Повышение коэффициента мощности в электрической цепи

Активная мощность потребителя определена формулой

P = U I cos φ.

Величину cos φ здесь называют коэффициентом мощности. Ток в линии питающей потребителя с заданной мощностью Р равен

I = P / (U cos φ).

и будет тем больше, чем меньше cos φ. При этом возрастают потери в питающей линии. Для их снижения желательно увеличивать cos φ. Большинство потребителей имеет активно-индуктивную нагрузку. Увеличение cos φ возможно путем компенсации индуктивной составляющей тока путем подключения параллельно нагрузке конденсатора:

Расчет емкости дополнительного конденсатора для обеспечения заданного cos φ проводится следующим образом. Пусть известны параметры нагрузки P_н, U и I_н. Можно определить cosφ_н

cos φ_н = P / (U I_н).

Подключение емкости не изменяет а ктивную составляющую нагрузки

I_на = I_н cos φ_н = P_н / U

Реактивная составляющая нагрузки I_нр может быть выражена через tg φ_н

I_нр = I_на tg φ_н.

При подключении емкости величина I_нр уменьшается на величину I_C.

Если задано, что коэффициент мощности в питающей линии должен быть равен cos φ, то можно определить величину реактивной составляющей тока в линии

I_р = I_а tg φ.

Уменьшение реактивной составляющей нагрузки с I_нр до I_р определяет величину тока компенсирующей емкости

I_C = I_нр - I_р = I_а (tg φ_н - tg φ).

Для емкости конденсатора имеем

C = P_н / ωU² · (tg φ_н - tg φ).

Для больших значений P_н величина емкости C может оказаться слишком большой, что технически трудно реализовать. В этом случае используют синхронные компенсирующие машины.

Компенсирующие устройства реактивной мощности

Батареи конденсаторов (БК) — это специальные емкостные КУ, предназначенные для выработки реактивной мощности. В настоящее время выпускаются комплектные конденсаторные установки (ККУ) серии УК-0,38 напряжением 380 В мощностью 110...900 кварисери и УК-6/10 мощностью 450... 1800 квар. В системах электроснабжения предприятий используются синхронные машины всех видов. Наиболее широкое применение находят синхронные двигатели (СД), которые используются в приводах производственных машин и механизмов, не требующих регулирования частоты вращения.

Синхронные генераторы (СГ) обладают, как и СД, плавным и автоматическим регулированием генерируемой реактивной мощности в функции напряжения сети. В отличие от СД передача реактивной мощности от СГ может осуществляться на значительное расстояние (даже от СГ собственных электростанций предприятий). Поэтому использование генераторов в качестве источников реактивной мощности ограничивается технико-экономическими условиями режима энергосистемы.

Синхронные компенсаторы (СК) представляют собой синхронные электрические машины, работающие в режиме двигателя без нагрузки на валу. Они предназначены специально для выработки реактивной мощности. Удельная стоимость вырабатываемой мощности, руб./квар, и удельные потери, кВт/Мвар, для СК значительно больше, чем для СД, так как удельные стоимость и потери целиком приходятся на реактивную мощность; кроме того, добавляются расходы на эксплуатацию СК. При большом дефиците реактивной мощности в точке подключения потребителей, когда требуется плавное и быстродействующее средство регулирования напряжения, оказывается выгодным ввод СК.

К недостаткам СК относятся: повышенные потери активной мощности; большие масса и вибрация, из-за чего синхронные компенсаторы необходимо устанавливать на массивных фундаментах;

необходимость применения водородного или воздушного охлаждения с водяными охладителями;

необходимость постоянного дежурства эксплуатационного персонала на подстанциях с синхронными компенсаторами;

невозможность (в отличие от БК) наращивания мощности в процессе роста нагрузок.