Компенсація реактивної потужності

Асинхронні електродвигуни, флуоресцентні лампи, індукційні печі, силові, зварювальні і інші спеціальні трансформатори, зварювальні автомати для дугового зварювання на змінному струмі або зварювання контактним опором, котушки контакторів і реле, лінії електропередач споживають разом з активною і реактивну потужність. Реактивна потужність затрачається на створення змінних електромагнітних полів. Як відомо, чим більша реактивна потужність при постійній активній, тим нижче коефіцієнт потужності.

При зниженні коефіцієнта потужності споживачів (при незмінній активній потужності) внаслідок зростання реактивного струму збільшуються втрати електроенергії в мережах, трансформаторах і генераторах. При значному зниженні значення коефіцієнта потужності трансформатори та генератори виявляються настільки завантаженими реактивними струмами, що подальше отримання від них активної потужності стає нереальним. Крім того, при зниженні коефіцієнта потужності збільшуються і втрати напруги в мережах і практично всі показники якості електроенергії за напругою залежать від обсягів споживання реактивної потужності промисловими установками.

Реактивна потужність визначається при синусоїдальній напрузі мережі живлення наступним чином:

- у випадку однофазних навантажень: , де - коефіцієнт реактивної потужності, - активна потужність навантаження, а - коефіцієнт потужності.

- у випадку трьохфазних навантажень:

Рівень компенсованої реактивної потужності визначається як різниця реактивних потужностей навантаження підприємства , та потужності, що надається підприємством енергосистемою :

Потреби в реактивній потужності зазвичай перевищують можливості її покриття генераторами на електростанціях, оскільки більша частина промислових навантажень – це споживачі реактивної потужності.

Таким чином компенсація реактивної потужності є важливою складовою частиною комплексу організаційно-технічних заходів з регулювання режимів електроспоживання і обмеження максимумів навантаження на промислових підприємствах.

Основними споживачами реактивної потужності на промислових підприємствах є:

- асинхронні двигуни - 45-65%.

- електропечі - 8%.

- напівпровідникові перетворювачі та повітряні електричні лінії – 10%.

- трансформатори всіх ступенів трансформації – 20-25%.

Сучасні асинхронні двигуни споживають реактивний струм, що складає біля 20-40% від номінального струму. Асинхронні електродвигуниспоживають, при номінальному навантаженні, реактивну потужність, що визначається за формулою: , де: , -відповідно номінальна потужність (кВт) і ККД двигуна; -тангенс, відповідаючий номінальному значенню двигуна. Реактивна потужність, що споживається з мережі при холостому ході (кВар), визначається за формулою: , де: -струм холостого ходу двигуна, А; -напруга на зажимах двигуна, кВ. Для двигунів з = 0,91-0,93 реактивна потужність холостого ходу складає біля 60% реактивної потужності при номінальному завантаженні двигуна. Для двигунів з = 0,77-0,8 реактивна потужність холостого ходу складає біля 70%.

При завантаженнях асинхронного електродвигуна, менше номінального, приріст споживання реактивної потужності в порівнянні з холостим ходом пропорційний квадрату коефіцієнта завантаження двигуна, тоді, реактивна потужність при довільному навантаженні: , де: - коефіцієнт завантаження двигуна. Звідси слідує висновок, що заміна не завантажених двигунів на двигуни меншої потужності буде сприяти зниженню споживання реактивної потужності. Досвід вказує, що якщо середнє навантаження асинхронних двигунів по потужності не перевищує 45% номінальної потужності, то їх слід замінити електродвигунами меншої потужності. Якщо навантаження становить 45-70%, то необхідно провести техніко-економічну перевірку доцільності заміни двигуна на двигун меншої потужності.

В ряді випадків ефективним засобом із зниження споживання реактивної потужності є переключення обмоток недовантаженого асинхронного двигуна з трикутника на зірку. Оскільки при цьому пусковий і обертовий момент зменшуються в 3 рази. Переключення можна виконувати при низькому навантаженні – до 35% номінальної потужності. Переключення завантажених на 25% електродвигунів приводить до наближення їх коефіцієнта потужності до номінального.

Одним з ефективних заходів по зниженню споживання реактивної потужності асинхронними електродвигунами є використання обмежувачів холостого ходу станків. Обмежувач холостого ходу автоматично відключає магнітний пускач двигуна на між операційний час.

Сучасні асинхронні електродвигуни проектуються з мінімально можливим повітряним зазором між статором і ротором. Це зменшує опір шляху магнітного потоку і споживання реактивної потужності. Магнітним опором повітряного зазору обумовлено 70-80% реактивної потужності, що споживаються асинхронним двигуном на холостому ходу.

При експлуатації електродвигуна, відбувається нерівномірне зношення підшипників, що викликає асиметрію магнітного поля двигуна і погіршення ККД на 1,4-3,7%, а також погіршення коефіцієнта потужності на 0,01-0,025 в порівнянні з паспортними даними. При появі значного осьового зрушення ротора також збільшується споживання реактивної потужності двигуном. Різке погіршення коефіцієнта потужності відбувається також при проточці ротора, замість заміни зношених підшипників при ремонтів, оскільки при цьому збільшується повітряний зазор.

Трапляються випадки коли згорівшу обмотку статора асинхронного двигуна міняють проводами з меншим поперечним розрізом. Або з меншим числом витків, ніж це необхідно за технологією. В той же час зменшення числа витків на 10% зменшує магнітний потік на 10% і підвищує індукцію в сталі. Реактивна потужність і струм холостого ходу двигуна збільшується приблизно на 25%, коефіцієнт потужності погіршується на 0,05-0,06. Погіршується і ККД двигуна внаслідок збільшення активних втрат в сталі.

Сучасні досягнення напівпровідникової техніки дозволяють конструювати такі перетворювачі (компенсаційні) що вони можуть підтримувати максимальний коефіцієнт потужності електроприводу і навіть генерувати реактивну потужність. Такі перетворювачі необхідно використовувати в першу чергу.

Трансформатори є другою найбільш крупною групою електроприймачів по споживанню реактивної потужності.

При холостому ході, коли виводи вторинної обмотки розімкнені, в первинній обмотці протікає струм холостого ходу з діючим значенням . Повна потужність для однофазного трансформатора . Її реактивна складова витрачається на перемагнічування сталі магнітопровода, а активна складова покриває втрати при холостому ході трансформатора. Коефіцієнт потужності при холостому ході трансформатора .

Слабо завантажені трансформатори, як і асинхронні двигуни, мають низький коефіцієнт потужності. Тому важливо правильно вибирати потужності трансформаторів при проектуванні, а також здійснювати перегрупування і заміну не завантажених трансформаторів в процесі експлуатації. Заміна трансформаторів на менш потужні признано доцільним у випадку, якщо вони завантажені менше ніж на 30%. Необхідно також слідкувати, щоб у вихідні та неробочі часи трансформатори відключались.

З метою раціоналізації роботи трансформаторів стосовно режимів споживання реактивної потужності також можна переводити навантаження тимчасово завантажених менш ніж на 30% на інші трансформатори; відключення їх при роботі на холостому ходу.

Заходи з підвищення коефіцієнта потужності в електроустановках можна розділити на дві групи: перша – при яких не потрібна установка компенсуючих пристроїв, і друга – при яких потребується компенсуючих пристроїв. Компенсація реактивної потужності у споживачів дозволяє:

- знизити струм в передаючих елементах мережі, що призводить до зменшення поперечного розрізу проводів.

- зменшення повної потужності, що знижує потужність трансформаторів і їх число.

- зменшення втрат активної потужності, а відповідно, і потужності генераторів на електростанціях.

Сутність будь-яких заходів із зниження споживання реактивної потужності заключається в обмеженні впливу електроприймача на мережу живлення шляхом впливу на сам електроприймач.