Как изменится коэффициент мощности асинхронного двигателя при уменьшении его нагрузки

Почему необходимо повышать коэффициент мощности?

Коэффициент мощности – это отношение полезной (активной) мощности к полной (кажущейся) мощности, потребляемой электрооборудованием объекта или электроустановкой. Он является мерой эффективности преобразования электрической энергии в полезную работу. Идеальное значение коэффициента мощности равно единице. Любая величина, меньшая, чем единица, означает, что для получения желаемого результата необходима дополнительная мощность.

Протекание токов приводит к потерям в генерирующих мощностях и распределительной системе. Нагрузка с коэффициентом мощности 1,0 наиболее эффективно загружает источник, а нагрузка с коэффициентом мощности, к примеру, 0,8 является причиной больших потерь в системе и более высоких расходов на электроэнергию. Сравнительно небольшое улучшение коэффициента мощности может привести к значительному снижению потерь, так как они пропорциональны квадрату тока.

Если коэффициент мощности меньше единицы, это указывает на присутствие так называемой реактивной мощности. Она требуется для получения магнитного поля, необходимого для работы двигателей и других индуктивных нагрузок. Реактивная мощность, которую также можно назвать бесполезной мощностью или мощностью намагничивания, создаёт дополнительную нагрузку на систему электропитания и увеличивает затраты потребителя за электроэнергию.

Низкий коэффициент мощности обычно является результатом сдвига фаз между напряжением и током на выводах нагрузки. Также его причиной может стать высокое содержание гармоник, то есть сильно искажённая форма тока. Коэффициент мощности чаще всего понижается из-за наличия индуктивных нагрузок: асинхронных двигателей, силовых трансформаторов, ПРА люминесцентных ламп, сварочных установок и дуговых печей. Искажения формы тока могут быть результатом работы выпрямителей, преобразователей, регулируемых приводов, импульсных источников питания, газоразрядных ламп или других электронных нагрузок.

Низкий коэффициент мощности из-за индуктивных нагрузок может быть улучшен с помощью оборудования коррекции коэффициента мощности, а низкий коэффициент мощности из-за искажения формы тока требует изменения конструкции оборудования или установки фильтров гармоник. Некоторые преобразователи позиционируются как имеющие коэффициент мощности выше 0,95, тогда как на самом деле их реальный коэффициент мощности находится в пределах от 0,5 до 0,75. Значение 0,95 основано на косинусе угла между напряжением и током и не учитывает провалы в форме тока, которые также приводят к увеличению потерь.

Для работы индуктивной нагрузки необходимо магнитное поле, для создания которого требуется ток, отстающий по фазе от напряжения. Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это процесс компенсации отставания тока путём генерации опережающего тока при подключении конденсаторов к системе электроснабжения. При этом величина подключаемой ёмкости выбирается таким образом, чтобы коэффициент мощности был максимально возможно близким к единице.

Подробнее о коэффициенте мощности

Представим себе однофазный асинхронный двигатель. Если он является чисто резистивной нагрузкой для источника, ток будет в фазе с напряжением. Но так не бывает. Двигатель имеет магнитную систему, и ток намагничивания находится не в фазе с напряжением. Ток намагничивания – это ток, который определяет магнитный поток в сердечнике. Будучи не в фазе с напряжением, он заставляет поворачиваться вал двигателя. Ток намагничивания не зависит от нагрузки двигателя, его величина обычно находится в пределах от 20 до 60% от номинального тока двигателя при полной нагрузке, и он не вносит вклад в выполнение двигателем полезной работы.

Рассмотрим двигатель с током потребления 10 А и коэффициентом мощности 0,75. В этом случае полезный ток равен 7,5 А. Полезная мощность двигателя равна 230 х 7,5 = 1,725 кВт, однако общая потребляемая мощность составляет 230 х 10 = 2,3 кВт. Без коррекции коэффициента мощности для получения требуемой мощности 1,725 кВт (7,5 А) должна подаваться мощность 2,3 кВА (10 А). То есть потребляется ток 10 А, но полезную работу выполняют только 7,5 А.

Коэффициент мощности можно определить двумя способами:

• коэффициент мощности равен частному активной мощности (кВт) и полной мощности (кВА).
• коэффициент мощности равен косинусу угла между активной мощностью и полной мощностью (cosφ).

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это название технологии, которая используется с начала 20 века для восстановления значения коэффициента мощности до значения, как можно более близкого к единице. Это обычно достигается подключением к сети конденсаторов, которые компенсируют потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками и таким образом снижают нагрузку на источник. При этом не должно быть никакого влияния на работу оборудования.

Обычно для уменьшения потерь в системе распределения и снижения расходов на электроэнергию производится компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов, которые подключаются к сети для максимально возможной компенсации тока намагничивания. Через конденсаторы, содержащиеся в большинстве устройств компенсации реактивной мощности, проходит ток, который опережает по фазе напряжение, обеспечивая таким образом опережающий коэффициент мощности. Если конденсаторы подключаются к цепи, которая работает при отстающем коэффициенте мощности, это отставание соответственно уменьшается.

Обычно значение скорректированного коэффициента мощности находится в пределах от 0,92 до 0,95. Некоторые распределительные энергокомпании поощряют работу при коэффициенте мощности, к примеру, больше 0,9, а некоторые штрафуют потребителей за низкий коэффициент мощности. Имеется много методов достижения данной цели, суть которой сводится к тому, что для снижения потерь энергии в системе распределения потребителю рекомендуется применять коррекцию коэффициента мощности. В настоящее время большинство сетевых компаний штрафуют потребителей при коэффициенте мощности ниже 0,95 или 0,9.

Необходимость повышения коэффициента мощности

При должным образом выполненной коррекции коэффициента мощности достигаются следующие преимущества:

• экологические: снижение потребления электроэнергии за счёт повышения эффективности её использования. Снижение потребления приводит к уменьшению выбросов парниковых газов и замедлению истощения ресурсов ископаемого топлива для электростанций;
• уменьшение расходов на электроэнергию;
• возможность получения большей мощности от имеющегося источника;
• снижение тепловых потерь в трансформаторах и оборудовании распределения;
• уменьшение падения напряжения в длинных кабелях;
• увеличение срока службы оборудования в связи со снижением электрической нагрузки на кабели и другие электрические компоненты.

Методы улучшения коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) достигается установкой конденсаторов параллельно двигателю или схеме освещения, которые могут устанавливаться на оборудовании, распределительном щите или на вводе в электроустановку.

Статическая компенсация реактивной мощности может быть достигнута для каждого отдельного двигателя при подключении компенсирующих конденсаторов к пускателю двигателя. При этом при изменении нагрузки двигателя может наблюдаться недо- или перекомпенсация. Статическая компенсация реактивной мощности не должна применяться на выходе регулируемого привода, электронного устройства плавного пуска или преобразователя, так как конденсаторы могут стать причиной выхода из строя электронных компонентов.

При правильно рассчитанной компенсации реактивной мощности не должно быть перекомпенсации. Обычно компенсация реактивной мощности отдельного двигателя рассчитывается исходя из реактивной (намагничивающей) мощности, так как она сравнительно постоянна в отличие от активной мощности, это позволит избежать перекомпенсации.

При применении управления компенсацией реактивной мощности в схеме звезда/треугольник необходимо обратить внимание на то, чтобы конденсаторы не работали в режиме частого подключения и отключения. Обычно устройство компенсации подключается к сети или цепям контактора переключения на треугольник. Устройство компенсации реактивной мощности, подключаемое на вводе электроустановки, состоит из контроллера, измеряющего реактивную мощность и коммутирующего конденсаторы для поддержания значения коэффициента мощности выше заданного значения (обычно 0,95). При применении общей компенсации реактивной мощности другие нагрузки теоретически могут устанавливаться в любом месте сети.

Как изменится коэффициент мощности асинхронного двигателя при уменьшении его нагрузки

Абдуллаев Хумоюн Фуркатович 1 , Абдуллаев Мухаммадсайфулло 1
1 Андижанский машиностроительный институт

Аннотация
В данной статье обсуждается разработка улучшения коэффициента мощности асинхронного двигателя с использованием естественных и искусственных способов. Индуктивные нагрузки всегда создают низкий коэффициент мощности из-за потребления большей реактивной мощности. Низкий коэффициент мощности не только является штрафом для потребителей, но и приводит к потерям энергии в электрических системах. Когда коэффициент мощности повышается, автоматически экономится энергия. Коэффициент мощности — это цель любой электроэнергетической компании, поскольку, если коэффициент мощности меньше единицы, они должны подавать больший ток пользователю для заданного количества потребляемой мощности.

Библиографическая ссылка на статью:
Абдуллаев Х.Ф., Абдуллаев М. Повышение коэффициента мощности асинхронного двигателя // Современные научные исследования и инновации. 2021. № 7 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2021/07/96390 (дата обращения: 31.03.2024).

Асинхронные двигатели представляют для линии электропередач отстающий (индуктивный) коэффициент мощности. Коэффициент мощности больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателей может достигать 90% для больших высокоскоростных двигателей. При 3/4 полной нагрузки максимальный коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%. Коэффициент мощности малых тихоходных двигателей может составлять всего 50%. При запуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере достижения ротором скорости. Коэффициент мощности (PF) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротора) к первичной обмотке (статору). Таким образом, в линии электропередачи присутствует реактивная нагрузка до 10% коэффициента мощности. Когда ротор нагружен, возрастающая резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности [1].

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем трехфазные двигатели меньшего размера, и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще встречается 90%. Эффективность малонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низкая, потому что большая часть тока связана с поддержанием намагничивающего потока. Когда нагрузка крутящего момента увеличивается, больше тока потребляется для создания крутящего момента, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается фиксированным. Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT. Эффективность снижается на несколько процентов при FLT 50% и снижается еще на несколько процентов при FLT 25%. Эффективность становится низкой только ниже 25% FLT. Изменение КПД в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше. Индукционные двигатели обычно имеют завышенные размеры, чтобы гарантировать, что их механическая нагрузка может быть запущена и приведена в действие при любых условиях эксплуатации. Если многофазный двигатель нагружен менее 75% номинального крутящего момента, когда КПД достигает пика, КПД снижается лишь незначительно до 25% FLT[2].

Батарею конденсаторов следует подключать непосредственно к клеммам двигателя.

После применения компенсации к двигателю ток в комбинации двигатель-конденсатор будет ниже, чем раньше, при тех же условиях нагрузки с приводом от двигателя. Это связано с тем, что значительная часть реактивной составляющей тока двигателя поступает от конденсатора, как показано на рисунке 1 .

Если устройства максимальной токовой защиты двигателя расположены перед подключением конденсатора двигателя (а это всегда будет иметь место для конденсаторов, подключенных к клеммам), уставки реле максимального тока должны быть уменьшены в соотношении для двигателей, компенсированных в соответствии со значениями квар, указанными на рисунке 1. (максимальные значения, рекомендуемые для предотвращения самовозбуждения стандартных асинхронных двигателей, как описано в разделе «Как избежать самовозбуждения асинхронного двигателя»), вышеупомянутое соотношение будет имеют значение, аналогичное значению, указанному для соответствующей скорости двигателя на Рисунке 1.

Рис. 1 — Перед компенсацией трансформатор выдает всю реактивную мощность; после компенсации конденсатор обеспечивает большую часть реактивной мощности

Основная цель этого исследования – разработать схему энергосбережения для промышленной распределительной сети. Это может быть достигнуто за счет уменьшения потерь в сети и улучшения работы основной электрической нагрузки до более высокого уровня эффективности. Разработанная схема направлена ​​на повышение коэффициента мощности распределительной сети за счет добавления в сеть шунтирующих конденсаторов оптимального размера и расположения. В промышленных распределительных сетях наблюдается рост потерь мощности, а увеличение типа нагрузки сопровождается низким коэффициентом мощности, что приводит к огромной передаче реактивной мощности от энергосистемы через сеть [3].

Главный недостаток этой проблемы – увеличение потерь в сети и снижение уровня напряжения. Это может привести к снижению надежности, проблемам с безопасностью и более высоким затратам на электроэнергию. Чем ниже наш коэффициент мощности, тем менее экономично работает наша система. Фактическое количество мощности, используемой или рассеиваемой в цепи, называется истинной мощностью. Реактивные нагрузки, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, составляют так называемую реактивную мощность. Линейная комбинация истинной мощности и реактивной мощности называется полной мощностью. Нагрузки энергосистемы состоят из резистивных, индуктивных и емкостных нагрузок.

В цепях переменного тока обычно существует разность фаз между напряжением и током. Этот термин известен как коэффициент мощности схемы. Если цепь индуктивна, ток отстает от напряжения, а коэффициент мощности называется отставшим коэффициентом мощности, а если цепь емкостная, то ток приводит к напряжению, а коэффициент мощности считается ведущим коэффициентом мощности. Средняя мощность в цепи переменного тока выражается через среднеквадратичное значение тока и напряжения [4].

Средняя мощность в цепи переменного тока выражается через среднеквадратичное значение тока и напряжения.

Чисто резистивная нагрузка (лампы накаливания, электрические нагревательные элементы) будет иметь коэффициент мощности 1,0 (единица).

Рис. 2. Треугольник коэффициента мощности по мощности

Коэффициент мощности асинхронных двигателей – один из важных элементов, который необходимо поддерживать равным единице. Коэффициент мощности изменяется, когда нагрузка двигателя изменяется с холостого хода на полную / перегрузку. Это изменение вызвало мониторинг и определение низкого коэффициента мощности при любых условиях нагрузки становится важным из-за поиска оптимальной реактивной мощности для компенсации коэффициента мощности.

1. Fuchs EF (2008) Качество электроэнергии в энергосистемах и электрических машинах. Academic Press, Кембридж
2. Chapman S (2004) Основы электрического машиностроения. McGraw -Hill Education, Нью-Йорк.
3. Orsag P (2014) Влияние качества электросети на рабочие характеристики асинхронного двигателя. В: 14-я международная конференция по окружающей среде и электротехнике (EEEIC), 10–12 мая 2014 г., Острава, Чешская Республика.
4. Захир Дж. (2009) Оценка коэффициента мощности путем анализа данных о качестве электроэнергии для несимметрии напряжения . В: ICEE, Мелборн
5. Кумар С.П. , Саббервал С.П., Мухарджи А.К. (1994) Методы измерения и коррекции коэффициента мощности. Electric Power Syst Res 32: 141–143
6. М. Ходапанах1 · А.Ф. Зобаа1 · М. Аббод. Оценка коэффициента мощности асинхронных двигателей при любых условиях нагрузки с использованием опорной векторной регрессии (SVR).
7. Студент M.Tech , * 2 доц. Профессор и электроцеха и UIET, Курукшетра Universtiy Power Factor Улучшение асинхронного двигателя с помощью конденсаторов

© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Анализ влияния коэффициента загрузки асинхронных двигателей на потребление реактивной мощности

Анализ влияния коэффициента загрузки асинхронных двигателей на потребление реактивной мощности

Наиболее распространенными электроприемниками на промышленных предприятиях являются асинхронные электродвигатели:

• Они составляют основную часть промышленной нагрузки, и на их долю приходится около 80 % всей потребляемой в промышленности электрической энергии [1].
• При этом асинхронные двигатели являются также крупными потребителями реактивной мощности. Ими используется около 40 % реактивной мощности, потребляемой в промышленных электрических сетях.

Именно режимы работы асинхронных двигателей зачастую оказывают существенное влияние на общую реактивную мощность, потребляемую промышленным предприятием, и, как следствие, на величину коэффициента реактивной мощности tgϕ промышленного предприятия, значение которого нормируется в [2] в зависимости от уровня номинального напряжения электрической сети.

В связи с этим представляется целесообразным проанализировать потребление реактивной мощности асинхронными двигателями с тем, чтобы в дальнейшем выработать рекомендации по их рациональной эксплуатации, которые бы были направлены на естественное уменьшение реактивной мощности, потребляемой электродвигателями, и, в конечном итоге, на снижение величины tgϕ промышленного предприятия в целом.

Определение реактивной мощности

В общем случае реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем, складывается из двух составляющих:

• Реактивной мощности намагничивания Q₀, расходуемой на создание магнитного потока холостого хода.
• Реактивной мощности полей рассеяния Q_p

Реактивная мощность определяется по формуле:

(1)

где

• Q_HOM — потери реактивной мощности в асинхронном двигателе на рассеяние при номинальной нагрузке, кВАр.
• k₃ = Р/Р_HOM — коэффициент загрузки асинхронного двигателя по активной мощности.
• Р — активная мощность нагрузки асинхронного двигателя, кВт.
• Р_HOM — номинальная мощность асинхронного двигателя, кВт.

Из формулы (1) следует, что реактивная мощность Q₀ не зависит от нагрузки, в то время как реактивная мощность Q_p изменяется пропорционально квадрату коэффициента загрузки асинхронного двигателя.

В [3] приводятся формулы для определения составляющих реактивной мощности Q₀ и Q_p, потребляемой асинхронным двигателем.

На основании данных формул в результате ряда математических преобразований нами была получена формула для определения коэффициента реактивной мощности асинхронного двигателя:

(2)

где

• I₀ — ток холостого хода асинхронного двигателя, А.
• I_HOM — номинальный ток асинхронного двигателя, A.
• tgϕ_HOM — номинальный коэффициент реактивной мощности асинхронного двигателя.
• ɳ_HOM — номинальный коэффициент полезного действия (КПД) асинхронного двигателя.

Из формулы (2) видно, что коэффициент реактивной мощности асинхронного двигателя зависит от величины его коэффициента загрузки.

Расчет и анализ основных показателей реактивной мощности

Основание для проведения расчетов по методике:

• Поэтому в целях оценки влияния коэффициента загрузки асинхронных двигателей на потребление ими реактивной мощности были определены относительные значения тока холостого хода асинхронных двигателей, а затем в соответствии с формулой (2) значения их коэффициента реактивной мощности при различных значениях коэффициента загрузки k₃ в диапазоне от 0 до 1.
• Исходными данными для расчетов являлись каталожные данные электродвигателей, приведенные в [4, 5] и в каталогах заводов-изготовителей. Рассматривались асинхронные двигатели серий 4А и АИ основного исполнения номинальной мощностью 0,06-250 кВт с различной синхронной частотой вращения, получившие широкое распространение на промышленных предприятиях.
• По результатам расчетов для каждого из рассматриваемых электродвигателей были построены графики зависимости коэффициента реактивной мощности от коэффициента загрузки tgϕ = f(k₃).
• Как показали расчеты, величина tgϕ асинхронных двигателей существенно зависит от относительного значения их тока холостого хода.

В ходе анализа полученных результатов было установлено, что относительное значение тока холостого хода и величина tgϕ оказались примерно одинаковыми для групп асинхронных двигателей следующих серий:

• Серия 4А с синхронной частотой вращения n=3000 об/мин в диапазонах номинальных мощностей 0,09-0,25 кВт, 0,37-4 кВт, 5,5-45 кВт и 55- 250 кВт.
• Серия АИ с той же синхронной частотой вращения в диапазонах номинальных мощностей 0,09-0,25 кВт, 0,37-4 кВт, 5,5—45 кВт и 55-90 кВт.

В результате получили следующие результаты расчетов:

• Это позволило аппроксимировать зависимости tgϕ= f(k₃) для данных групп асинхронных двигателей с использованием степенной аппроксимирующей функции.
• При этом коэффициент детерминации R 2 оказался близким к единице, что свидетельствует о высокой степени близости аппроксимации экспериментальных данных выбранной аппроксимирующей функцией.
• Аппроксимированные графики зависимости tgϕ = f(k₃) для асинхронных двигателей серий 4А и АИ основного исполнения с синхронной частотой вращения n=3000 об/мин приведены на рисунках 1 и 2 соответственно.

где

• 1 — 0,09-0,25 кВт.
• 2 — 0,37-4 кВт.
• 3 — 5,5-45 кВт.
• 4 — 55-250 кВт.

где

• 1 — 0,09-0,25 кВт.
• 2 — 0,37-4 кВт.
• 3 — 5,5— 45 кВт.
• 4 — 55-90 кВт.

Аналогичные расчеты были проведены для асинхронных двигателей серий 4А и АИ основного исполнения с синхронными частотами вращения n=1500; 1000; 750 об/мин:

• По результатам расчетов для данных электродвигателей также были построены аппроксимированные графики зависимости tgϕ = f(k₃).
• Анализ графиков зависимости tgϕ = f(k₃) показал, что загрузка асинхронных двигателей значительно влияет на потребление ими реактивной мощности. Данная зависимость проявляется в том, что с уменьшением коэффициента загрузки асинхронных двигателей значение их tgϕ, а, следовательно, и величина потребляемой ими реактивной мощности возрастают.
• При этом, как следует из графиков зависимости на рисунок 1 и 2, существенное увеличение tgϕ асинхронных двигателей наблюдается при загрузке их менее 40-45 % номинальной мощности.
• При уменьшении загрузки асинхронных двигателей менее 10 % номинальной мощности происходит резкое увеличение tgϕ и реактивной мощности, потребляемой электродвигателями. При этом величина tgϕ асинхронных двигателей при малых загрузках в несколько раз превышает нормируемое в [2] значение коэффициента реактивной мощности.
• На основании этого можно сделать вывод, что потребление реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от их загрузки в значительно большей степени по сравнению с силовыми трансформаторами [6].

Из графиков рис. 1 и 2 нетрудно видеть, что значение коэффициента реактивной мощности асинхронных двигателей увеличивается также с уменьшением их номинальной мощности. Это обусловлено тем, что конструктивное исполнение асинхронных двигателей таково, что с уменьшением их номинальной мощности увеличивается относительная величина воздушного зазора и соответственно относительная величина потребляемой ими реактивной мощности.

Кроме того, сравнение графиков зависимости tgϕ = f(k₃) для асинхронных двигателей серий 4А и АН позволило установить:

• Что асинхронные двигатели серии 4А имеют более высокую величину коэффициента реактивной мощности по сравнению с асинхронными двигателями серии АИ (особенно это касается электродвигателей малой мощности).
• Это в значительной мере объясняется тем, что в асинхронных двигателях серии АИ при изготовлении магнитопроводов используется более качественная холоднокатаная электротехническая сталь.
• В результате этого снижаются потери в стали асинхронных двигателей, а вместе с тем и величина реактивной мощности намагничивания, потребляемой электродвигателями.
• Таким образом, как показал анализ, коэффициент загрузки асинхронных двигателей оказывает значительное влияние на потребление ими реактивной мощности.
• Снижение коэффициента загрузки асинхронных двигателей приводит к увеличению их коэффициента реактивной мощности, что, в свою очередь, сказывается на увеличении tgϕ промышленного предприятия в целом.

Предложения и решения по улучшению реактивной мощности из практики

Следует отметить, что на сегодняшний день в условиях снижения объемов промышленного производства значительная доля реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями на промышленных предприятиях, обусловлена их малой загрузкой.

Поэтому при проведении энергетических обследований (энергоаудита) промышленных предприятий, осуществляемых в соответствии с Федеральным законом №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» [7], необходимо:

• Проверять соответствие номинальной мощности асинхронных двигателей.
• Мощности нагрузки электродвигателей.

При систематической недогрузке асинхронных двигателей на промышленных предприятиях в первую очередь должны быть приняты меры по увеличению их загрузки путем рационализации технологического процесса и увеличения загрузки производственного оборудования.

Если после реализации данных мероприятий номинальная мощность асинхронных двигателей остается существенно завышенной по отношению к их мощности нагрузки, то должна производиться замена малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности.

По опыту эксплуатации асинхронных двигателей считается:

• Что если средняя загрузка электродвигателей составляет менее 45 % номинальной мощности, то замена асинхронных двигателей менее мощными является целесообразной.
• При загрузке асинхронных двигателей более 70 % номинальной мощности можно считать, что замена в общем случае нецелесообразна.
• В том случае, если средняя загрузка электродвигателей составляет 45-70 % номинальной мощности, то целесообразность их замены должна быть подтверждена техникоэкономическим расчетом [3].

Анализ зависимости tgϕ=f(k₃) для асинхронных двигателей серий 4А и АИ подтверждает справедливость данных рекомендаций.

В случае невозможности замены малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности целесообразным может оказаться снижение напряжения на их зажимах.

Снижение напряжения, подводимого к обмоткам асинхронного двигателя, до определенного минимально допустимого значения приводит к уменьшению реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, за счет уменьшения тока намагничивания.

При этом одновременно снижаются потери активной мощности и, следовательно, увеличивается КПД электродвигателя.

На практике известны следующие способы снижения напряжения у малозагруженных асинхронных двигателей:

• Переключение статорной обмотки с треугольника на звезду.
• Секционирование статорных обмоток.
• Понижение напряжения в сетях, питающих асинхронные двигатели, путем переключения ответвлений цехового трансформатора.

К числу мероприятий, направленных на рационализацию работы асинхронных двигателей, можно также отнести ограничение длительности холостого хода. Если промежутки работы асинхронных двигателей на холостом ходу достаточно велики, то целесообразно на это время отключать электродвигатели от сети. Потребление активной и особенно реактивной мощности при этом значительно снижается.

Таким образом, проведение мероприятий по рационализации работы асинхронных двигателей на промышленных предприятиях должно быть направлено на естественное уменьшение величины потребляемой ими реактивной мощности, снижение tgϕ асинхронных двигателей и, тем самым, должно способствовать поддержанию нормируемых значений коэффициента реактивной мощности в промышленных электрических сетях и значительному повышению общей энергетической эффективности промпредприятий.

Электроснабжение, электрические сети — Коэффициент мощности

§ 9.1. Технико-экономическое значение коэффициента мощности

Как известно, в электрической цепи переменного тока, имеющей чисто активную нагрузку, ток совпадает по фазе с приложенным напряжением.
Если в цепь включены электроприемники, обладающие активным и индуктивным сопротивлениями (например, асинхронные электродвигатели, сварочные и силовые трансформаторы и т. п.), то ток будет отставать от напряжения на некоторый угол φ, называемый углом сдвига фаз. Косинус этого угла (cosφ) называется коэффициентом мощности. Величина коэффициента мощности характеризует степень использования активной мощности источника электроэнергии. Чем выше коэффициент мощности электроприемников, тем лучше используются генераторы электрических станций и их первичные двигатели (турбины и др.), трансформаторы подстанции и электрические сети.
Наоборот, чем ниже cosφ, тем хуже используется электрооборудование электростанций и всех других элементов электроснабжения. Низкие значения cosφ при тех же величинах активной мощности приводят к дополнительным затратам на сооружение более мощных станций, подстанций и сетей, а также к дополнительным эксплуатационным расходам.
Отсюда становится ясным большое народнохозяйственное значение повышения коэффициента мощности в электрических установках.
ПУЭ (1-2-47) установлена минимальная величина cosφ = 0,92—0,95, обязательная для предприятий.
Чтобы создать заинтересованность предприятий в увеличении коэффициента мощности, существует шкала скидок и надбавок к стоимости электроэнергии в зависимости от величины его среднего значения в электрохозяйстве предприятия.

§ 9.2. Определение коэффициента мощности

Действительная мощность электроприемников предприятия непрерывно изменяется с течением времени. Это объясняется тем, что работа отдельных участков или цехов предприятий не совпадает во времени. Кроме того, часть оборудования может работать с неполной загрузкой или даже находиться в состоянии холостого хода.

Изменение активной и реактивной мощностей электроприемников влечет за собой и соответствующие изменения cosφ. Различают следующие понятия коэффициента мощности.
Мгновенный коэффициент мощности — это величина cosφ в данный момент времени.
Значение мгновенного коэффициента мощности можно определить по фазометру или по одновременным указаниям измерительных приборов — амперметра, вольтметра и киловаттметра из выражения

На предприятиях принято средневзвешенный коэффициент мощности определять за месяц.
Энергоснабжающие организации при расчетах с абонентами различают два вида средневзвешенного коэффициента мощности: естественный и общий.
Естественный средневзвешенный коэффициент мощности характеризует электрическую установку без компенсирующих устройств.
Общий средневзвешенный коэффициент мощности определяется с учетом действия компенсирующих устройств.

§ 9.3. Причины, вызывающие снижение коэффициента мощности

Основными потребителями реактивной энергии являются асинхронные электродвигатели, трансформаторы и индуктивные печи, сварочные аппараты, газоразрядные лампы и т. д.
Асинхронный электродвигатель, работающий с нагрузкой, близкой к номинальной, имеет наибольшее значение cosφ. При снижении нагрузки электродвигателя коэффициент мощности уменьшается. Это объясняется тем, что активная мощность на зажимах электродвигателя изменяется пропорционально его загрузке, в то время как реактивная мощность вследствие незначительного изменения намагничивающего тока практически остается постоянной.
При холостом ходе cosφ имеет наименьшую величину, которая в зависимости от типа электродвигателя, мощности и скорости вращения находится в пределах 0,14-0,3.
Силовые трансформаторы, как и асинхронные электродвигатели, при загрузке меньше чем на 75% имеют пониженное значение коэффициента мощности.
Перегруженные асинхронные электродвигатели тоже имеют низкий cosφ, что объясняется увеличением по токов магнитного рассеяния.
Электродвигатели открытого типа, обладающие лучшими условиями охлаждения по сравнению с закрытыми электродвигателями, могут нести большую нагрузку (активную мощность) и будут иметь, следовательно, более высокий cosφ. Электродвигатели с короткозамкнутым ротором вследствие меньших значений индуктивного сопротивления рассеяния имеют cosφ выше, чем электродвигатели с фазным ротором. Значение cosφ у машин одного и того же типа возрастет с ростом номинальной мощности и скорости вращения ротора, так как при этом уменьшается относительная величина намагничивающего тока.
Увеличение напряжения на вторичной стороне силовых трансформаторов вследствие снижения нагрузки (например, во время ночных смен и в часы обеденных перерывов) ведет к повышению напряжения по сравнению с номинальным на зажимах работающих электродвигателей. Это в свою очередь приводит к увеличению намагничивающего тока и реактивной мощности электродвигателей, что влечет за собой уменьшив коэффициента мощности.
Обточка ротора, которую производят при износе подшипников, чтобы ротор не задевал статор, приводит к увеличению воздушного зазора между статором и ротором, что вызывает увеличение намагничивающего тока и понижение cosφ. Уменьшение числа проводников в пазу статора при перемотке вызывает увеличение намагничивающего тока и снижение cosφ асинхронного двигателя.

Применение газоразрядных ламп (ДРЛ и люминесцентных), имеющих в цепи индуктивное сопротивление (дроссель) при отсутствии компенсирующих устройств, также снижает коэффициент мощности электроустановок.