Руководство по устройству электроустановок - Повышение коэффициента мощности и фильтрация гармоник

1 Реактивная энергия и коэффициент мощности

Системы переменного тока обеспечивают две формы энергии:
«Активная» энергия, измеряемая в киловатт-часах (кВтч), которая преобразуется в механическую работу тепло, свет и т.д.
«Реактивная» энергия, которая принимает две формы:
v «Реактивная» энергия, требуемая для индуктивных цепей (трансформаторы, двигатели и т.д.) v «Реактивная» энергия, генерируемая емкостными цепями (кабели, силовые конденсаторы и т.д.)

Рис. K : Электродвигатель требует активной (Р) и реактивной (Q) мощности от энергосистемы
1.1 Природа реактивной энергии
Все индукционные (т.е., электромагнитные) машины и устройства, работающие в составе систем переменного тока, преобразуют электрическую энергию от генераторов энергосистемы в механическую работу и тепло. Такая энергия измеряется счетчиками киловатт-часов и называется «активной» или ваттной энергией. Для осуществления такого преобразования необходимо образование магнитных полей в машинах, и эти поля связаны с другой формой энергии, обеспечиваемой энергосистемой, - «реактивной» или «безваттной» энергией.
Причина этого состоит в том, что индукционая цепь циклически поглощает энергию из системы (на создание магнитных полей) и отдает эту энергию обратно в систему (в течение спада магнитных полей) дважды за каждый цикл мощности-частоты. Точно такое же явление происходит при наличии параллельно включенных емкостных элементов в энергосистеме, таких как кабели или блоки силовых конденсаторов и т.д. В этом случае энергия запасается электростатически (заряд конденсатора). Циклическая зарядка и разрядка емкостной цепи оказывает на генераторы системы такое же влияние, как описанное выше для индукционой цепи, но ток на емкостной цепи имеет фазу, противоположную фазе тока индукционой цепи. На этом основаны схемы повышения коэффициента мощности. Следует отметить, что хотя «безваттный» ток (точнее говоря, безваттная составляющая тока нагрузки) не забирает энергии из системы, он вызывает потери энергии в системах передачи и распределения энергии из-за нагрева проводников.
В реальных энергосистемах безваттные составляющие токов нагрузок неизменно индуктивны, а модули полного сопротивления систем передачи и распределения преимущественно индуктивно реактивны. Индуктивный ток через индуктивное реактивное сопротивление - наихудший возможный режим падения напряжения (т.е., прямая противофаза напряжению системы). По этим причинам:
потери энергии при передаче и
падения напряжения
Органы, регулирующие энергоснабжение, требуют снижения ограничения безваттного (индуктивного) тока в максимальной возможной степени.
Безваттные (емкостные) токи имеют обратный эффект на уровни напряжения и вызывают повышение напряжения в энергосистемах.
Как правило, мощность (кВт), связанная с «активной» энергией, обозначается буквой Р. Реактивная мощность (квар) обозначается буквой Q. Индуктивно-реактивная мощность условно принимается положительной (+Q), а емкостно-реактивная - отрицательной (-Q). В п.1.3 описывается взаимосвязь P, Q и S. S - «полная» мощность, кВа.
Рис. K1 показывает полную мощность (кВа) как векторную сумму активной (кВт) и реактивной (квар) мощности.

1.2 Установки и приборы, требующие реактивной энергии
Всем установкам и приборам переменного тока, включающим электромагнитные устройства или зависящим от магнитносвязанных обмоток, требуется, в той или иной степени, реактивный ток для создания магнитного потока.
Общеприменимыми единицами оборудования этого класса являются трансформаторы и реакторы, двигатели и разрядные лампы (т.е., балластные сопротивления) (см. Рис. K2). Соотношение реактивной (квар) и активной (кВт) мощности при полностью нагруженной единице оборудования зависит от характеристик такой единицы:
65-75% для асинхронных двигателей

Рис. К : Потребители мощности, которым также требуется реактивная энергия
P Q5-10% для трансформаторов

Коэффициент мощности (cos р) есть отношение кВт к кВА. Чем ближе коэффициент мощности приближается к своему максимальному значению 1, тем больше польза для потребителя и поставщика. PF=P (кВт/ (кВА) P = активная мощность S = полная (кажущаяся) мощность
1.3 Коэффициент мощности
Определение коэффициента мощности
Коэффициент мощности нагрузки, которая может являться энергопотребляющей единицей
оборудования или совокупностью таких единиц (например, вся система), задается отношением P/S,
т.е., число кВт, деленное на число кВА в заданный момент времени.
Значение коэффициента мощности изменяется в диапазоне 0^1.
Если токи и напряжения являются идеальными синусоидальными сигналами, коэффициент
мощности равен cos р.
Коэффициент мощности около единицы означает, что реактивная мощность мала в сравнении с активной, а низкое значение коэффициента указывает на противоположное.
Векторная диаграмма мощности
Активная мощность P (кВт)
Однофазная (1 фаза и нейтраль): P = V х I х cos р
Однофазная (фаза-фаза): P = U х I х cos р
Трехфазная (3 провода или 3 провода + нейтраль): P = 3 х U х I cos р
Реактивная мощность Q (квар)
Однофазная (1 фаза и нейтраль): P = V х I х sin р
Однофазная (фаза-фаза): Q = U х I х sin р
Трехфазная (3 провода или 3 провода + нейтраль): P = 3 х U х I sin р
Полная мощность S (кВА)
Однофазная (1 фаза и нейтраль): S = V х I
Однофазная (фаза-фаза): S = U х I
Трехфазная (3 провода или 3 провода + нейтраль): P = 3 х U х I где:
V = напряжение между фазой и нейтралью U = междуфазное напряжение I = ток
р = угол между векторами напряжения и тока.
Для сбалансированных или почти сбалансированных нагрузок 4-проводных систем Векторы тока и напряжения и вывод векторной диаграммы мощности
«Векторная» диаграмма мощности - полезный инструмент, выводимый непосредственно из истинной диаграммы вращающихся векторов токов и напряжений следующим образом: Напряжения энергосистемы принимаются в качестве исходных величин, и рассматривается только одна фаза, исходя из предположения о сбалансированной 3-х фазной нагрузке. Исходное напряжение фазы (V) совпадает с горизонтальной осью, а ток (I) этой фазы сдвинут (отстает) (практически для всех нагрузок энергосистемы) относительно напряжения на угол р. Составляющая тока I, совпадающая по фазе с напряжением V, является ваттной составляющей тока I и равна I cos р, значение VI cos ц равно активной мощности (кВ) в цепи, если V выражается в кВ.
Составляющая тока I с отставанием 90 градусов от напряжения V является безваттной составляющей тока I и равна I sin р, а значение V-I-cos р равно реактивной мощности (квар), если напряжение V выражается в кВ.
Результат умножения I на V в кВ (VI) равен полной мощности (кВА) для цепи. Получается простая формула S2 = P2 + Q2
Следовательно, умноженные на 3, указанные выше значения кВт, квар и кВА на фазу могут удобно представлять взаимосвязь кВА, кВт, квар и коэффициента мощности для общей 3-х фазной нагрузки, как показано на Рис. К3.

Рис. K : Диаграмма мощности

Пример расчета мощности (см. Рис. К4)

Рис. К : Пример расчета активной и реактивной мощности
1.4 Практические значения коэффициента мощности
Расчет для трехфазного примера рассмотренного ранее: Pn = мощность на валу = 51 кВт P = потребляемая активная мощность


Рис. K : Расчетная диаграмма мощности
Средние значения коэффициента мощности для наиболее распространенного оборудования (см. Рис. K6)

Рис. K : Значения cos ф и tg ф для наиболее распространенного оборудования