Компенсація реактивної потужності.

Ціль лекції:

• ознайомлення з поняттям коефіцієнта потужності,

• ознайомлення з методами підвищення коефіцієнта потужності й зниження втрат,

• методика вибору пристрою, що компенсує.

Коефіцієнт потужності.

Промислове підприємство є споживачем активної й реактивної енергії. Основними споживачами реактивної енергії є асинхронні двигуни, які становлять переважну більшість споживачів на підприємстві. Споживачами реактивної потужності є так само трансформатори, ВЛ. Електороприймачі, що мають ємнісної характер: статичні конденсатори, КЛ є, у свою чергу, джерелами реактивної енергії.

Відношення активної потужності Р до всієї споживаної потужності підприємства S називається коефіцієнтом потужності cosφ:

Коефіцієнт потужності електротехнічної установки без застосування спеціальних засобів до його підвищення зветься природного, і становить для більшості підприємств 0,6-0,8.

Генератори для забезпечення електроенергією підприємства розраховуються для роботи з їхнім номінальним коефіцієнтом потужності не нижче 0,8, при якому вони здатні видавати номінальну активну потужність. Зниження коефіцієнта потужності в споживачів нижче цього значення може привести до того, що видавана генераторами потужність буде менше номінальної при тій же повній потужності. Тому, при низьких коефіцієнтах потужності в споживача для забезпечення передачі активної потужності необхідно споруджувати або могутніші електростанції, або вживати заходів для збільшення cosφ.

При протіканні в електричних мережах реактивної потужності, остання спричиняється додаткові втрати активної потужності й додаткові втрати напруги ∆U:

,

де R і Х – активний і реактивний опір мережі.

Втрати активної потужності при цьому:

Для підвищення напруги в споживача й зменшення втрат варто прагнути до зменшення переданої реактивної потужності. Це досягається підвищенням коефіцієнта потужності за рахунок:

• раціоналізації роботи електроустаткування або природна компенсація електроприймачів;

• компенсація реактивної потужності.

Природна компенсація реактивної потужності.

Природна компенсація реактивної потужності не вимагає більших матеріальних витрат. Однією з основних умов раціонального електропостачання підприємства є відповідність потужностей електродвигунів і споживаних потужностей механізмів, що приводять цими електродвигунами в рух.

До природної компенсації реактивної потужності відносять:

• упорядкування технологічного процесу, що веде до вирівнювання графіка навантажень (рівномірний розподіл навантажень по фазах, зсув обіднього часу для різних цехів й ін.),

• створення раціональної системи електропостачання за рахунок зменшення кількості щаблів трансформації,

• заміна трансформаторів старої конструкції на нову з меншими втратами на перемагнічування,

• заміна малозавантажених трансформаторів і двигунів трансформаторами й двигунами меншої потужності і їхнє повне завантаження,

• обмеження тривалості режиму холостого ходу електродвигунів,

• відключення частини силових трансформаторів при малому завантаженні (наприклад, у вихідні дні),

• заміна асинхронних двигунів синхронними, оскільки синхронні двигуни при перепорушенні можуть працювати з коефіцієнтом потужності, близьким до одиниці, і навіть видавати реактивну потужність у мережу.

Компенсація реактивної потужності.

Завдяки природній компенсації реактивної потужності можна лише частково розвантажити систему електропостачання від реактивної потужності. У більшості випадків природної компенсації реактивної потужності не досить для підвищення коефіцієнта потужності до необхідного значення. Тому, для забезпечення роботи генераторів з номінальними параметрами й для розвантаження мережі від реактивної потужності доцільно частина цієї потужності генерувати на місці її споживання. Така компенсація називається «поперечної».

Основними джерелами реактивної потужності, установлюваними на місці споживання є синхронні компенсатори й конденсаторні батареї. Найбільше широко використовуються статичні конденсатори на напругу до 1000В и 6-10кв. У випадках, що коли компенсують пристрої залишаються підключеними до мережі, а споживачі реактивної потужності відключаються від її, відбувається перекомпенсація. Результатом цього є збільшення сумарних втрат потужності й ускладнення пристроїв регулювання напруги. Тому знайшли застосування керовані пристрої, що компенсують, на основі напівпровідникових приладів.

Рис. 19 Схеми без компенсації (а) і з компенсацією (б) реактивної потужності і їхні векторні діаграми.

Наочне подання про сутності компенсації реактивної потужності дає рис. 19. До компенсації споживач мав активну потужність Р, відповідно струм I_r і реактивну потужність від реактивного навантаження Q c відповідним струмом I_x. Повної потужності відповідає вектор I_н. Коефіцієнт потужності до компенсації cosφ_1.

Після компенсації, тобто після підключення паралельно навантаженню конденсатора з потужністю Q_c сумарна реактивна потужність споживача буде Q-Q_c ( струм I_x-I_c). Кут φ зменшиться, і коефіцієнт потужності підвищиться з cosφ₁ до cosφ_2. Повна споживана потужність при тій же активній потужності знизиться з S₁ (струм I_н) до S₂ (струм I₂). Тому при тім же перетині можна підвищити пропускну здатність лінії по активній потужності.

В ідеалі необхідно проводити повну компенсацію, коли Q=Q_c, але в реальності така ситуація недосяжна через постійно мінливу конфігурацію мережі, зміни режиму роботи приймачів і т.п.

При компенсації реактивної потужності зменшуються й втрати напруги в електропередачах.

Як ми вже відзначали, компенсацію реактивної потужності роблять за допомогою конденсаторних батарей, які одержали найбільше поширення. Широке поширення конденсаторних батарей порозумівається їхніми перевагами: незначні питомі втрати активної потужності, відсутність обертових частин, простота монтажу, відносно невисокі масогабаритні й вартісні показники, відсутність шуму під час роботи й ін. Однак існують і недоліки: пожежонебезпека, наявність залишкового заряду, якім необхідно знімати, чутливість до перенапруг, потреба в спеціальних умовах утилізації батарей, що відробили.

У мережах з різкозмінним ударним навантаженням, а так само для плавного регулювання рівня компенсації рекомендується застосування комбінованих швидкодіючих джерел реактивної потужності (рис. 20). Регулювання індуктивності в цьому випадку здійснюється тиристорами VS.

Рис. 20 Принципова схема швидкодіючого пристрою, що компенсує.

Іншим технічним засобом компенсації реактивної потужності, що одержало поширення, є синхронний компенсатор. Він являє собою синхронний двигун без навантаження на валу. Він може працювати як у режимі генерування реактивної потужності, так і режимі її споживання. Зміна генерованій або споживаної реактивної потужності компенсатора здійснюється регулюванням його порушення.

Достоїнством синхронного компенсатора, як джерела реактивної потужності є можливість плавного регулювання генерованій реактивної потужності й висока стійкість у режимах короткого замикання й перенапруги.

Основною відмінністю синхронного двигуна від асинхронного є те, що магнітне поле, необхідне для дії двигуна, створюється в основному від окремого джерела постійного струму (збудника). Внаслідок цього в нормальному режимі синхронний двигун майже не споживає з мережі реактивної потужності, необхідної для створення головного магнітного потоку, а в режимі перепорушення (при випереджальним коефіцієнтом потужності) може генерувати реактивну потужність у мережу.

Синхронні двигуни можуть виробляти реактивну потужність при напрузі U_ном:

Q=0,5P_ном

Одним з недоліків синхронних двигунів є додаткові активні втрати в обмотці, викликувані генерованій реактивною потужністю:

,

Де Q_ном – номінальна реактивна потужність, r – cопротивление однієї фази обмотки двигуна.