3 Методы повышения коэффициента мощности
Повышение коэффициента мощности нагрузки требует блока конденсаторов, служащего в качестве источника реактивной энергии. Устройство обеспечивает компенсацию реактивной энергии
Рис. K : Диаграмма, показывающая принцип компенсации Qc = P(tg ф - tg ф')
3.1 Теоретические принципы
Индуктивная нагрузка, имеющая низкий коэффициент мощности, требует от генераторов и систем передачи/распределения пропускать реактивный ток (с отставанием от напряжения системы на 90 градусов) с сопутствующим потерями мощности и повышенными падениями напряжениями, как указывается в п.1.1. Если блок шунтирующих конденсаторов добавить к нагрузке, его (емкостной) реактивный ток будет проходить по тому же пути через энергосистему, как и реактивный ток нагрузки. Поскольку (как указывается в п.1.1) такой емкостный ток Ic (который опережает напряжение системы на 90 градусов) прямо противофазен реактивному току нагрузки (IL), две составляющие, протекающие по одному пути, будут компенсировать друг друга. При этом, если блок конденсаторов достаточно большой и Ic = IL, не будет реактивного тока в системе перед конденсаторами.
Это указывается на Рис. K8 (a) и (b), который показывает только реактивные составляющие тока.
На этом рисунке:
R - элементы, потребляющие активную мощность нагрузки L - элементы, потребляющие реактивную (индуктивную) мощность нагрузки C - элементы, потребляющие реактивную (емкостную) мощность нагрузки устройств повышения коэффициента мощности (т.е., конденсаторов).
Как видно из диаграммы (b) Рис. K9, блок конденсаторов C подает весь реактивный ток нагрузки. По этой причине конденсаторы иногда называются «генераторами реактивной мощности - VAR».
На диаграмме (с) Рис. K9 добавлена активная ваттная составляющая тока и показано, что нагрузка (при полной компенсации) представляется энергосистеме как имеющая коэффициент мощности 1.
Как правило, полная компенсация нагрузки не является экономически целесообразной. На Рис. K9 используется диаграмма мощности, обсуждаемая в п.1.3 (см. Рис. K3), для демонстрации принципа компенсации путем снижения большой реактивной мощности Q до меньшего значения Q' посредством блока конденсаторов, имеющего реактивную мощность Qc. При этом величина полной мощности S снижается до S'.
Пример:
Двигатель потребляет 100 кВт при коэффициенте мощности 0,75 (т.е., tg ф = 0,88). Для повышения коэффициента мощности до 0,93 (т.е., tg ф = 0,4), реактивная мощность блока конденсаторов должна составлять: Qc = 100 (0,88 - 0,4) = 48 квар. Выбор уровня компенсации и расчет номинальных параметров блока конденсаторов зависит от конкретной нагрузки. Факторы, подлежащие учету, разъясняются в разделе 5 для общего случая и в разделах 6 и 7 для трансформаторов и двигателей.
Примечание: Перед тем, как реализовать проект компенсации, следует учесть ряд мер предосторожности. В частности, следует избегать увеличения номинальных значений мощности двигателей, также как и работы двигателей в режиме холостого хода. В последнем случае получаемая реактивная энергия, потребляемая двигателем, приводит к крайне низкому коэффициенту мощности (-0,17); это вызвано крайне малой активной мощностью кВт, потребляемой двигателем (в ненагруженном состоянии).
3.2 Выбор оборудования
Компенсация на низком напряжении
При низком напряжении компенсация обеспечивается посредством:
Нерегулируемого конденсатора
Устройства автоматического регулирования или батареи, допускающие непрерывное регулирование при изменении нагрузки
a) Проходят только реактивные составляющие тока
Рис. K : Особенности компенсации коэффициента мощности
Примечание: Если установленная реактивная мощность компенсации превышает 800 квар и нагрузка является постоянной и устойчивой, как правило, экономически выгодно устанавливать блоки конденсаторов на высоком напряжении.
Компенсация может осуществляться постоянной емкостью при благоприятных условиях
Постоянные (нерегулируемые) конденсаторы (см. Рис. К10)
В данной схеме используется один или более конденсаторов для обеспечения постоянного уровня компенсации. Управление может быть:
Ручным: посредством выключателя или выключателя нагрузки
Полуавтоматическим: посредством контактора
Прямое подключение к нагрузке и коммутация вместе с ней Такие конденсаторы применяются:
На зажимах индуктивных устройств (двигатели и трансформаторы)
На сборных шинах, питающих ряд небольших двигателей, и индуктивное оборудование, для которого отдельная компенсация стоит слишком дорого.
В случаях, где уровень нагрузки достаточно постоянен
K8
Рис. К11: Пример конденсаторов постоянного уровня компенсации
Как правило, компенсация осуществляется с помощью автоматически регулируемым ступенчатым блоком конденсаторов
Автоматические блоки конденсаторов (см. Рис. К11)
Этот тип оборудования обеспечивает автоматическое управление компенсацией коэффициента мощности и поддержание выбранного уровня коэффициента мощности в узких пределах. Такое оборудование применяется на нагрузках с относительно высокими уровнями изменения активной и/или реактивной мощности, например:
На сборных шинах главного распределительного щита
Рис. К1 : Пример оборудования автоматического регулирования компенсации
На зажимах высоконагруженного кабеля
Автоматическое регулирование блоков конденсаторов дает возможность мгновенной адаптации уровня компенсации к уровню нагрузки
Принципы и причины применения автоматической компенсации
Блок конденсаторов разделяется на ряд секций, каждая из которых управляется контактором. Включение контактора включает его секцию параллельно с другими уже работающими секциями. Поэтому, емкость блока (батареи) может увеличиваться или уменьшаться ступенчато путем включения и выключения контакторов управления.
Управляющее реле контролирует коэффициент мощности управляемых цепей и служит для включения или выключения соответствующих контакторов для поддержания достаточно постоянного коэффициента мощности системы (в пределах допуска, задаваемого величиной каждой батареи компенсации). Трансформатор тока для контрольного реле должен находиться на одной фазе входного кабеля, питающего контролируемые цепи (см. Рис. К12). Блок конденсаторов Thyrimat (см. Рис. К12) является устройством автоматической компенсации коэффициента мощности, включающим статические контакторы (тиристоры) вместо стандартных контакторов.
Статическая компенсация особенно пригодна для определенных нагрузок, включающих оборудование с быстрым циклом и/или высокой чувствительностью к возмущением, возникающим при переходных процессах. Преимущества статических контакторов:
Мгновенная реакция на любое изменение коэффициента мощности (время реакции - 2 с или 40 мс в зависимости от регулятора)
Неограниченное число операций (срабатываний)
Устранение переходных процессов в сети при включении конденсаторов
Бесшумная работа
3 Методы повышения коэффициента мощности
Тщательная подгонка компенсации под уровень, требуемый нагрузкой, позволяет предотвращать перенапряжения при низкой нагрузке, т.е., предотвращение режима перенапряжения и возможности повреждения оборудования. Перенапряжения из-за чрезмерной реактивной компенсации зависят, отчасти, от значения полного сопротивления источника.
Рис. К1: Принцип управления автоматической компенсацией
3.3 Выбор между нерегулируемым или автоматически управляемым регулируемым блоком конденсаторов
Общепринятые правила
Если номинальная реактивная мощность (квар) не превышает 15% номинальной мощности силового трансформатора, может применяться постоянная компенсация. Свыше 15% рекомендуется устанавливать автоматически управляемый блок (батарею) конденсаторов. Местоположение конденсаторов низкого напряжения в установке определяет режим компенсации, которая может быть централизованной (один центр для всей нагрузки), частичной (посекционной), локальной (на каждом отдельном устройстве) или некоторой комбинацией последних двух. В принципе, идеальная компенсация обеспечивается в точке потребления на уровне, требуемом в любой момент. На практике, выбор определяется техническими и экономическими факторами.
