3.4. Методичні вказівки до виконання роботи

3.4.1. Під час вивчення теоретичних положень звернути увагу на характер замикання однієї фази на землю, струм замикання та КЗ зале­жно від режиму нейтралі; причини і наслідки утворення перенапруг у мережі; вплив на безпеку експлуатації електроустановок, надійність, безперервність та економічність електропостачання.

3.4.2. Під час вивчення схеми стенда звернути увагу на положення тумблерів та з'єднань у схемі згідно з обраним режимом нейтралі сис­теми та заданих значень ємностей фаз відносно землі. Тумблери S1, S2 та S12 вмикають тільки на короткий час вимірювання параметрів, рівні напруг у схемі досягають 250 В, а струмів – 5 А, за винятком однофаз­ного КЗ у системі з глухозаземленою нейтраллю, коли його значення понад 100А. Для обмеження струму КЗ треба послідовно ввімкнути ре­зистор R=30...50 Ом.

3.4.3. Під час дослідження систем за пп.3.3.3.-3.3.6 автомат жив­лення стенда вмикати після того, як вимірювальні прилади установлені на граничні значення.

Результати вимірювань звести до таблиці:

Режим нейтралі	Режим роботи СЕП	Ємність на фазу, мкФ	Напруга, В	Струм, А	R0, Ом
		С1, С2, С3	UA/UAB UB/UBC UC/UCA	ІА, ІВ, ІС, ІЗ
Ізольована нейтраль	Нормальний
	Замикання фази С
Глухозаземлена нейтраль	Нормальний
	Замикання фази С

3.5. Контрольні запитання

1. Яка різниця між однофазним замиканням на землю в системах з ізольованою та глухозаземленою нейтралями?

2. Дайте визначення існуючих режимів роботи нейтралі трансфор­маторів та електричних мереж.

3. Сформулюйте області застосування існуючих режимів роботи нейтралі в електричних мережах до 1 кВ і вище.

4. В яких мережах та за яких умов виникають небезпечні перенап­руги?

5. За яких умов необхідно застосовувати в мережах компенсовану нейтраль?

6. Які недоліки та переваги системи з глухозаземленшо нейтраллю?

Лабораторна робота №4

Дослідження компенсації реактивної потужності

асинхронних електродвигунів

Мета роботи: усвідомити поняття реактивної потужності ознайомитися із заходами зниження її споживання; дослідити споживання активної потужності асинхронним електродвигуном в залежності навантаження; дослідити спосіб компенсації реактивної і асинхронного двигуна за допомогою конденсаторної батареї.

4.1. Загальні теоретичні відомості

Загальним показником виробництва, передачі та споживання електричної енергії є потужність. Миттєве значення потужності визначається добутком миттєвих значень напруги і струму, тобто р=ui таким чином, якщо електроприймач (ЕП) живиться від джерела синусоїдальної напруги, величина якої u= Usinωt і споживає синусоїдальний струм і= Usin(ωt-φ) зі зсувом по фазі відносно напруги то миттєве Значення потужності буде мати вигляд:

р = 2UI sinωtsin(ωt-φ) = UI cosφ - UI cos(2ωt-φ) (4.1)

Вираз (4.1) показує, що перша складова не залежить від часу, а друга – пульсує з подвійною частотою. Отже, середнє значення потужності за період часу Т визначиться першою складовою, оскільки дорівнює нулю:

(4.2)

Добуток UIсоsφ прийнято називати активною потужністю, оскыльки вона характеризує енергію, яка виділяється за одиницю створення корисної роботи, наприклад теплової у споживача таким опором R:

Р=Uiсоsφ=І²R (4.3)

Щодо до другої складової рівняння (4.2), середнє значення потужності якої дорівнює нулю, то це свідчить про те, що не виконується корисна робота, а наявність її показує, що між джерелом і споживачем має місце обміну енергією. А це можливо лише тоді, коли в колі змінного струму є "реактивні" елементи, такі як індуктивність або ємність котрі спроможні накопичувати та віддавати електромагнітну енергію. В електроприймачах з індуктивним характером навантаження (асинхронні двигуни, трансформатори, тощо) цей процес пов'язаний з намаг­нічуванням сталі та розсіюванням магнітних потоків. Вважається, якщо струм відстає від напруги, а це саме в індуктивних елементах, то реак­тивна потужність споживається з мережі і приймається зі знаком "плюс". Коли ж навантаження носить ємнісний характер (конденсатор­ні батареї), то реактивна енергія вважається такою, яка віддається (ге­нерується) в мережу і приймається зі знаком "мінус".

Повна потужність в комплексній формі може бути записана у ви­гляді:

(ВA) (4.4)

де – комплекс напруги; - спряжений комплекс струму .

Повна потужність для трифазних споживачів:

, (ВА) /4.5/

де U – напруга, В; І – струм, А; Р – реактивна потужність, , Вт; Q – реактивна потужність, , вар; cosφ – коефіцієнт потужності, .

Коефіцієнт потужності cosφ до недавнього часу був головним нор­мативним показником споживання реактивної потужності. Оскільки відношення P/S не дає без обчислення чіткого уявлення про величину реактивної потужності, то в якості нормативного показника було при­йнято коефіцієнт реактивної потужності:

(4.6)

Головними споживачами реактивної потужності на промислових підприємствах є асинхронні електродвигуни (60 - 65%), трансформато­ри (20 - 25%), люмінесцентні лампи, тиристорні перетворювачі та інші ЕП(10%).

Реактивна потужність, не виконуючі корисної роботи, в певній мірі її зростання стає недоцільною як з економічної, так і з технічної точки зору з таких міркувань:

а) оскільки є споживачі реактивної енергії, то виникає і необхід­ність її виробництва на електростанціях, а це викликає додаткові ви­трати;

б) завантаження реактивною потужністю лінії електропередач (ЛЕП) і трансформаторів зменшує їх пропускну можливість і потребує збільшення перерізу провідників ЛЕП, підвищення номінальної потуж­ності, або кількості трансформаторі підстанцій;

в) передача реактивної потужності викликає додаткові втрати акти­вної потужності в усіх елементах системи електропостачання зумовленої завантаженням їх реактивною потужністю:

(4.7)

де – додаткові в втрати активної потужності, які зумовлені передачею реактивної потужності;

г) передача реактивної потужності зумовлює додаткові втрати напруги в мережі окрім природної втрати напруги , при передачі активної потужності;

(4.8)

де R, X – відповідно активний та реактивний опір ЛЕП, Ом.

Враховуючи наведені вище зауваження, постає практичне питання обмеження споживання реактивної потужності. Рішення цієї задачі, як правило, досягається природним або ж штучним шляхом

Природний шлях знижений споживання реактивної потужності полягає: в удосконаленні технологічних режимів роботи ЕП; у використанні електродвигунів більш бездоганних конструкцій та більш повно­го їх завантаження; в заміні недовантажених двигунів двигунами мен­шої потужності. Усунення недовантаження двигуна дає вагомий ре­зультат в рішенні поставленої задачі Це пояснюється тим, що реактив­на потужність, яка споживається асинхронним двигуном, залежить від коефіцієнта навантаження двигуна. Відомо, що приріст споживання реактивної потужності в режимі 100%-го навантаження по відношенню до споживання її в режимі холостого ходу складає:

(4.9)

Для поточного значення навантаження асинхронного двигуна (Р<Р_ном) приріст реактивної потужності, у порівнянні і холостим хо­дом, пропорційний квадрату коефіцієнта навантаження двигуна

(4.10)

Таким чином, реактивна потужність яка споживається двигуном, з будь-яким навантаженням залежить від коефіцієнта навантаження в квадраті, а саме

(4.11)

Враховуючи (4.11) коефіцієнт потужності асинхронного двигуна і коефіцієнтом навантаження К№ визначається за формулою:

(4.12)

Формула (4.12) свідчить, що коефіцієнт потужності двигуна змен­шується зі зниженням його навантаження. Отже, заміна мало наванта­жених двигунів двигунами меншої потужності сприяє підвищенню ко­ефіцієнта потужності в цілому, а відтак і зменшенню споживання реактивної потужності. Як правило ефективність заміни досягається при коефіцієнті навантаження менше як 0,45Р_ном електродвигуна.

Після цього, коли всі природні заходи по зниженню споживання ре­активної потужності вичерпані використовуються штучні методи. До них належить компенсація споживаної реактивної потужності шляхом вмикання в мережу джерел реактивної потужності, наприклад конден­саторних (косинусних) батарей. Для цього паралельно з асинхронним двигуном в мережу вмикається конденсаторна батарея, яка генерує (віддає) в мережу реактивну потужність. Оскільки реактивна потуж­ність КБ протилежна за знаком, відбувається компенсація реактивної потужності двигуна, що видно з векторної діаграми (рис 4.1).

Векторна діаграма потужності асинхронного двигуна без компенса­ції (Р_АД, Q_АД, S_АД, φ) та після компенсації (Q_АД, S_АД, φ, Q_KБ), де Q_KБ – реактивна потужність КБ.

Величина реактивної потужності компенсуючих установок (КБ, СК, СД – синхронні компенсатори та двигуни) в цілому по ГПП визнача­ється різницею між розрахунковою Q_P та величиною Q_ЕС, яку задає енергосистема, тобто:

Q_KУ = Q_Р - Q_EC (квар) (4.13)

Вираз (4.13) адекватно відповідає виразу Q_KУ =P_P(tgφ_р – tgφ_ЕС) (квар), де tgφ_р і tgφ_ЕС – величини, відповідні розрахунковому коефіцієнту cosφ_р та коефіцієнту потужності cosφ_ЕС, який фактично визначає для підприємства реактивну потужність компенсаційної уста­новки Q_EC.

У лабораторній роботі досліджуються способи зниження спожи­вання реактивної потужності шляхом збільшення завантаження асинх­ронного двигуна та ввімкнення паралельно АД батареї статичних конденсаторів БК, тобто за допомогою поперечної компенсації.

Переваги статичних конденсаторів перед синхронними компенса­торами такі: незначні втрати активної потужності; високий рівень на­дійності; відносно невелика маса та простота експлуатації. Завдяки цьому статичні конденсатори найширше використовуються у мережах промислових та гірничих підприємств, за винятком підземних виробок шахт, де існують вибухонебезпечні умови.