ГЛАВА VIII
КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НА СТРОЙПЛОЩАДКАХ
Понятие о коэффициенте мощности и причины его снижения
Электрические установки, обладающие индуктивностью, потребляют активный и реактивный токи, которым соответствуют активная и реактивная мощности. Активная — полезно используется для работы, а реактивная — служит только для образования электромагнитных полей.
Асинхронные электродвигатели и трансформаторы различного назначения, представляющие собой индуктивную нагрузку, являются основными потребителями реактивной мощности.
Наличие у асинхронных двигателей воздушного зазора между статором и ротором является главной причиной относительно большего потребления ими реактивной мощности, поэтому обычно конструируют асинхронные двигатели с минимально возможным воздушным зазором (зазор устанавливается с учетом износа подшипников и требуемой точностью сборки машины).
У трансформаторов воздушные зазоры совсем незначительны, магнитное сопротивление в сопоставлении с асинхронными двигателями значительно меньше, поэтому и потребляемая ими реактивная мощность в несколько раз меньше, чем у асинхронных двигателей той же мощности.
Магнитное сопротивление асинхронного двигателя или трансформатора не остается неизменным, а зависит от величины приложенного напряжения или магнитной индукции.
Средневзвешенный коэффициент мощности электроустановки наиболее легко можно определить при наличии показаний электросчетчиков активной и реактивной энергии.
При этом показания реактивного счетчика (V) делят на показания активного (W) и определяют величину tg φ;
(64)
По tg φ с помощью тригонометрических таблиц, графика (рис. 43) или номограммы определяют величину cos φ и угол сдвига фаз между током и напряжением.
При отсутствии тригонометрических таблиц cos φ определяют из выражения
(65)
Наибольшее снижение коэффициента мощности асинхронных двигателей соответствует загрузке их менее 35-45% номинальной мощности.
Низкий коэффициент мощности электроустановок строительных площадок является в большинстве случаев результатом:
недоиспользования мощности строительных механизмов, машин, технологического оборудования и соответственно установленных с ними электродвигателей;
наличия холостых ходов электродвигателей, обусловленных конструкцией оборудования или плохой организацией производства;
завышенной мощности установленных электродвигателей;
перегрузок электродвигателей;
работы трансформаторов с малой загрузкой.
Для определения нагрузки электродвигателя с достаточной точностью можно пользоваться упрощенными методами, в частности, пользуясь токоизмерительными клещами. По этому способу в условиях нормального режима использования оборудования определяют средний расчетный ток нагрузки двигателя и сопоставляют его с номинальным током двигателя.
Проверка двигателя нс требуется в тех случаях, когда среднеквадратичная мощность нагрузки Рск≥0,6Рн, а максимальный нагрузочный ток меньше или равен номинальному, Рн — номинальная мощность заменяемого двигателя.
С ростом нагрузки электродвигателя коэффициент мощности увеличивается, достигая своего максимального значения при мощности, близкой к номинальной, а затем начинает снижаться.
Рис. 43. График для определения коэффициента мощности по отношению расхода реактивной энергии и активной
Осуществляя периодический контроль загрузки электродвигателей и эксплуатируемого оборудования, необходимо определять коэффициент мощности. Пользуясь методом [49], основанном на измерении статорного тока при помощи токоизмерительных клещей, можно быстро определить коэффициент мощности без отключения двигателя.
Соотношение, связывающее коэффициент мощности двигателя с измеренной величиной статорного тока определяется из упрощенной круговой диаграммы асинхронного двигателя.
Рис. 44. Номограмма для определения коэффициента мощности при замеренном токе статора
Номограмма (рис. 44) позволяет по паспортным данным (cos φ и Iном) и току холостого хода I0 найти коэффициент мощности cos φ при замеренном токе статора I1, отличном от номинального (Iном).
Определим cos φ для незагруженного электродвигателя типа А42-4, у которого Iном=4,0 а, а замеренный ток I1=2,6 а.
По отношению
= 0,425 и номинальному значению коэффициента мощности cos φном=0,85 определяем на номограмме исходную точку а, затем по вспомогательному лучу, проведенному из начала координат через исходную точку поднимаемся до точки с ординатой, определяемой отношением I0/I1. Положение искомой точки на номограмме позволяет определить фактическое значение cos φ1= 0,72.
Способы повышения коэффициента мощности
В соответствии с ПУЭ средневзвешенный коэффициент мощности электроустановок, присоединяемых к электрическим сетям, должен быть не ниже 0,92—0,95. Уменьшение указанной величины допускается в каждом отдельном случае по согласованию с энергосистемой.
Мероприятия по повышению коэффициента мощности разрабатываются на основе анализа режимов эксплуатируемого оборудования в соответствии с действующими руководящими указаниями по повышению коэффициента мощности [64].
Наиболее целесообразными мероприятиями, обеспечивающими повышение коэффициента мощности без специальных устройств, можно считать:
установку электродвигателей в соответствии с потребной мощностью оборудования и надлежащих типов; замену недогруженных асинхронных двигателей на менее мощные, когда это приводит к уменьшению потерь активной мощности;
сокращение холостых ходов оборудования, зависящих от технологии производства (в частности с использованием ограничителей) и за счет приближения ручной пусковой аппаратуры или кнопочных станций магнитных пускателей к рабочим местам;
переключение обмотки статора с треугольника на звезду для слабозагруженных асинхронных двигателей. Переключение рекомендуется производить при максимальной нагрузке электродвигателей не выше 50-45% номинальной и если это допустимо по условию пускового момента.
С помощью ограничителей холостого хода можно обеспечить отключение электродвигателей в межоперационные периоды, в течение которых электроэнергия тратится непроизводительно.
До последнего времени в качестве ограничителей холостого хода применялись только конечные выключатели рычажного или шпиндельного типов, а в настоящее время уже применяются электронные бесконтактные датчики типов БК, БК-А, КВД-3 в схемах и приборах автоматики строительных и дорожных машин, на установках и предприятиях строительной индустрии.
Такие датчики отличаются высокой надежностью и работоспособностью при изменении температуры, воздействии влажности, запыленности, толчках и вибрациях. Они имеют небольшие размеры, не оказывают обратного влияния на контролируемую подвижную деталь, что позволяет использовать их в таких чувствительных приборах как весы, дозаторы, реле скорости, креномеры.
14спользование всех видов компенсирующих устройств допускается только с разрешения энергосистемы.
Конденсаторные установки должны удовлетворять условиям наибольшего снижения потерь активной мощности от реактивных нагрузок с учетом требований по поддержанию уровня напряжения на зажимах приемников.
Конденсаторные установки способствуют повышению напряжения в сети и увеличению пропускной способности электрических сетей (при установке их у групповых щитов);
Конденсаторы имеют очень малые потери, составляющие 3—4,5 Вт/квар. При нормальной температуре потери почти постоянны. Так можно считать, что потери составляют для установок 100 квар — 0,45 кВт, для 150 квар— 0,68 кВт, для 200 квар — 0,91 кВт.
Коэффициент мощности электроустановок небольших строительных площадок с помощью статических конденсаторов можно повысить по одному из следующих вариантов, установив их: на стороне низшего напряжения подстанции, питающей электроэнергией строительную площадку (централизованная компенсация); у магистральных распределительных шкафов (групповая компенсация); непосредственно у потребителей электроэнергии (индивидуальная компенсация).
Установка конденсаторов у групповых щитов 380 в выгодна, поскольку практически при той же мощности и стоимости конденсаторов, что и при расположении их у главного щита 380 в, она дает дополнительную экономию на потерях в кабелях, проложенных от главного щита к групповым щитам, однако целесообразность такого расположения конденсаторов должна быть подкреплена расчетом.
Во избежание возрастания расходов на отключающую аппаратуру, измерительные приборы и шкаф, в котором монтируется оборудование, мощность батареи конденсаторов, устанавливаемой у групповых щитов, рекомендуется принимать не менее 30 квар.
Преимуществом индивидуальной компенсации таких электроприемников как башенные краны и сварочные трансформаторы является то, что для присоединения конденсаторов можно использовать пусковое устройство электроприемника, а разрядным сопротивлением может служить сам электроприемник.
При этом конденсаторы могут быть установлены в шкафах и без них (например в кабине башенного крана). Без шкафа конструкция установки упрощается, снижаются затраты металла (по условиям техники безопасности только токоведущие части защищаются кожухом).
Такие решения широко распространены за рубежом.
По характеру работы краны не могут иметь высокий cos φ, так как они эксплуатируются по повторно-кратковременному режиму. Отличительной особенностью работы кранов является недогрузка их в течение значительного времени.
Проведенная Союзморпроектом работа по компенсации реактивных нагрузок портальных кранов позволяет сделать вывод о целесообразности установки статических конденсаторов непосредственно на башенных кранах строительных площадок. Конденсаторы могут быть присоединены к главным распределительным устройствам кранов.
Компенсирующая установка будет состоять из конденсаторов и аппаратуры управления (рубильника, предохранителей и разрядных сопротивлений), расположенных в кабине башенного крана.
Установка включается и отключается одновременно с работой крана. Конденсаторы должны выбираться не по максимальной реактивной нагрузке, а по средней.
Выявлена также целесообразность комплектования сварочных трансформаторов статическими конденсаторами. Конденсатор присоединяется параллельно первичной обмотке.
В настоящее время промышленность уже выпускает сварочные трансформаторы, укомплектованные статическими конденсаторами. Например, сварочный трансформатор типа ТСК-500 укомплектован конденсатором типа КМС-0,38 мощностью в пределах 10 квар.
При выборе конденсатора для сварочного трансформатора ориентировочную реактивную мощность конденсатора можно принимать равной половине кажущейся номинальной мощности трансформатора, приведенной к ПВ=1.
Суммарная мощность статических конденсаторов (Qк), предназначенных для повышения коэффициента мощности электроустановок строительной площадки может быть определена по формуле 
те φ1 и φ2 — углы сдвига фаз до и после компенсации в градусах.
Отсюда ясна нецелесообразность применения в электроустановках конденсаторов с номинальным (рабочим) напряжением выше, чем напряжение сети.
Конденсаторы на башенном кране должны быть установлены таким образом, чтобы была обеспечена требуемая вентиляция и исключена тряска (могут быть установлены на резиновых амортизаторах). Коэффициент мощности на кране должен быть доведен не менее как до 0,8.
Важным является контроль за напряжением на конденсаторах. Превышение напряжения, установленного заводом-изготовителем, приводит к тепловому пробою диэлектрика.
В соответствии с правилами устройства электроустановок для конденсаторных установок напряжением до 1000 в в целях экономии электроэнергии рекомендуется работа их без постоянно присоединенных разрядных сопротивлений с автоматическим присоединением сопротивлений в момент отключения конденсаторов.
Учитывая это, на практике применяют различные схемы. Известна, например, схема с применением промежуточного реле типа ЭП-41 (или подобного), имеющего три пары нормально замкнутых контактов.
Такое реле с катушкой на напряжение 380 в присоединяется после рубильника и предохранителей. Когда установка включается (с помощью рубильника), реле срабатывает, его три пары контактов в цепи соединенных в «звезду» разрядных сопротивлений (ламп) размыкаются и лампы гаснут. При отключении рубильника реле обесточивается и его нормально замкнутые контакты присоединяют лампы к статическим конденсаторам.
Применяются схемы, в которых коммутационным аппаратом служит трехполюсный пакетный включатель ПВ-3X10. Он механически сблокирован с дверью металлического шкафа.
Таким образом, когда дверь открывается, включается пакетный выключатель и, следовательно, замыкает цепь ламп, на которые разряжаются конденсаторы.
Надежной и простой, а следовательно, более предпочтительной следует считать схему, предложенную Укргипроэнергопромом и предусмотренную во многих проектах.
По этой схеме при помощи сигнальных блок-контактов типа КСА-4 (или подобных) блокируется рукоятка рубильника. При включении рубильника блок-контакты размыкаются, при отключении рубильника — замыкаются и присоединяют разрядные сопротивления.
В целях исключения работы компенсационных установок в периоды, когда не требуется повышать коэффициент мощности, разработаны схемы дистанционного управления и простейшие схемы автоматического регулирования, основанные на действии включающих и отключающих устройств в зависимости от величины тока, уровня напряжения, величины коэффициента мощности или в зависимости от времени суток.
Регулирование по времени суток является наиболее простым, надежным и эффективным. Для использования этого способа в настоящее время Усть-Каменогорский конденсаторный завод выпускает устройства — блоки типов БРВ-1 и БРВ-2, предназначенные для размыкания контактов электровторичных часов типа ЭВЧС.
На строительных площадках регулировка обычно производится вручную.
Срок службы конденсаторов удлиняется при наличии вентиляции. Обследованиями установлено, что в помещениях с конденсаторными установками, имеющими неудовлетворительную вентиляцию, выходящих из строя конденсаторов наблюдалось в три раза больше.
Номинальный ток плавких вставок предохранителей, защищающих отдельный конденсатор или всю конденсаторную установку, не должен превышать 160% суммы номинальных токов конденсаторов
(69)
где Q — номинальная мощность конденсатора или установки в квар;
Uном— номинальное напряжение сети в кВ;
Смена сгоревших или неисправных предохранителей должна производиться на отключенной конденсаторной батарее после контрольного разряда всех конденсаторов батареи с помощью разрядной штанги.
Запрещается оставлять в работе конденсаторную установку в ночное время и выходные дни.
Установки для повышения коэффициента мощности в сетях до 1000 в
Большая работа проводится по разработке комплектных конденсаторных установок (ККУ) в проектных и научно-исследовательских институтах, на заводах-изготовителях конденсаторов и других организациях.
В настоящее время заводом-изготовителем ККУ является Усть-Каменогорский конденсаторный завод. Им намечено к выпуску и уже частично изготовляются установки на напряжение 0,38 кВ с конденсаторами мощностью 75, 100, 150, 200, 300 квар с аппаратурой дистанционного управления [37].
Установка мощностью 30—75 квар для использования в помещении выполняется в виде одного комбинированного шкафа, в верхней части которого предусмотрен выключатель. Ниже расположены конденсаторы. В таком ККУ применяются трехфазные конденсаторы КМ-0,38 на напряжение 380 в мощностью по 14 квар, соединяемые параллельно и в треугольник с помощью гибких медных отводов.
Измерения и испытания статических конденсаторов
Конденсаторы для повышения коэффициента мощности должны испытываться в объеме требований ПУЭ:
сопротивление изоляции должно определяться мегомметром;
испытывать надо повышенным напряжением промышленной частоты (для установок с номинальным напряжением конденсаторов 0,38 кВ испытательное напряжение должно составить 0,72 кВ);
для контроля величин токов по всем фазам батарея должна испытываться трехкратным включением на номинальное напряжение; токи в различных фазах не должны отличаться друг от друга более чем на 5%;
контроль должен производиться тремя амперметрами.
