шпоры / 2 уровень / 8. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

8. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ЭП, подключаемые к сети переменного тока, потребляют из нее активную Р_л и реактивную Q мощности. Активная мощность рас­ходуется на полезную работу ЭП и покрытие потерь в нем, а реак­тивная мощность, обеспечивая создание электромагнитных полей двигателя и других его элементов, непосредственно полезной рабо­ты не совершает. Отметим, что в отношении реактивной мощности точнее говорить не о потреблении ее, а об обмене (циркуляции) между сетью и двигателем.

Работа ЭП, как и любого другого потребителя активной и реак­тивной энергии, характеризуется коэффициентом мощности

где S - полная (или кажущаяся) мощность.

Уголкак известно из электротехники, определяет сдвиг фаз между напряжением сети и током ЭП: если он потребляет реактив­ную мощность, то сдвиг фазЕсли ЭП реактивную мощность не потребляет, тс

ЭП, потребляя реактивную мощность, нагружает ею систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии в ее элементах. По этой причине всегда следует стремиться к обеспечению максимально возможного cos ф ЭП как одного из основных энергетических показателей его работы.

Если ЭП работает в каком-то цикле при различных нагрузках или скоростях в установившемся и переходном режимах, то он как потребитель реактивной энергии характеризуется средневзвешен­ным или цикловым коэффициентом мощности, который определя­ется отношением потребленной активной энергии за цикл А_а к пол­ной или кажущейся энергии А_п в соответствии с формулой

где

Коэффициентом мощности характеризуется работа ЭП с двига­телями переменного тока (АД и СД), а также системы ЭП постоян­ного тока «управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока».

Коэффициент мощности АД. Активная Р_а и реактивная Q мощ­ности применительно к установившемуся режиму работы трехфаз­ного АД могут быть рассчитаны по следующим формулам:

формулу (8.35) можно записать в следующем виде:

Для П-образной схемы замещения АД (см. рис. 5.2) при

На рис. 8.3, а приведены зависимости номинального коэффици­ента мощности АД от различных номинальных мощностейi чисел пар полюсов р (кривая 1 при р_{=\, кривая 2 при р=4). Харак­терным для них является более высокое значение cosдля двига­телей с большими номинальными мощностями и скиристями вра­щения.

Для большинства АД cos~ 0,8...0,9. Для этих значений Q = (0,5...0,75) Р_р т.е. АД на каждый киловатт активной мощности потребляет из сети 0,5...0,75 кВ-А реактивной мощности и чем ниже cos ф, тем большую реактивную мощность потребляет АД из сети, загружая ее дополнительным током и вызывая дополнительные потери.

Коэффициент мощности АД существенно зависит от его нагруз­ки. При холостом ходе АД коэффициент мощности невелик, так как при этом относительно велика доля реактивной мощности по срав­нению с активной. По мере увеличения нагрузки АД возрастает и cos ф, достигая своего максимального значения примерно в облас­ти ее номинальных значений. Зависимость cos ф от кратности меха­нической нагрузкидля АД серии 4А при различных номи­нальных значения:приведена на рис. 8.3, б,

АД являются основными потребителями реактивной мощности в системе электроснабжения, поэтому повышение коэффициента их мощности представляет собой важную технико-экономическую за­дачу. В настоящее время существуют несколько способов повыше­ния cos ф АД.

Замена малозагруженных АД двигателями меньшей мощности, что иллюстируется кривыми 7...3, построенными соответственно при= 0,9; 0,8 и 0,6 (см. рис. 8.3, б). При замене АД меньшей

мощписш иудет работать в области больших нагрузок с более вы­соким cos ф. Напомним, что и КПД полностью загруженного дви-

гателя будет высоким. Замена двигателя, как любая модернизация ЭП, должна быть экономически обоснована.

Ограничение времени работы АД на холостом ходу, т.е. работы с низкимДля этого двигатель отключается от сети при его ра­боте вхолостую автоматически или оператором.

Понижение напряжения питания АД, работающих с малой или переменной нагрузкой. При этом уменьшаются потребляемый из сети ток и реактивная мощность и повышается cos ф. Реализация этого способа осуществляется с помощью регулятора напряжения (см. разд. 5.5) или, когда это возможно, переключением обмоток ста­тора со схемы треугольника на звезду, что приводит к снижению напряжения на обмотке каждой фазы в)аз.

Замена АД на СД, когда это возможно по условиям технологи­ческого процесса рабочей машины и экономически обосновано.

Коэффициент мощности системы «управляемый выпрямитель-дви­гатель постоянного тока» (УВ - ДПТ). Так как в этой системе напря­жение на якоре двигателя регулируется задержкой открытия венти­лей управляемого выпрямителя, происходит сдвиг фазы тока ЭП по отношению к напряжению сети и он начинает потреблять реактив­ную мощность из сети. Кроме того, работа системы УВ - ДПТ вызы­вает искажение синусоидальной формы напряжения системы элект­роснабжения, оказывая вредное воздействие на другие ЭП, что вы­ражается в повышенном нагреве электродвигателей, снижении их мощности и КПД, усилении вибрации и шума при работе.

Искажение синусоидальной формы напряжения приводит к по­явлению высших гармоник напряжения, которые нарушают нор­мальную работу других потребителей электроэнергии, устройств автоматики, защиты и сигнализации, создает помехи в линиях свя­зи. Несинусоидальность напряжений и токов приводит к допол­нительным погрешностям измерительных приборов, а также ока­зывает отрицательное воздействие и на батареи конденсаторов, при­меняемых для компенсации реактивной мощности, вызывая их пе­регрузку по току и напряжению.

где- коэффициент искажения; / - действующее значение

потреоляемого из сети тока; /, - действующее значение первой гар-

4

Коэффициент мощности системы УВ - ДПТ определяется двумя факторами: углом :двига основной первой гармоники потребля­емого из сети токаотносительно напряжения сети и коэффициен­том искажения v этого же тока:

моники этого тока; - соответственно углы управления и комму­тации вентилей.

где E_d - ЭДС преобразователя; О)₀ - скорость идеального холостого хода, соответствующая E_d.

Из приведенных выражений следует, что коэффициент мощнос­ти вентильного ЭП постоянного тока зависит от скорости двигате­ля, определяемой углом управления вентилей а, и его нагрузки, определяющей угол коммутации у. Снижение скорости (увеличение диапазона регулирования) или увеличение нагрузки приводит к уменьшению коэффициента мощности ЭП. Анализ зависимости cos ф вентильного ЭП от относительной скоростипри номинальной нагрузке на валу двигателя (рис. 8.4, а) показывает, что уменьшение коэффициента мощности происходит пропорцио­нально снижению скорости, т.е. увеличению диапазона регулиро­вания. Это видно также и из следующего приближенного выраже­ния для коэффициента мощности при регулировании скорости:

При регулировании скорости с одинаковым временем работы двигателя на каждой скорости при М_с = const зависимость средне­взвешенного циклового коэффициента мощности cos ф_св от диапа­зона регулирования D показана на рис. 8.4, б.

Повышение коэффициента мощности и уменьшение несинусои­дальности напряжения сети при работе системы УВ - ДПТ может быть достигнуто несколькими способами:

за счет применения фильтрокомпенсирующих и фильтросиммет-рирующих устройств, обеспечивающих одновременно компенсацию реактивной мощности, фильтрацию высших гармоник и уменьше­ние отклонений напряжения по фазам. Эти устройства целесооб­разно размещать в узле подключения ЭП к электрической сети. Состоят они из управляемого компенсатора, обеспечивающего ре­гулирование реактивной мощности и выполняемого обычно на ос­нове специального тиристорного преобразователя, и энергетичес кого фильтра, который служит для фильтрации высших гармоник тока ЭП, а также компенсации реактивной мощности. Энергети­ческие фильтры представляют собой последовательные индуктив­но-емкостные резонансные цепи, настроенные на частоты высших гармоник вентильных ЭП (нагрузок). Число параллельно включен­ных резонансных цепей фильтров должно быть таким, чтобы коэф­фициент несинусоидальности напряжения был не более 5%. Для каждой высшей гармоники используется свой фильтр;

путем использования традиционных компенсирующих уст­ройств, к числу которых относятся синхронные двигатели и ком­пенсаторы, батареи конденсаторов, а также тиристорные источ­ники реактивной мощности. Синхронные двигатели являются эф­фективным и удобным средством компенсации реактивной мощ­ности в системе электроснабжения. Выполняя свою основную функцию приводного электродвигателя, СД одновременно мо­гут генерировать в сеть реактивную мощность, т.е. работать с опережающим cos ф, что обеспечивается соответствующим регу­лированием их тока возбуждения (см. разд. 6.4). Синхронные ком­пенсаторы представляют собой СД, работающие без нагрузки. Их основная функция состоит только в регулировании реактив­ной мощности в системе электроснабжения. Конденсаторы по своему действию эквивалентны перевозбужденным СД, по срав­нению с другими источниками реактивной мощности они имеют такие преимущества, как малые потери этой мощности, просто­та монтажа и эксплуатации. К их недостаткам следует отнести зависимость генерируемой мощности от напряжения, недостаточ­ную стойкость при перегрузках по току и напряжению, а также ухудшение их работы в сетях с повышенным содержанием выс­ших гармоник. Тиристорные источники реактивной мощности строятся с использованием преобразователей, имеющих искус­ственную коммутацию вентилей. Такой преобразователь имеет на стороне выпрямленного тока реактор (индуктивный накопи­тель энергии) или батарею конденсаторов (емкостный накопи­тель энергии). Сочетание преобразователя с реактивным элемен­том позволяет создать устройство для регулирования реактив­ной мощности в системе энергоснабжения;

путем использования специальных законов управления У В и спо­собов коммутации их вентилей, к числу которых относятся пооче­редное и несимметричное управление преобразователями, а также искусственная коммутация вентилей преобразователей. Сущность этих способов рассмотрена в Г121.

-