Повышать коэффициент мощности электроустановки нужно в первую очередь правильной и рациональной эксплуатацией электрооборудования, т. е. естественным путем.
Мощность электродвигателя следует выбирать в строгом соответствии с мощностью, необходимой для приводимого механизма, а уже установленные, но слабозагруженные электродвигатели заменять электродвигателями соответственно меньшей мощности.
Однако при этом необходимо учитывать, что иногда такая замена может привести к увеличению потерь активной энергии в самом электродвигателе и сети, если к. п. д. вновь устанавливаемого электродвигателя окажется меньше установленного ранее. Поэтому следует проверить расчетом целесообразность такой замены.
Кроме того, необходима проверка заменяющего электродвигателя по условиям допустимого нагрева и перегрузки, а иногда и времени разгона. Как правило, замене подлежат электродвигатели, загруженные меньше чем на 40%. При загрузке больше чем на 70% замена становится нерентабельной.
Во всех возможных случаях нужно отдавать предпочтение электродвигателю с короткозамкнутым, а не с фазным ротором.
Нужно отказаться от применения закрытых электродвигателей, если по условиям окружающей среды допускается применение электродвигателей в открытом или защищенном исполнении.
С целью уменьшения реактивной мощности целесообразно понизить напряжение на выводах обмоток статора асинхронного электродвигателя, если его нагрузка не превышает 40% номинальной мощности, что можно осуществить переключением обмотки статора с треугольника на звезду. При этом напряжение на концах каждой фазы обмотки статора уменьшится в √3 раз, что повлечет за собой уменьшение магнитного потока и реактивной мощности.
Вращающий момент электродвигателя практически пропорционален квадрату приложенного напряжения, следовательно, при уменьшении напряжения в √3 раз пусковой и максимальный моменты уменьшаются в 3 раза. Поэтому при переключении обмотки статора с треугольника на звезду необходимо учитывать пусковые условия приводимого электродвигателем механизма.
При необходимости пуска под нагрузкой применяют специальный переключатель для переключения обмотки электродвигателя после его разбега с треугольника на звезду.
Переключение обмотки статора с треугольника на звезду применимо только у электродвигателей с номинальным напряжением 380/220 в при работе их в сетях 220 и 220/127 в. При работе электродвигателя в силовой сети с номинальным напряжением 380 в обмотка его может быть включена только звездой.
Электродвигатели, приводящие в действие различные станки и механизмы, работают не все время с полной нагрузкой. Например, при установке новой детали для обработки на станке электродвигатель иногда работает на холостом ходу с малым cosφ. Поэтому целесообразно на время холостого хода при длительности межоперационного периода 10 сек и больше отключать электродвигатель от сети (это требование обязательно также в целях экономии активной электроэнергии).
Межоперационным периодом считается то время, которое затрачивается, чтобы отвести инструмент в его исходное положение, снять обработанную деталь со станка, установить на станке новую деталь, подвести инструмент в рабочее положение.
На станках и механизмах, у которых периоды работы чередуются с межоперационными периодами, целесообразно устанавливать автоматические ограничители холостого хода.
Рекомендуется также заменять или временно отключать трансформаторы, загруженные в среднем меньше чем на 30% от их номинальной мощности.
Качественный ремонт асинхронного электродвигателя существенно влияет на повышение величины cosφ.
Хорошо отремонтированный двигатель должен иметь паспортные номинальные данные.
Следует тщательно следить за величиной воздушного зазора между статором и ротором, не допуская отклонения от нормы, укладывать в пазы количество активных проводников соответственно расчету.
Отремонтированные электродвигатели должны подвергаться всесторонним испытаниям, включая проверку величины тока холостого хода.
В ряде случаев мероприятия по улучшению естественного коэффициента мощности не позволяют увеличить его до величины 0,92—0,95 по условиям технологического процесса.
На таких электроустановках применяются искусственные методы компенсаций реактивной мощности — повышение коэффициента мощности применением специальных компенсирующих устройств.
К таким устройствам относятся: статические конденсаторы, синхронные компенсаторы и перевозбужденные синхронные электродвигатели.
Однако синхронные электродвигатели и компенсаторы, изготовляемые на большие мощности, на городских предприятиях применяются редко.
Наибольшее распространение для повышения коэффициента мощности получили статические конденсаторы.
На рис. 9.1 представлены схема и векторная диаграмма электрической цепи с индуктивной нагрузкой, к которой параллельно подключена батарея конденсаторов для повышения cosφ.
Ток IL отстает по фазе от напряжения U на угол φ1, соответствующий его коэффициенту мощности.
Ток подключенных конденсаторов IС опережает по фазе напряжение на угол, близкий к 90°. Общий ток установки I равен геометрической сумме токов IL и Iс.
Рис. 9.1. Схема (а) и векторная диаграмма (б) искусственной компенсации сдвига фаз между приложенным напряжением и током при параллельном соединении индуктивной нагрузки с конденсатором
Из векторной диаграммы, на которой угол φС принят примерно 90°, видно, что ток I в неразветвленной части цепи, т. е. в проводах питающей линии, уменьшается при включении конденсаторов, а коэффициент мощности установки в целом увеличивается (φ2<φ1).
При соответствующем выборе емкости С конденсаторов можно довести угол сдвига фаз между напряжением и током до лю бой требуемой величины. Уменьшение тока в питающей сети достигается за счет реактивной составляющей, которая компенсируется емкостным током батареи конденсаторов.
Конденсаторные батареи составляют из отдельных бумажно- масляных конденсаторов, которые выпускаются на различные напряжения: 0,22, 0,38, 0,5, 1,05, 3,15, 6,3, 10,5 кВ.
Конденсаторы с номинальным напряжением до 1,05 кВ изготовляются трехфазными, а свыше 1,05 кВ — однофазными.
Трехфазные конденсаторы, в отличие от однофазных, имеют индивидуальную защиту каждой фазы от токов коротких замыканий плавкими предохранителями, вмонтированными внутрь их корпуса. При составлении конденсаторных батарей из однофазных конденсаторов последние разделяются на три группы одинаковой мощности. Внутри группы конденсаторы включаются параллельно, а группы между собой — чаще всего в треугольник.
На рис. 9.2 показан внешний вид бумажно-масляных конденсаторов для повышения коэффициента мощности, получивших название косинусных конденсаторов.
Применение статических конденсаторов по сравнению с другими способами искусственного повышения коэффициента мощности имеет определенные преимущества. Потери активной энергии в конденсаторах невелики и составляют всего 0,3—0.5% от их номинальной мощности.
Монтаж и эксплуатация конденсаторных установок просты. Для установки их не требуется специальных фундаментов вследствие отсутствия вращающихся частей. Мощность конденсаторной установки легко изменяется в результате увеличения или уменьшения количества конденсаторов.
Повреждение одного из конденсаторов не отражается на работе всей компенсационной установки, так как поврежденный конденсатор легко заменить новым.
Конденсаторные установки имеют и некоторые недостатки. Они неустойчивы к динамическим усилиям, возникающим при коротких замыканиях.
При включении конденсаторной установки возникают большие пусковые токи (до 10Iн).
После отключения конденсаторной установки от сети на ее шинах остается заряд, который опасен для обслуживающего персонала.
Конденсаторы весьма чувствительны к повышению напряжения (не допускается повышение напряжения более чем на 10% от номинального).
После пробоя диэлектрика конденсаторы довольно трудно ремонтировать. Чаще всего их приходится заменять новыми.
