Глава 5.
КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ (cos φ) И СПОСОБЫ ЕГО ПОВЫШЕНИЯ
ПОНЯТИЕ О КОЭФФИЦИЕНТЕ МОЩНОСТИ
В сети переменного тока напряжение меняется по синусоиде (рис. 5.1, кривая а), то есть растет от нуля до максимума, затем уменьшается снова до нуля, меняет свое направление, вновь возрастает до максимума и опять снижается до нуля. Этот процесс все время повторяется. Время, за которое происходит такое изменение, называется периодом, а число периодов в секунду — частотой переменного тока.
В СССР для электроснабжения применяется переменный ток с частотой 50 периодов в секунду, или 50 Гц. Если к источнику такого напряжения подключить сопротивление, например, электролампочку или плитку, то через него пойдет ток. Этот ток будет изменяться одновременно с изменением напряжения (рис. 5.1, кривая б), или, как говорят, ток совпадает по фазе с напряжением. Такой ток называют активным. Активной будет и энергия, которая при этом поступает в электроприемник, а также энергия, расходуемая в электродвигателях на механическую работу.
Рис. 5.1. Сдвиг по фазе между током и напряжением:
а — кривая изменения напряжения; б — кривая активного тока; в — кривая емкостного тока; г — кривая изменения индуктивного тока
В электродвигателе, а также в трансформаторе для работы необходимо создать магнитное поле. Это поле в цепях переменного тока меняется по синусоиде, причем энергия, с ним связанная, в течение половины периода течет от генератора к токоприемнику, а в следующий полупериод возвращается обратно в генератор. Такая энергия называется реактивной. Протекание ее проявляется в виде добавочного тока, отстающего от напряжения, как показано на рис. 5.1, кривая в. Этот ток, протекая от генератора к приемнику и обратно, не производит полезной работы, а только вызывает дополнительное нагревание проводов, то есть дополнительные потери активной энергии.
Следовательно, для снижения потерь необходимо уменьшать количество реактивной энергии в сети.
Активный и реактивный токи, протекающие в проводе, складываются в один общий ток, который замеряется амперметром. Произведение этого полного тока на напряжение называется полной мощностью.
Отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности. Для удобства технических расчетов коэффициент мощности выражают через косинус условного угла «фи» (cos φ).
Определение коэффициента мощности
При изменяющейся нагрузке определяют усредненный коэффициент мощности за какой-то период времени. Для определения коэффициента мощности пользуются показаниями активного и реактивного счетчиков, что позволяет узнать средневзвешенное значение tg φ за весь период, в течение которого расходовалась энергия.
Если разделить расход реактивной энергии на расход активной энергии, то получим величину, называемую тангенсом «фи»;
Определив tg φ, по табл. 5.1 находят величину cos φ.
Величину коэффициента мощности можно определить также по показаниям вольтметра, амперметра и ваттметра по следующим формулам:
Определение cos φ с помощью электроизмерительных клещей
Определить коэффициент мощности отдельных электроприемников или участков сети при мало изменяющейся нагрузке можно с помощью фазометров или ваттметров. Однако эти способы затруднительны, так как требуют разрыва токовых цепей, а для мощных установок необходимо включение трансформаторов тока.
Для измерения cos φ без разрыва цепи тока Л. Я. Бессарабовым и Г. Ч. Соломенко предложен способ (журнал «Промышленная энергетика», 1975, № 11) с использованием электроизмерительных клещей типа Д90.
В трехфазных цепях при симметричной нагрузке измеряют мощность в одной фазе. Для этого магнитопроводом клещей охватывают один из проводов линии, генераторную клемму параллельной цепи ваттметра присоединяют к той же фазе, а вторую к нулевому проводу. Затем клещами типа Ц91 измеряют ток в фазе и фазное напряжение.
Коэффициент мощности вычисляют по формуле:
Меры безопасности при работе с измерительными клещами см. в т. II справочника.
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ cos φ
Для снижения потерь энергии коэффициент мощности на каждом промышленном предприятии следует повышать до 0.92—0.95. Исключение составляют только потребители, питающиеся от шин генераторного напряжения электростанций, для которых энергоснабжающая организация может установить меньшее значение коэффициента мощности.
В практике применяются естественные и искусственные способы повышения коэффициента мощности.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ СПОСОБЫ
Для повышения cos φ необходимо уменьшить потребление реактивной энергии, что достигается следующими мероприятиями:
- Устранением холостой работы электродвигателей.
- Уменьшением времени холостой работы сварочных и других трансформаторов.
- Заменой постоянно незагруженных трансформаторов менее мощными.
- Заменой постоянно незагруженных двигателей менее мощными.
- Установкой синхронных двигателей вместо асинхронных там, где это возможно по условиям технологии, например, для привода компрессоров, насосов и т. д.
Ограничение холостого хода двигателей
Для повышения cos φ и экономии электроэнергии необходимо, чтобы станочники вручную отключали электродвигатели во время снятия и установки деталей, при замерах детали и т. д. Наряду с отключением вручную могут применяться ограничители холостого хода, представляющие собой контакт, включенный в цепь кнопки «Стоп» магнитного пускателя электродвигателя (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Схема включения ограничителя холостого хода станка
Рис. 5.3. Взаиморасположение ограничителя холостого хода и рычага фрикциона
В качестве ограничителя холостого хода станков нужно применять конечные или путевые выключатели любого типа с размыкающими контактами, например ВПК 1110. Ограничители холостого хода устанавливаются на станке таким образом, чтобы при отключенном фрикционе связанный с валиком рукоятки фрикциона кулачок нажимал на конечный выключатель и размыкал его контакты (рис. 5.3). Для нажатия на ограничитель холостого хода может быть использовано любое приспособление, положение которого соответствует нерабочему состоянию станка. Например, толкатель, связанный с суппортом и нажимающий на ограничитель холостого хода при отведенном положении суппорта. Можно связать конечный выключатель с тягой, перемещающейся при поднятии шпинделя сверлильного станка и т. п.
Ограничитель холостого хода станков рекомендуется применять в тех случаях, когда междуоперационный период превышает 10 сек. и число пусков в час не более 100. При этом с повышением cos φ обеспечивается и экономия энергии.
При более частых пусках установка ограничителей холостого хода не экономична.
Ограничители холостого хода нельзя включать в цепь магнитного пускателя в качестве пусковой кнопки, так как при случайном нажиме на него придет во вращение двигатель, что может вызвать несчастный случай или поломку.
Не следует применять ограничители холостого хода на станках, где обрабатываются детали сложной конфигурации, требующие частых замеров, при нарезке коротких участков резьбы и т. п., так как в этих случаях частые пуски двигателя вызовут износ пускателя, увеличат расход энергии, а необходимость частого одновременного включения фрикциона и кнопки «Пуск» снижает производительность труда.
Ограничение холостого хода трансформаторов
У ненагруженных силовых трансформаторов до 1000 кВА потребление реактивной мощности составляет 7—8% от номинальной мощности самого трансформатора.
Для сварочных трансформаторов процент потребления реактивной мощности при холостом ходе еще выше и составляет 10—12% от мощности трансформатора. Поэтому холостой работы трансформаторов нельзя допускать, и при отсутствии нагрузки трансформаторы следует отключать от сети со стороны питания. Особенно низкий коэффициент мощности имеют сварочные трансформаторы. При полной нагрузке cos φ у них составляет 0,52—0,55. При неполной нагрузке и в периоды, когда дуга не горит, коэффициент мощности сварочного аппарата снижается до 0,2—0,3. Поэтому наряду с ручным отключением сварочных аппаратов от сети при прекращении сварки целесообразно применять автоматические ограничители холостого хода, отключающие их при прекращении горения сварочной дуги.
Особенность ограничителей холостого хода сварочных трансформаторов в том, что они действуют с выдержкой времени.
Не следует отключать трансформаторы при кратковременных погасаниях дуги и быстрой смене электрода, чтобы не снижать производительность труда сварщика. Только при перерыве в горении дуги более чем 15—20 сек., для смены или перекладки детали и т. п., сварочный трансформатор должен отключаться.
В литературе описаны различные конструкции автоматических ограничителей холостого хода. В практике сибирских предприятий оправдал себя автомат, разработанный в тресте «Запсибэлектромонтаж» (г. Новокузнецк) и демонстрировавшийся на ВДНХ. Этот ограничитель прост по конструкции и достаточно надежен в работе. Его схема показана на рис. 5.4. Для автоматического включения и выключения сварочного трансформатора, кроме обыкновенного двухполюсного рубильника, в схему введен тиристорный выключатель на тиристорах Т160. Применение таких автоматов особенно рекомендуется в ремонтных цехах, на строительных площадках и т. п., где бывают частые перерывы в работе сварочных аппаратов. Наряду с повышением cos φ обеспечивается безопасность работы и экономия энергии за счет снижения потерь на холостой ход.
Рис. 5.4. Ограничитель холостого хода сварочного трансформатора;
ТС — сварочный трансформатор; Тр — трансформатор цепей управления мощностью 3ВА 380/30 В; W1 — 3800 В; W2 — 300 В. Д1, Д2, Д11 — диоды Д226; Д3—Д6 — выпрямительный мостик КЦ-405; Д7—Д10 — диоды В200; Т1, Т2 — тиристоры Т160; Т3 — тиристор КУ201: Р — реле РВМ, С — конденсатор К50-7 300 мкФ, 50 В, R1, R2 — резисторы МЛТ-1 1,5—2 кОм; СД — свариваемая деталь.
Замена незагруженных двигателей
Потребление активной энергии асинхронными, двигателями определяется той механической нагрузкой, которая преодолевается двигателем. Потребление реактивной энергии определяется в основном номинальной мощностью двигателя и мало зависит от нагрузки. Поэтому у незагруженных двигателей, при малом потреблении активной энергии, расход реактивной относительно велик, то есть коэффициент мощности мал.
Для повышения cos φ необходимо заменять постоянно недогруженные двигатели менее мощными. При этом нужно учитывать, что у недогруженных двигателей очень малы потери в меди обмотки и при замене их на менее мощные потери увеличатся. Зато при менее мощном двигателе потери в железе и питающей сети снизятся.
Для обеспечения максимальной экономии недогруженные двигатели должны заменяться с учетом следующих требований:
- Если асинхронный двигатель загружен в среднем на 45% или менее от номинальной мощности, его необходимо заменить на двигатель, соответствующий нагрузке.
- Двигатель, загруженный на 70% и более от номинальной мощности, заменять не следует, так как при замене, несмотря на повышение cos φ, общие потери увеличатся.
- Если двигатель загружен в пределах 45—70% от номинальной мощности, его следует заменить на менее мощный таким образом, чтобы новый двигатель оказался загруженным на 80—90% от своей номинальной мощности.
Замена незагруженных трансформаторов
При увеличении загрузки трансформаторов увеличиваются потери в меди обмотки. Поэтому заменять трансформаторы менее мощными необходимо только в том случае, если их средняя загрузка ниже 30—40% от номинальной мощности.
Средняя загрузка в кВА определяется по следующей формуле:
где Wa — расход активной энергии за месяц; Wр — расход реактивной энергии за месяц; t — число часов работы трансформатора в месяц.
Применение синхронных двигателей
Синхронные двигатели имеют на роторе обмотку, питающуюся постоянным током от возбудителя или полупроводникового выпрямителя. Реактивная энергия для создания магнитного поля вырабатывается в самом двигателе, а не циркулирует по сети от генератора.
При перевозбуждении синхронного двигателя реактивная энергия может выдаваться в сеть для других токоприемников. В этом случае двигатель работает с емкостным (опережающим) cos φ и разгружает сеть от реактивных токов.
Синхронные двигатели можно применять для привода механизмов, не имеющих резко толчковой нагрузки.
Синхронные двигатели выпускаются с cos φ=l и с cos φ=0,8 (емкостным). Первые при полной нагрузке возбуждаются так, что ни из сети, ни в сеть реактивной энергии не выдают, но если такой двигатель по условиям технологии недогружен по активной мощности, он все же может выдавать реактивную энергию в сеть. Вторая группа двигателей рассчитана так, что при полной нагрузке может выдавать реактивную энергию в сеть.
Современные синхронные двигатели очень надежны в работе, и их применение — лучший способ повышения cos φ.
ИСКУССТВЕННЫЕ СПОСОБЫ
Включение конденсаторов
Конденсаторы, включенные в сеть переменного тока, обладают свойством накапливать в себе запас реактивной энергии в тот момент, когда она идет от индуктивных токоприемников к генератору, и выдавать эту энергию обратно в сеть в то время, когда она начинает потребляться электродвигателем для создания магнитного поля. Емкостный ток опережает изменение напряжения (см. рис. 5.1, кривая в).
Таким образом, разместив конденсаторы вблизи электроприемников, мы создаем кратчайший путь для циркулирующей реактивной энергии и разгружаем от нее электрическую сеть, снижая этим потери энергии в сети.
При наличии конденсаторов реактивная энергия не возвращается от электроприемника в генератор, а идет к конденсаторам. В следующий полупериод запас реактивной энергии идет от конденсатора в электроприемник, опять-таки разгружая генератор и сеть от протекания по ним реактивного тока. Такое объединение конденсаторов с электроприемниками называется искусственной компенсацией реактивной мощности.
Батареи статических конденсаторов присоединяются к шинам первичного (более 1000 В) или вторичного (до 1000 В) напряжения. Наиболее целесообразно применять конденсаторы до 1000 В, так как это разгружает силовые трансформаторы и уменьшает потери в них.
Таблица 5.1. Выбор мощности компенсирующих устройств на 1 кВт нагрузки
