Электромонтер по эксплуатации промустановок - Коэффициент мощности

Коэффициент мощности имеет существенное значение в экономике электрохозяйства предприятия и энергосистемы. Известно, что в цепях переменного тока, содержащих индуктивность (или емкость), мощность переменного тока определяется величинами, связанными между собой треугольником мощностей (рис. 222).
Коэффициент мощности определяется из выражения
где Р — активная мощность;
S — общая (кажущаяся) мощность. Отношение

где Q — реактивная мощность.

Рис. 222. Треугольник мощностей в цепи переменного тока
Для характеристики влияния коэффициента мощности на экономику предприятия рассмотрим пример. Предположим, что предприятие потребляет мощность 1300 кВт и питается от районной подстанции (РП) по трехфазной линии напряжением 10 кВ, протяженностью 5 км при сечении проводов АС, равном 95 мм², через понизительный трансформатор мощностью 1800кВ·А напряжением 10/0,4 кВ (рис. 223). Допустим, что предприятие имеет средневзвешенный коэффициент мощности, равный 0,7.
Известно, что кажущаяся мощность трехфазного тока


Рис. 223. Схема питания предприятия с нагрузкой 1300 кВт от районной подстанции

Таким образом, трансформатор по току полностью загружен и для дальнейшего увеличения потребляемой мощности предприятию надо устанавливать дополнительный трансформатор.
Далее предположим, что в результате мероприятий, проведенных для улучшения коэффициента мощности, величина его на предприятии поднялась с 0,7 до 0,92. Тогда при той же мощности ток на стороне высшего напряжения

Одновременно с уменьшением тока уменьшаются и активные потери в трансформаторе.

Рис. 224. Определение cos φ по значению tg φ
Повышение коэффициента мощности на предприятиях приводит к разгрузке генераторов электростанций, электросетей и трансформаторов на всем пути передачи электроэнергии, сокращению потерь электроэнергии и позволяет полнее загрузить их активной мощностью.
Коэффициент мощности электроустановок предприятия определяют по средневзвешенному значению за определенный период времени (смена, сутки, месяц, квартал, год) по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии.
Обозначим показания счетчика активной энергии Эа, показания счетчика реактивной энергии Эр.
Отношение
Пользуясь тригонометрическими таблицами, по значению tg φ находят cos φ.
Для приближенного определения cos φ можно пользоваться кривой, приведенной на рис. 224. Предположим, что за смену показания счетчиков составили: активной энергии 7500 кВт-ч, реактивной энергии 5300 кВАр-ч (реактивных киловольт-ампер-часов). Тогда

По горизонтальной оси находим значение 0,71; ему по вертикальной оси соответствует значение cos φ, равное 0,81.
Реактивная мощность, потребляемая электроустановками промышленных предприятий, распределяется между электроприемниками следующим образом: на асинхронные двигатели приходится свыше 60%, на трансформаторы — до 20%; остальная часть (около 20%) падает на долю различных индукционных аппаратов, преобразовательных установок, воздушных электрических сетей и др.

Таким образом, основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели. Поэтому мероприятиям по повышению cos φ асинхронных двигателей должно уделяться особое внимание.
Рекомендуется ряд основных и вспомогательных способов для повышения коэффициента мощности электроустановок промышленных предприятий. К ним в первую очередь относятся мероприятия, не требующие компенсирующих устройств. Рассмотрим некоторые из них.
Таблица 19
Изменения cos φ и к. п. д. асинхронного двигателя средней мощности в зависимости от степени его загрузки

Загрузка асинхронных двигателей.

Наиболее простым способом повышения коэффициента мощности является полная загрузка этих электродвигателей. Чем меньше загружен асинхронный двигатель, тем ниже его cos φ, а также к. п. д. В табл. 19 приведены данные изменения cos φ и к. п. д. асинхронного двигателя средней мощности в зависимости от степени его загрузки.
В процессе эксплуатации ведут постоянные наблюдения за загрузкой асинхронных двигателей, записывая показания амперметров или проводя периодические измерения загрузки электродвигателей. Результаты измерений изучают, после чего заменяют или перестанавливают электродвигатели для их лучшей загрузки.

Рис. 225. Распределение фазовых напряжений при включении обмоток: a — в треугольник, б — в звезду

Переключение асинхронных двигателей с треугольника на звезду.

Коэффициент мощности у сильно недогруженного асинхронного двигателя напряжением до 1000 В можно повысить переключением его статорной обмотки с треугольника на звезду. Схема переключения электродвигателя со звезды на треугольник была показана на рис. 53. При соединении статорной обмотки в треугольник (рис. 225, а) 
напряжение на обмотке каждой фазы (фазовое напряжение) равно линейному напряжению сети.
При соединении обмотки в звезду фазовое напряжение на обмотке меньше линейного √3 раз и равно

При меньшем фазовом напряжении на той же обмотке уменьшается ток намагничивания статора, что дает повышение cos φ. В то же время уменьшение напряжения на обмотке влечет за собой уменьшение мощности электродвигателя, поэтому переключение его с треугольника на звезду допустимо, если загрузка электродвигателя систематически не превышает 40% его номинальной мощности.

Внедрение ограничителей холостого хода.

Существенное значение для повышения cos φ имеет установка ограничителей холостого хода электродвигателей, которые устанавливают к электродвигателям тех станков и механизмов, у которых продолжительность межоперационного периода превышает 10 с.
Межоперационным периодом называется та часть времени работы станка-механизма, которая затрачивается на отвод инструмента в исходное положение, снятие обработанной детали со станка, установку на станке новой детали и перемещение инструмента в рабочее положение. В зависимости от характера и устройства станков применяют различные конструкции ограничителей холостого хода, представляющие собой контактные устройства, размыкающие цепь катушки магнитного пускателя электродвигателя.

Применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности (если это возможно по условиям технологического процесса).

Это мероприятие оправдывается преимуществами синхронных двигателей перед асинхронными и, в частности, тем, что синхронные двигатели не потребляют реактивную мощность и могут отдавать в сеть реактивную мощность, работая с механической нагрузкой при опережающем коэффициенте мощности.

Замена слабо загруженных трансформаторов менее мощными.

Слабо загруженные трансформаторы имеют низкий cos φ. Признано целесообразным для повышения cos φ замена или перегруппировка трансформаторов, если они загружены менее чем на 30%.
При решении вопроса повышения коэффициента мощности возникает необходимость применения компенсирующих установок. В этих случаях Руководящие указания рекомендуют применять в первую очередь косинусные статические конденсаторы *. Они получили широкое распространение на промышленных предприятиях, так как отличаются незначительными потерями активной мощности для получения реактивной и простотой монтажа и эксплуатации.
Установка на предприятии всех видов компенсирующих устройств допускается с разрешения энергосистемы.

Рис. 226. Схемы включения статических конденсаторов: а — при индивидуальной компенсации, б — при групповой компенсации
Обычно применяют бумажно-масляные конденсаторы в виде банок от 4 до 25 кВАр, соединяемых в батарею. Выпускают трехфазные косинусные конденсаторы (на напряжения 220, 380, 500 и 660 В) и однофазные (на напряжения 3, 6 и 10 кВ).
В последние годы применяют комплектные конденсаторные установки (ККУ), собираемые на заводе-изготовителе в виде отдельных конденсаторных блоков, которые уменьшают объем строительных и электромонтажных работ, снижают стоимость установки и резко сокращают срок ввода их в эксплуатацию. Выпускают ККУ на напряжения 380 В мощностью 80, 160 и 280 кВАр в блоке и для напряжения 6—10 кВ — мощностью 300, 330 и 500 кВАр в блоке для внутренней установки и 400, 420 кВАр—для наружной установки.
При эксплуатации конденсаторных установок прц, спаде нагрузки часто возникает перекомпенсация реактивных нагрузок. Это явление, связанное с повышением напряжения в сети, наносит ущерб как самим конденсатором, так и электроприемникам. Поэтому в ночные часы и выходные дни конденсаторные батареи в соответствии с местной инструкцией предприятия отключают. Применяется также автоматическое отключение батарей конденсаторов, которые с этой целью секционируются. В зависимости от напряжения сети и времени суток отдельные секции отключаются или включаются.

Различают три основные схемы установки косинусных конденсаторов для компенсации реактивных нагрузок: индивидуальную, групповую и централизованную.
Индивидуальная компенсация (рис. 226, а) заключается в установке конденсаторов непосредственно у электроприемника (электродвигатель и др.) и является наиболее эффективной, так как разгрузка от реактивных токов происходит на всем пути прохождения тока от генераторов станции до электроприемника. Однако при отключении электроприемника прекращается действие компенсации, поэтому индивидуальную компенсацию применяют для электроприемников, длительное время работающих без отключения.
Групповая компенсация (рис. 226, б) заключается в присоединении батареи конденсаторов к шинам силовых распределительных пунктов или щитов. При этом способе улучшается использование конденсаторов, но не разгружается от реактивных токов распределительная силовая сеть от силовых пунктов и щитов к электроприемникам.
Централизованная компенсация заключается в установке батареи статических конденсаторов на шинах трансформаторной подстанции со стороны высшего или низшего напряжения. Очевидно, что при таком способе компенсации внутризаводская сеть от реактивных токов не разгружается. Компенсация происходит, начиная от линии высокого напряжения питающей подстанции и далее до генераторов электростанции.
При включении статические конденсаторы заряжаются. Чтобы предотвратить повторное включение заряженных конденсаторов, а также обеспечить безопасность обслуживания, конденсаторы должны иметь параллельно включенные разрядные сопротивления, в качестве которых могут служить осветительные лампы (см. рис. 226, б), обмотки трансформаторов напряжения и обмотки электродвигателей (см. рис. 226, а).
Для того чтобы стимулировать повышение коэффициента мощности, применяется шкала скидок и надбавок к тарифу за электроэнергию, отпускаемую энергосистемами промышленным предприятиям. За нейтральный принят коэффициент мощности равный 0,9—0,92. При коэффициенте мощности выше 0,92 предприятию делается скидка, при снижении — взимаются надбавки к счету за электроэнергию.