU²) (tgэ-tg₁),мкФ (3.8)

где n - число фаз переменного тока;

U- напряжение на фазе (клеммах) конденсатора.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Рис. 3.7

Лабораторная работа проводится на установке ЛЭС-5, где необходимо задействовать (рис.3.7):

1.Лабораторный автотрансформатор ЛАТР (U=0...250 В и I 2 А) - 1 шт.

2.Вольтметр V (0...75.0 В) - 1 шт.

3.Катушка индуктивности без ферромагнитного сердечника (w=1200 витков) - 1 шт.

4.Батарея конденсаторов 0...94,75 мкФ (C₁=0...34,75 мкФ; С₂=30 мкФ, С₃=20 мкФ, С₄=10 мкФ). - 1шт

5.Однополюсные выключатели S1...S3 - 3 шт.

6.Амперметр 0...2,5 А (А, А₁, А₂) - 3шт.

7.Ваттметр W (I=2,5 A, U=75,0 В) - 1 шт.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

1. Собирают электрическую схему согласно рис. 3.7. Ручку ЛАТРа устанавливают в исходное положение (до упора против часовой стрелки). Отключают выключатели S1, S2, S3. Переключатель пределов измерения вольтметра V и катушки напряжения ваттметра переводят на 75 В, амперметры А, А₁, А₂ устанавливают на 2,5 А, а токовую катушку ваттметра W подключают на 2,5 А.

2. После проверки схемы преподавателем или лаборантом включают питание ЛАТРа. Наблюдая за показаниями приборов, плавно повышают рукояткой ЛАТРа напряжение по вольтметру V до 50. . . 60 В. Записывают показания приборов в табл. 3.1.

3. Подключая конденсаторы с шагом 15...20 мкФ до суммарной емкости 94 мкФ, по амперметру А наблюдают за изменением общего тока цепи I. Общий ток сперва уменьшается (B_l>B_c), достигает минимального значения (B_L=B_c - резонанс токов) и затем увеличивается (B_l<B_c). Отключают конденсаторы.

4. Повторно подключая конденсаторы с установленными по п. 3 значениями для соответствующих характерных режимов, записывают показания приборов в табл. 3.1.

Таблица 3.1

№

C

U

P

I

I1

I2=Ic

Cos

Sin



Характер режима

мкФ

В

Вт

А

о.е.

град

1 2 3

0 20 40

BL>Bc

4

58

BL=Bc

5 6

75 94

BL<Bc

5. Плавно снижают напряжение ЛАТРом и выключают питание. Через несколько минут выключатели S1, S2, S3 переводят в положение «Выкл.».

Таблица 3.2

№	BL=B1	Bc=B2	Y	B	G		Z		IL	IR	Ix
	Сим					Ом		А
1
2
3
4
5
6

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Расчетные параметры в табл.3.1. и 3.2 определяют из следующих соотношений:

1.1 Коэффициент мощности цепи

cos=P/UI, cos₁= P/UI (по данным, при С=0).

1.2. Реактивная (индуктивная) проводимость ветви с катушкой индуктивности

B_L = (I₁/U)sin₁= const, Сим,

гдеsinφ₁находят по данным п.1.1 при С=0.

1.3.Реактивная (емкостная) проводимость ветви с конденсатором

В_с= I₂/U, Сим.

1.4.Полная проводимость цепи

Y=1/Z = I/U, Сим.

1.5. Реактивная проводимость цепи

± В = B_L- В_C, Сим.

1.6. Активная проводимость цепи

G = Y cos, Сим.

1.7. Полное сопротивление цепи

Z=1/Y=U/I, Ом.

1.8. Реактивный индуктивный ток цепи (ветви с катушкой)

I_l= I₁sin₁ = const, А.

1.9. Активный ток цепи (ветви с катушкой)

I_R= I cos = I₁cos₁= const, А.

1.10.Реактивный ток цепи±Ix = I_L-Ic, А.

2. Векторные диаграммы строят для трех характерных режимов: резонанса токов, дорезонансного режима (B_L>B_c) и после резонансного (B_l<B_c) (по пунктам табл.3.1. согласно указанию преподавателя) следующим образом.

Предварительно выбирают масштабы напряжения Мu (В/см) и токов M_I (А/см), для наглядности оси вещественных чисел (+1) проводят вертикально, мнимых чисел (+j) - горизонтально влево. Для параллельной цепи опорным вектором является одинаковый для всех ветвей вектор напряжения источникаU=Ue^j0,совпадающий для удобства с вещественной осью(_u=0).

Построение векторной диаграммы начинают с вектора тока ветви с катушкой индуктивности I₁= I_R + I_L. Для этого по вещественной оси откладывают ток I_R, по мнимой - I_L и достраивают вектор I₁, . Откладывают по мнимой оси от начало координат вектор емкостного тока I₂=Ic, который затем параллельно самой себе пристраивают к концу вектора I_1. Из начала координат проводят до конца вектора Icвектор общего тока I = I₁+Ic. Достраивают вектор тока I_x=I_l-I_c.Обозначают углы сдвига фаз и ₁.

3. По данным табл.3.2 строят совмещенные графики функций проводимостей Y; В; B_L; В_с; G, полного сопротивления Zв зависимости от емкости конденсатора С (рис. 3.5).

4. По данным таблицы 3.1 и 3.2 строят совмещенные графики функций токов I; I_L; I_c;I_r;I_x и cos в зависимости от реактивной емкостной проводимости Вс (рис.3.6).

5. По векторным диаграммам для характерных режимов и графикам функций в зависимости от емкости и реактивной емкостной проводимости проводят анализ работы параллельной цепи.

6. По полученным результатам опытов уясняют метод искусственного повышения коэффициента мощности электроустановок с активно-индуктивной нагрузкой при помощи конденсаторов (рис.3.2; 3.3; 3.5; 3.6) . По заданному преподавателем cos_э, на базе опытных данных, определяют реактивную мощность конденсаторной батареи Q_би требуемую для этого емкость конденсаторов как для однофазной, так и трехфазной цепи.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перед выполнением опытов

1. Какова особенность цепей с параллельным включением приемников?

2. Какие проводимости имеют место в параллельных цепях постоянного и переменного токов?

3. Явление резонанса токов. Условие наступления резонанса токов. По какому признаку определяется возникновение резонанса токов?

4. Какие характерные режимы работы имеют место в параллельных цепях и как их практически установить? Какие из них чаще всего встречаются на практике?

5. Почему при резонансе ток ветви с катушкой несколько больше тока конденсатора?

6. Определение и физический смысл коэффициента мощности.

1.7. Какие способы повышения коэффициента мощности существуют?

2. После выполнения работы

2.1. Какие пути достижения резонанса токов существуют? Применение этого явления на практике.

2. Достоинства и недостатки резонанса токов.

3. По указанию преподавателя проанализируйте векторную диаграмму для конкретного характерного режима работы параллельной цепи.

4. Объясните сущность изменения емкостной, реактивной и полной проводимостей, а также полного сопротивления цепи от изменения емкости конденсаторной батареи.

5. Проанализируйте характер изменения, указанных преподавателем, токов цепи, их составляющих и коэффициента мощности в функции от реактивной емкостной проводимости.