1.4. Коэффициент мощности нагрузки судовой электростанции

Оборудование, входящее в состав судовой электроэнергетической системы, с некоторым упрощением можно представить в виде комбинации активных и реактивных элементов. К активным элементам относятся лампы накаливания и нагревательные элементы. Катушки индуктивности входят в схемы электрических машин, контакторов, реле и т.д. Во многих электрических цепях, например в схемах люминесцентных светильников, устанавливают конденсаторы.

Если резистор подключить в сеть переменного напряжения, то на экране осциллографа, измеряющего напряжение и ток резистора, увидим две синусоидальные кривые напряжения и и тока i_R, совпадающие по фазе. Это означает, что нулевому значению напряжения соответствует нулевое значение тока, а наибольшему по модулю значению напряжения - такое же значение тока.

В электротехнике синусоидальные электродвижущие силы, напряжения и токи, имеющие угловую частоту ω, принято изображать векторами, условно вращающимися с угловой частотой ω против часовой стрелки (рис. 1.8). Длина вектора определяется в соответствующем масштабе амплитудой ЭДС, напряжения или тока. Для резистора напряжение и ток представлены в виде двух векторов (см. рис. 1.8, а). Угол между этими векторами f = 0, а cosf = 1. Это соответствует тому, что химическая энергия топлива, которая с помощью генераторного агрегата была преобразована в электрическую энергию, на резисторе выделилась в виде тепла. Так обеспечивается освещение судовых помещений или нагрев соответствующих пространств, поверхностей или жидкостей.

Рис. 1.8. Понятие о коэффициенте мощности:

а - активная нагрузка; б - емкостная нагрузка; в - индуктивная нагрузка;

г- зависимость нагрузки от cosf ; д - зависимость тока возбуждения

от тока нагрузки; е - регулировочные характеристики генератора

Работу реактивных элементов судовой сети рассмотрим на примере процессов, протекающих в конденсаторе. Известно, что при подключении конденсатора к источнику постоянного тока ток в первый момент достигает максимального значения, а напряжение на обкладках практически равно нулю. По мере заряда конденсатора ток уменьшается, а напряжение растет, т.е. наблюдается определенный сдвиг по фазе междунапряжением и током.

При включении конденсатора в сеть переменного тока на экране осциллографа синусоиды напряжения и тока будут сдвинуты по фазе. Векторное представление напряжения и тока для конденсатора (см. рис. 1.6, б) принимает вид, где угол сдвига f = 90°, a cosf = 0. В течение каждого полупериода конденсатор будет накапливать электрическую энергию, исклупающую от генератора (процесс заряда конденсатора), и затем отдавать ее через сеть генератору (процесс разряда конденсатора). Пренебрегая потерями в судовой сети, можно считать, что полученная конденсатором электрическая энергия будет равна отданной энергии, при этом практически не создается нагрузка на приводной двигатель генератора. Нулевое значение cos f показывает, что при подключении конденсатора по судовой сети протекает электрический ток, связанный с зарядом и разрядом конденсатора, но полезная работа не совершается.

При подключении к сети переменного напряжения индуктивности протекающие физические процессы аналогичны процессам в конденсаторе лишь с тем отличием, что ток не опережает напряжение а отстает от него по фазе на угол, близкий к 90°. Катушка индуктивности также накапливает и отдает в сеть электромагнитную энергию, практически не нагружая приводной двигатель. В сети при этом протекает так называемый реактивный ток. На экране осциллографа можно видеть отставание синусоиды тока от синусоиды напряжения (см. рис. 1.8, в) соответственно вектор тока отстает от вектора напряжения на угол f= -90° cosf = 0.

В электрических машинах, в частности, в асинхронных двигателях, катушки индуктивности, образующие статорную обмотку, создают вращающееся магнитное поле при протекании по ним трехфазного переменного тока.

В результате в роторной обмотке наводится ЭДС и появляется электрический ток, взаимодействие которого с магнитным потоком статорной обмотки приводит к вращению ротора электродвигателя В данном случае электромагнитная энергия обмоток статора электродвигателя в основном тратится на вращение ротора электродвигателя обеспечивающего работу сочлененного с ним механизма. Pacxoд электромагнитной энергии происходит не полностью, частично он возвращается генератору.

Более 80% нагрузки генераторных агрегатов приходится на долю электроприводов. Асинхронный электродвигатель потребляет ток I, состоящий из активной Ia и индуктивной Ir. cоставляющих (рис. 1.8, г). Коэффициент мощности работающего элекгродвигателя определяется по формуле

Cos ф зависит от загрузки электродвигателя, значения напряжения частоты. Чем выше загрузка электродвигателя, тем больше Ir и выше коэффициент мощности. Коэффициент мощности позволяет оценить эффективность использования электроэнергии, вырабатываемой генерторами. Индуктивная составляющая тока нагрузки увеличивает токи цепях, создает дополнительные потери энергии и нагрев оборудованя (двигателей, аппаратуры, кабелей, генераторов), размагничивает генерторы, снижая тем самым их напряжение.

Величина активной мощности генератора P =I*U cosf измеряет ваттметром. Для измерения реактивной мощности применяют прибор варметр. В некоторых установках применяют фазометр - прибор, измеряющий cos ф. При отсутствии варметра и фазометра реактивную н грузку можно оценить по амперметру и вольтметру генератора с учете показаний ваттметра:

Q=IUsinf;

ф = агссоsф.

Значение коэффициента мощности различных приемников электроэнергии:

• асинхронный электропривод мощностью до 100 кВт при загрузке 50- 100% от номинальной 0,6-0,8;

• асинхронный электропривод мощностью 100 - 250 кВт при загрузке 50- 100% от номинальной 0,8-0,9;

- тиристорный электропривод 0,7;

-лампа накаливания 1,0;

• дуговая ртутная лампа 0,5;

• люминесцентная лампа низкого давления 0,5 - 0,6;

• неоновая трубчатая лампа 0,4-0,5;

-электронагреватель 1,0;

- сварочный аппарат переменного тока 0,5 - 0,6.

В установках, где индуктивная нагрузка значительна, для снижения токов в цепях, а соответственно, и потерь энергии применяют так называемые компенсаторы - устройства, потребляющие емкостной по характеру ток Ic В результате ток I=I_R+(I_L-I_C) той же активной составляющей уменьшается. Компенсирование применяют как у отдельных приемников (люминесцентные лампы, электроприводы), так и в системе в целом, снижая тем самым токовую нагрузку генераторов. Учитывая характер реальной нагрузки, чаще всего генераторы проектируют с номинальным коэффициентом мощности, равным 0,8.

Векторная диаграмма (см. рис. 1.8, д) показывает, каким образом величина нагрузки генераторного агрегата зависит от коэффициента мощности. Составляющая Iном cosfном определяет нагрузку приводного двигателя Рп ном:

P_{П ном}=I_ном U_ном cosf _ном +ΔP.

где ΔР - потери энергии в генераторе. Таким образом, исходя из номинальной нагрузки приводного двигателя, линия АВ на рис. 1.8, д ограничивает местонахождение вектора тока I.

При ф < ф_ном нельзя нагружать генератор током, ориентируясь на его номинальное значение, т.к. это может привести к перегрузке приводного Двигателя. При ф > фном нельзя нагружать генератор, ориентируясь только на показания ваттметра, т.к. это может привести к его перегрузке током. Дуга CD ограничивает нагрузку генератора током (см. рис. 1.8, г).

Ток роторной обмотки (обмотки возбуждения) зависит от тока нагрузки генератора и коэффициента мощности. Ток возбуждения изменяется регулятором напряжения в соответствии с характеристиками ( рис. 1.8, ё). Исходя из номинального значения тока возбуждения i_{B ном} нагрузка генератора при cos f < cos f_ном должна бьпъ ограничена токами I₁ (I₂). Так, при cos ф = 0,5 (ф = 60°) максимальная длительная нагрузки статорной обмотки генератора не должна превышать 85% I_ном, из-за перегрузки обмотки возбуждения.