90644 / Вопросы компенсации реактивной мощности

51

сивного нагрева в рабочем режиме. В том случае, если средняя загрузка асинхронных двигателей составляет 45–70 % номинальной мощности, то целесообразность их замены должна быть подтверждена технико-экономическим расчетом.

Технико-экономический расчет целесообразности замены асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности в общем случае сводится к сопоставлению суммарных потерь активной мощности до и после проведения замены. Такая замена не всегда целесообразна и экономически оправдана, а иногда по условиям работы электрооборудования, зависящим от характера технологического процесса, даже невозможна.

Условия рентабельности требуют, чтобы замена электродвигателя влекла за собой уменьшение суммарных потерь активной мощности:

где P – полные потери активной мощности в электродвигателе, кВт; kQ – коэффициент изменения потерь, кВт/кВАр (в расчетах принимается kQ = 0,1 кВт/кВАр).

Полные потери активной мощности в асинхронном двигателе равны:

где Pх – потери активной мощности при холостом ходе электродвигателя, кВт:

Pн – прирост потерь активной мощности в электродвигателе при загрузке 100 %, кВт:

52

γ – расчетный коэффициент, зависящий от конструкции электродвигателя:

где Pх % – потери холостого хода в процентах от активной мощности, потребляемой лектродвигателем при загрузке 100 %.

В результате суммарные потери активной мощности в электродвигателе будут равны:

Вообще же рассматривать вопрос о замене малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности целесообразно только для электродвигателей, не встроенных в производственный механизм. Замена малозагруженных асинхронных двигателей, встроенных в производственный механизм, обычно настолько сложна и дорога, что практически не является целесообразной.

Таким образом, чтобы решить вопрос о целесообразности замены малозагруженных асинхронных двигателей, необходимо в каждом отдельном случае проводить анализ техникоэкономической эффективности и возможности проведения такой замены, а также учитывать особенности технологического процесса конкретного производства.

4.3. Понижение напряжения электродвигателей, систематически работающих с малой загрузкой

В случае невозможности замены малозагруженных асинхронных двигателей целесообразным может оказаться снижение напряжения на их зажимах. Снижение напряжения, подводимого к обмоткам асинхронного двигателя, до определенного минимально допустимого значения приводит к уменьшению реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, за счет уменьшения тока намагничивания. При этом одновременно снижаются

53

потери активной мощности, а, следовательно, увеличивается КПД электродвигателя.

На практике известны следующие способы снижения напряжения у малозагруженных асинхронных двигателей:

– переключение статорных обмоток электродвигателей

стреугольника на звезду;

–секционирование статорных обмоток;

–понижение напряжения в сетях, питающих электродвигатели, путем переключения ответвлений трансформатора.

Переключение статорной обмотки с треугольника на звезду

может быть использовано только для тех электродвигателей, у которых выведены все шесть концов обмотки статора, причем обмотка статора нормально включена в треугольник. Данный способ целесообразно применять для асинхронных двигателей напряжением до 1 кВ, систематически загруженных менее 40–45 % номинальной мощности. При этом следует учитывать, что максимальный вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Поэтому ввиду уменьшения максимального вращающего момента в 3 раза при переключении статорной обмотки с треугольника на звезду необходимо производить проверку по предельному коэффициенту загрузки электродвигателя, определяемому условиями устойчивости.

Предельный коэффициент загрузки асинхронных двигателей определяется из соотношения:

kз пр kM 4,5,

где kM – кратность максимального вращающего момента по отношению к номинальному (каталожная величина).

Преимущество данного способа состоит в том, что он не вызывает никаких затруднений при возвращении к нормальной схеме в случае улучшения использования приводного механизма и увеличения загрузки электродвигателей.

Секционирование статорных обмоток асинхронных двигателей можно рекомендовать тогда, когда невозможно осуществить переключение обмотки статора с треугольника на звезду. Если обмотка статора состоит из нескольких секций, соединен-

54

ных так, что они образуют несколько параллельных ветвей, то понижение напряжения, подводимого к каждой из секций, осуществляется относительно просто, причем понижение напряжения должно быть одинаковым для всех переключаемых секций. Секционирование в этом случае производится путем перепайки лобовых соединений обмотки статора. Если же статорная обмотка асинхронного двигателя выполнена одиночным проводом, то переключение секций обмотки возможно лишь при проведении капитального ремонта электродвигателя.

Понижение напряжения на зажимах малозагруженных асинхронных двигателей путем переключения ответвлений цехового трансформатора также приводит к уменьшению реактивной мощности, потребляемой электродвигателями. Однако данный способ может быть применен только в тех случаях, когда рассматриваемый трансформатор не питает одновременно и другие электроприемники, не допускающие снижения напряжения на их зажимах. Допустимая степень понижения напряжения при этом будет определяться загрузкой электродвигателей.

4.4. Ограничение длительности холостого хода асинхронных двигателей

Работа асинхронных двигателей большинства станков, установленных на промышленных предприятиях, характеризуется тем, что в перерывах между нагрузками они вращаются на холостом ходу. При этом в ряде случаев продолжительность работы двигателей на холостом ходу может достигать 50 % и более всего времени работы. Если промежутки работы на холостом ходу достаточно велики, то целесообразно на это время отключать электродвигатель от сети. Потребление активной и особенно реактивной мощности при этом значительно снижается.

Применение ограничителей холостого хода приводит к сокращению непроизводительного расхода электроэнергии и снятию реактивных нагрузок путем отключения электродвигателей на межоперационный период. Под межоперационным периодом понимается та часть времени работы станка, которая затрачивается на отвод инструмента в исходное положение, снятие обрабатываемой детали со станка, установку на станке новой детали

55

и подвод инструмента в рабочее положение. Из опыта эксплуатации считается, что установка ограничителей холостого хода на станках является экономически целесообразной в тех случаях, когда длительность работы на холостом ходу превышает 10 с. При этом также должна учитываться технологическая периодичность пусков и остановок двигателя в час с целью не допустить его перегрева пусковыми токами. Аналогично следует учитывать допустимое число включений-отключений, гарантируемое заво- дом-изготовителем для применяемого типа коммутационной аппаратуры. Не следует допускать очень быстрых повторных включений электродвигателя. Когда длительность работы на холостом ходу составляет менее 10 с, вопрос о целесообразности установки ограничителей холостого хода решается на основании техникоэкономического расчета.

4.5. Повышение качества ремонта электродвигателей

При проведении ремонта электродвигателей не допускается снижать их энергетические показатели. Надлежащее качество ремонта является залогом исправной работы электродвигателей при высоких энергетических показателях.

Увеличение потребления реактивной мощности часто происходит из-за увеличения воздушных зазоров во время ремонтов электродвигателей. Магнитным сопротивлением воздушного зазора обусловлена значительная часть потребляемой асинхронным двигателем реактивной мощности холостого хода.

Поэтому важно следить за равномерностью износа подшипников. Неравномерный износ подшипников вызывает асимметрию магнитного поля электродвигателя и уменьшение его КПД по сравнению с паспортными данными, а также увеличение реактивной мощности, потребляемой электродвигателем.

Точно так же увеличивается потребление реактивной мощности асинхронным двигателем при появлении значительного сдвига стали ротора вдоль оси.

При проведении ремонта электродвигателей совершенно недопустимо производить проточку ротора, уменьшение числа проводников в пазу, распиливание пазов, выжигание обмотки.

56

Проточкой ротора иногда ограничиваются вместо проведения тщательного ремонта при сработанных подшипниках. Однако при этом увеличивается воздушный зазор, в связи с чем увеличивается и потребление реактивной мощности электродвигателем, так как увеличение воздушного зазора хотя бы на несколько десятых миллиметра влечет за собой весьма значительное повышение потребления реактивной мощности.

При перемотке электродвигателя часто в пазы помещают не прежнее число проводников, а меньшее. Уменьшение числа проводников в пазу приводит к увеличению магнитного потока, а, следовательно, и тока намагничивания. При этом также увеличивается реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем. Кроме того, вследствие увеличения активных потерь в стали снижается КПД электродвигателя.

Для того чтобы при перемотке электродвигателя было удобнее уложить обмоточный провод, пазы иногда распиливают. Это приводит к увеличению воздушного зазора, а, следовательно, и к увеличению реактивной мощности, потребляемой электродвигателем.

Поэтому ремонт асинхронных двигателей должен производиться специализированными предприятиями по заводской технологии и в соответствии с требованиями действующей норма- тивно-технической документации. Для контроля над качеством ремонта электродвигателей следует производить испытание их после ремонта, уделяя особое внимание тому, чтобы ток холостого хода асинхронного двигателя после проведения ремонта не превышал номинального значения.

4.6. Замена или отключение в период малых нагрузок силовых трансформаторов

Несмотря на то, что реактивная мощность, расходуемая на намагничивание каждого отдельного трансформатора, сравнительно невелика, тем не менее, с ней приходится считаться ввиду значительного количества силовых трансформаторов, установленных на промышленных предприятиях, а также ввиду того, что большинство из этих трансформаторов работают круглосуточно.

57

К мероприятиям, направленным на снижение реактивной мощности, потребляемой силовыми трансформаторами, можно отнести рационализацию их работы, которую производят путем замены и перегруппировки малозагруженных силовых трансформаторов, а также отключения некоторых из них в часы малых суточных нагрузок электрической сети, и улучшение качества ремонта трансформаторов.

Потребление реактивной мощности трансформаторами зависит от их загрузки в значительно меньшей степени по сравнению с асинхронными двигателями, и в диапазоне нагрузок от 30 до 100 % номинальной мощности величина реактивной мощности, потребляемой трансформаторами, меняется весьма незначительно. При загрузке же трансформаторов менее 30 % номинальной мощности потребление реактивной мощности существенно возрастает. При этом значительную часть потребляемой ими реактивной мощности составляет реактивная мощность намагничивания. Поэтому с точки зрения снижения потребляемой трансформаторами реактивной мощности отключение трансформаторов целесообразно производить при уменьшении их загрузки до 30 % номинальной мощности.

Для увеличения коэффициента загрузки трансформаторов и снижения потребляемой ими реактивной мощности необходимо осуществлять рационализацию работы трансформаторов, которая заключается в замене трансформаторов, систематически загруженных менее 30 % номинальной мощности, и их перегруппировке, переводе нагрузки трансформаторов, временно загруженных менее 30 % номинальной мощности, на другие трансформаторы, а также в отключении трансформаторов на время работы на холостом ходу.

Если при проведении этих мероприятий снижается потребление реактивной мощности и уменьшаются потери активной мощности, то их осуществление является целесообразным.

4.7. Применение наиболее целесообразной силовой схемы и системы управления вентильных преобразователей

Вентильные преобразователи относятся к числу крупных потребителей реактивной мощности. Реактивная мощность не-

58

управляемого вентильного преобразователя зависит от угла коммутации, а управляемого – от угла коммутации и угла управления вентилей. Коммутация тока с одного вентиля на другой происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, характеризующегося одновременной работой вентилей, которая продолжается до тех пор, пока ток вентиля, заканчивающего работу, не уменьшится до нулевого значения. Этот промежуток времени определяется углом коммутации γ, величина которого зависит от индуктивности сети, питающей вентильные преобразователи. При угле γ, отличном от нуля, основная гармоника тока вентильного преобразователя отстает от напряжения. Угол управления α также влияет на величину реактивной мощности, потребляемой вентильными преобразователями, причем его влияние значительно больше, чем угла коммутации, и особенно

втех случаях, когда угол управления необходимо регулировать

вшироком диапазоне (в схемах электроприводов с широким диапазоном регулирования, в установках с форсировкой возбуждения и др.).

Кспособам уменьшения реактивной мощности, потребляемой вентильными преобразователями, можно отнести:

– применение более сложной силовой схемы (включение нулевого вентиля, регулирование напряжения на стороне переменного тока);

– применение усложненных законов управления (поочередное управление последовательно соединенными преобразователями, несимметричное управление);

– применение схем с искусственной коммутацией (одноступенчатой, двухступенчатой).

Первые два из перечисленных способов приводят к уменьшению реактивной мощности, потребляемой вентильными преобразователями, а применение схем с искусственной коммутацией позволяет не только снизить потребление реактивной мощности, но и генерировать ее. Для осуществления искусственной коммутации в схему вентильного преобразователя вводится дополнительный элемент – устройство коммутации. В качестве такого устройства в промышленных установках с искусственной коммутацией используются конденсаторы. За счет электромагнитной энергии конденсаторов, вводимой в контур коммутации,

59

происходит принудительный сдвиг основной гармоники тока на некоторый угол в сторону опережения, что приводит к уменьшению потребления реактивной мощности вентильными преобразователями или при соответствующих условиях к ее генерации.

Целесообразность применения схем с искусственной коммутацией объясняется тем, что, как правило, конденсаторы в этих схемах используются более эффективно, чем при обычном их включении в сеть. Кроме того, компенсация с помощью батарей конденсаторов, подключенных к сети, питающей вентильные преобразователи, требует применения специальных реакторов, устраняющих опасные для конденсаторов резонансные явления, что усложняет конденсаторную установку.

Вентильные преобразователи, выполненные по схеме с искусственной коммутацией, могут рассматриваться как специализированные компенсирующие устройства, которые наряду со своими активными функциями позволяют решать задачу компенсации реактивной мощности в сети.

Мероприятия по уменьшению потребления реактивной мощности могут быть проведены и у других видов электроприемников. Так, например, снижение реактивной мощности дуговых сталеплавильных печей может быть достигнуто за счет реконструкции žкороткой сети¤ с целью уменьшения ее реактивного сопротивления.

Кроме того, снижение реактивной мощности, потребляемой электроприемниками, как правило, достигается при проведении мероприятий по упорядочению технологического процесса. Хотя основной целью этих мероприятий и является увеличение объемов выпуска продукции, повышение ее качества и снижение себестоимости, результатом их бывает обычно и улучшение энергетического режима оборудования, достигаемого за счет снижения потерь мощности, уменьшения продолжительности холостых ходов и простоев оборудования и т. п. Все это приводит к снижению реактивной мощности электроприемников, используемых в усовершенствованных технологических процессах.