Библиотека

Полная (кажущаяся) мощность, вырабатываемая синхронными генераторами, условно делится на составляющие: активную и реактивную. Активная составляющая мощности полезно используется, превращаясь в механическую, химическую, световую и т. д. энергию. Реактивная составляющая мощности не выполняет полезной работы, она служит лишь для создания магнитных полей в индуктивных приемниках (например, электродвигатели, трансформаторы и т. п.), циркулируя все время между источником и приемником. Она может рассматриваться как характеристика скорости обмена энергии между генератором и магнитным полем приемника электроэнергии.

Отсюда следует, что традиционный термин «потребители реактивной мощности», широко используемый как электротехническим персоналом в повседневной практике, так и в технической литературе, является условным, не отражающим физической сущности реактивной мощности. Тем более неправильно понятие «реактивная энергия». Более точным будет «индукционные приемники электроэнергии» или в ряде случаев «реактивные нагрузки».

Коэффициент мощности указывается на щитке синхронного генератора. Он показывает, какую часть от полной мощности, вырабатываемой генератором, составляет активная мощность. Влияние коэффициента мощности на работу электроустановок очень велико. Так, например, генератор с номинальной мощностью 1250кВА при номинальном коэффициенте мощности cosφ=0,8 может отдать потребителю активную мощность, равную 1250×0,8 = 1000 кВт. Мощность первичного двигателя при непосредственном сочленении с генератором составит также 1000кВт. Предположим, что этот генератор работает с той же номинальной мощностью, но с cosφ=0,6. В этом случае он отдает в сеть 1250×0,6=750 кВт, т. е. недоиспользуется по активной мощности на 25%. То же и в отношении первичного двигателя генератора (паровая или гидравлическая турбина), который в этом случае также недоиспользуется на 25%.

Эксплуатационные показатели работы электростанции - расход топлива, воды, пара, смазочных и других вспомогательных материалов на один выработанный кВтч - при снижении cosφ также заметно снижаются, уменьшается выработка активной энергии.

Уменьшение cosφ при той же вырабатываемой генератором активной мощности (при неизменной активной нагрузке у потребителя) ведет к увеличению полной мощности генератора. В нашем примере при снижении cosφ с 0,8 до 0,6 потребуется генератор мощностью 1000/0,6=1700кВА вместо 1250кВА, т. е. увеличение полной мощности на 27%.

У трансформаторов при уменьшении cosφ уменьшается пропускная способность по активной мощности вследствие увеличения реактивной нагрузки. Для передачи потребителям 1000кВт активной мощности при cosφ=0,8 требуется трансформатор мощностью 1250кВА. При снижении cosφ до 0,6 для передачи той же активной нагрузки потребуется трансформатор мощностью 1700кВА. Увеличение полной мощности при снижении cosφ приводит к возрастанию тока и, следовательно, потерям мощности, которые пропорциональны квадрату тока. Увеличение тока требует повышения сечения линии электропередачи, а следовательно, веса проводов и кабеля. Увеличение тока при снижении cosφ ведет к увеличению потери напряжения во всех звеньях энергосистемы, что вызывает понижение напряжения у потребителей электрической энергии.

На промышленных предприятиях понижение напряжения нарушает нормальную работу электроприемников. Снижается частота вращения электродвигателей, что приводит к снижению производительности рабочих машин и ухудшению качества продукции. Уменьшается производительность электрических печей, ухудшается качество сварки, снижается световой поток ламп, уменьшается пропускная способность заводских электрических сетей.

Рассмотренные случаи влияния низкого коэффициента мощности на работу электроустановок показывают, что снижение cosφ отрицательно сказывается на всех звеньях энергосистемы, в том числе и на работе промышленного предприятия. Поэтому вопросы повышения коэффициента мощности имеют большое значение.

Решение задач, связанных с наличием в системе электропотребления реактивных нагрузок, идет по пути компенсации реактивной мощности. Это обусловлено проведением двух взаимно дополняющих групп мероприятий: снижением потребления реактивной мощности электроприемниками и установкой непосредственно у потребителей и в узлах сетей специальных источников реактивной мощности - компенсирующих устройств.

Для снижения потребления реактивной мощности при эксплуатации электроустановок рекомендуются следующие мероприятия:

• упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования и к снижению расчетного максимума реактивной нагрузки;
• сокращение холостой работы асинхронных электродвигателей, сварочных трансформаторов и других электроприемников путем внедрения ограничителей холостого хода;
• замена или отключение трансформаторов, загруженных менее чем на 30% их номинальной мощности, если это допускается по условиям режима работы сети электроприемников;
• замена по возможности загруженных менее чем на 60% асинхронных электродвигателей электродвигателями меньшей мощности при условии технико-экономического обоснования;
• замена асинхронных электродвигателей синхронными, допустимая по условиям работы электропривода, если асинхронные электродвигатели подлежат демонтажу вследствие износа, изменения технологического процесса или возможности использования в других установках, не нуждающихся в искусственной компенсации реактивных нагрузок, а также в других случаях, если замена обоснована технико-экономическими расчетами;
• понижение напряжения у малозагруженных асинхронных электродвигателей путем переключения статорной обмотки с треугольника на звезду, секционирования статорных обмоток; понижение напряжения в сетях, питающих асинхронные электродвигатели, путем переключения ответвлений цехового трансформатора;
• повышение качества ремонта электродвигателей (недопустимы обточка ротора, уменьшение числа проводников в пазу, расточка пазов, выжигание обмотки).

Для преобразовательных установок снижение реактивной мощности может быть достигнуто уменьшением угла открывания вентилей и пределов его регулирования, несимметричным управлением вентилями, применением схем с искусственной коммутацией.

Мероприятия по снижению потребления реактивной мощности электроприемниками, проводимые на предприятиях, снижают суммарную реактивную нагрузку обычно не более чем на 10%. Поэтому основная роль отводится компенсирующим устройствам.

Компенсирующими установками являются: косинусные конденсаторы, синхронные электродвигатели, синхронные компенсаторы, компенсационные преобразователи. Преимущественное применение на промышленных предприятиях получили косинусные конденсаторы и синхронные электродвигатели.

Где необходима компенсация реактивной мощности?

Широкое применение потребителей энергии с резкопеременной нагрузкой и несинусоидальным током сопровождается значительным потреблением электрической мощности и искажением питающего напряжения. Это приводит к росту потерь электроэнергии за счет низкого cosφ и нарушению нормального функционирования потребления электроэнергии.

Применение установок компенсации реактивной мощности необходимо на предприятиях, использующих:

• Асинхронные двигатели (cosφ=0,7)
• Асинхронные двигатели, при неполной загрузке (cosφ=0,5)
• Выпрямительные электролизные установки (cosφ=0,6)
• Электродуговые печи (cosφ=0,6)
• Водяные насосы (cosφ=0,8)
• Компрессоры (cosφ=0,7)
• Машины, станки (cosφ=0,5)
• Сварочные трансформаторы (cosφ=0,4)

Применение установок компенсации реактивной мощности эффективно в производствах:

• Пивоваренный завод (cosφ=0,6)
• Цементный завод (cosφ=0,7)
• Деревообрабатывающее предприятие (cosφ=0,6)
• Горный разрез (cosφ=0,6)
• Сталелитейный завод (cosφ=0,6)
• Табачная фабрика (cosφ=0,8)
• Порты (cosφ=0,5)

По месту подключения различают следующие схемы компенсации:

• общая - на вводе цеха или предприятия;
• групповая - на линии питания группы однотипных потребителей;
• индивидуальная - в непосредственной близости к потребителю.

По типу регуляторов компенсирующие установки делятся на:

• обычные (релейные) - в которых коммутация конденсаторов производится с помощью электромеханических реле;
• статические (тиристорные) - в которых применяются тиристорные ключи.

В статических установках коммутация конденсаторов происходит в момент нулевого напряжения, вследствие чего они приобретают по сравнению с обычными следующие преимущества:

• высокое быстродействие - до 14 коммутаций в секунду вместо одного в 5…20 секунд;
• малый уровень помех вследствие отсутствия бросков тока в момент коммутации;
• малый износ конденсаторов по той же причине;
• высокая надежность ключевой аппаратуры вследствие отсутствия механических частей;
• пониженные потери вследствие отсутствия разрядных резисторов.

Емкостные компенсаторы реактивной мощности критичны к гармоническим искажениям напряжения. При их применении уровень гармоник может возрасти благодаря явлению резонанса. Кроме того, гармоники дают дополнительную нагрузку на конденсаторы, что может вывести их из строя. Современные установки имеют защиту, отключающую конденсаторы при превышении установленного порога гармоник. Для заведомо "грязных" сетей применяются так называемые фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) со встроенными фильтрами высших гармоник.

При выборе установки определяют следующие характеристики:

• тип установки - обычный или статический;
• мощность - максимальная реактивная мощность, которая может быть скомпенсирована;
• шаг (ступень) компенсации - минимальная величина приращения, на которую изменяется емкость включенных конденсаторов;
• необходимость фильтрации гармоник;
• номинал трансформатора тока для подключения регулятора.