17) Коэффициент мощности. Его технико-экономическое значение. Способы его улучшения.
Для электрической сети важно соблюдать баланс полной мощности (количество производимой электроэнергии должно соответствовать количеству потребляемой электроэнергии).
При этом необходимо обеспечивать баланс реактивной мощности как для системы в целом, так и для отдельных узлов питающей сети. Нарушение баланса приводит к изменению уровня напряжения в сети, росту потерь.
Величиной, характеризующей потребляемую реактивную мощность, является коэффициент мощности.
Коэффициент мощности – это соотношение активной мощности (P, кВт) и полной мощности (S, кВАр), потребляемой электроприемником из сети:
Технико-экономическое значение коэффициента мощности cos φ заключается в том, что от его значения зависят эффективность использования электрических установок и, следовательно, капитальные и эксплуатационные расходы.
Низкий cos φ приводит к:
• потерям мощности в сети;
• повышению потерь трансформатора;
• отклонению напряжения сети от номинала;
• дополнительным затратам на сооружение более мощных электростанций.
Способы его улучшения.
Если все же cos φ оказывается недостаточно высоким, прибегают часто к его искусственному повышению. Для этой цели подключают к трехфазной сети компенсирующие устройства, к которым относятся батареи конденсаторов и трехфазные синхронные компенсаторы
Включение компенсирующих мощностей. Синхронные компенсаторы
18. Трехфазные цепи. Получение системы трех эдс. Представление системы трех эдс векторами и комплексными числами.
Трехфазная цепь – это совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе одна от другой на угол и создаваемые общим источником энергии. Каждую отдельную цепь, входящую в трехфазную цепь принято называть фазой.
Таким образом, термин «фаза» имеет в электротехнике два значения: первое – аргумент синусоидально изменяющейся величины, второе – часть многофазной системы электрических цепей.
Трехфазная цепь является частным случаем многофазных систем
Широкое распространение трехфазных цепей объясняется рядом их преимуществ по сравнению как с однофазными, так и с другими многофазными цепями:
1) экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями;
2) возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя;
3) возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений – фазного и линейного.
Основными элементами трехфазной цепи являются: трехфазный генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую; линии электропередач; приемники (потребители), которые могут быть как трехфазными (например, трехфазные асинхронные двигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).
Получение системы трех ЭДС
Трехфазный генератор создает одновременно три ЭДС, одинаковые по величине и отличающиеся по фазе на 120 0 . Получение трехфазной системы ЭДС основано на принципе электромагнитной индукции, используемом в трехфазном генераторе. Трехфазный генератор представляет собой синхронную электрическую машину. Простейшая конструкция такого генератора изображена на рис. 3.1.
На статоре 1 генератора размещается трехфазная обмотка 2. Каждая фаза трехфазной обмотки статора представляет собой совокупность нескольких катушек с определенным количеством витков, расположенных в пазах статора. На рис. 3.1 каждая фаза условно изображена одним витком. Три фазы обмотки статора генератора повернуты в пространстве друг относительно друга на 1/3 часть окружности, т.е. магнитные оси фаз повернуты в пространстве на угол . Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы – X, Y, Z.
Ротор 3 генератора представляет собой постоянный электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4. Ротор создает постоянное магнитное поле, силовые линии которого показаны на рис.3.1 пунктиром. При работе генератора это магнитное поле вращается вместе с ротором.
При вращении ротора турбиной с постоянной скоростью происходит пересечение проводников обмотки статора с силовыми линиями магнитного поля. При этом в каждой фазе индуктируется синусоидальная ЭДС. Величина этой ЭДС определяется интенсивностью магнитного поля ротора и количеством витков в обмотке.
Частота этой ЭДС определяется частотой вращения ротора. Поскольку все фазы обмотки статора одинаковы (имеют одинаковое количество витков) и взаимодействуют с одним и тем же магнитным полем вращающегося ротора, то ЭДС всех фаз имеют одинаковую амплитуду Em и
Но, так как магнитные оси фаз в пространстве повернуты на угол , начальные фазы их ЭДС отличаются на угол 
. Примем начальную фазу ЭДС фазы А, равной нулю, то есть 
, тогда 
ЭДС фазы В отстает от ЭДС фазы А на :
ЭДС фазы С отстает от ЭДС фазы В еще на :
Действующее значение ЭДС всех фаз одинаковы:
Трехфазная симметричная система ЭДС может изображаться тригонометрическими функциями, функциями комплексного переменного, графиками на временных диаграммах, векторами на векторных диаграммах.
Аналитическое изображение тригонометрическими функциями приведено в (3.1) – (3.3).
В комплексном виде ЭДС фаз изображаются их комплексными действующими значениями:
Графики мгновенных значений трехфазной симметричной системы ЭДС на временной диаграмме показаны на рис. 3.2. Они представляют из себя три синусоиды, сдвинутые друг относительно друга на 1/3 часть периода.
На векторной диаграмме ЭДС фаз изображаются векторами одинаковой длины, повернутыми друг относительно друга на угол 120° (рис.3.3а).
Так как ЭДС индуктированные в обмотках статора имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе относительно друг друга на один и тот же угол 120°, полученная трехфазная система ЭДС является симметричной.
Представление системы трех ЭДС векторами и комплексными числами.
Трехфазная симметричная система ЭДС может изображаться графиками, векторами и функциями комплексного переменного.
Графики мгновенных значений трехфазной симметричной системы ЭДС показаны на рис. 3.3.
Если ЭДС одной фазы (например, фазы A) принять за исходную и считать её начальную фазу равной нулю, то выражения мгновенных значений ЭДС можно записать в виде
eA=Emsinωt, eB=Emsin(ωt−120°), eC=Emsin(ωt−240°)=Emsin(ωt+120°).
Из графика мгновенных значений (рис 3.3) следует
Комплексные действующие ЭДС будут иметь выражения:
ĖA=Emej0°=Em(1+j0), ĖB=Eme−j120°=Em(−1/2−j /2), (3.3)
Векторная диаграмма трехфазной симметричной системы ЭДС показана на рис 3.4а.
На диаграмме рис. 3.4а вектор ĖA направлен вертикально, так как при расчете трехфазных цепей принято направлять вертикально вверх ось действительных величин. Из векторных диаграмм рис 3.4 следует, что для симметричной трехфазной системы геометрическая сумма векторов ЭДС всех фаз равна нулю: ĖA+ĖB+ĖC=0. (3.4)
Систему ЭДС, в которой ЭДС фазы B отстает по фазе от ЭДС фазы A, а ЭДС фазы C по фазе – от ЭДС фазы B, называют системой прямой последовательности. Если изменить направление вращения ротора генератора, то последовательность фаз изменится (рис. 3.4б) и будет называться обратной.
Причины, вызывающие снижение коэффициента мощности и методы его повышения
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.
Низкие значения косинуса фи (cos фи) при тех же величинах активной мощности приводят к дополнительным затратам па сооружение более мощных станций, подстанций и сетей, а также к дополнительным эксплуатационным расходам.
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 изменения cos фи.
Причины низкого 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 cos фи. 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 cos фи имеет наименьшую величину, которая в зависимости от типа электродвигателя, мощности и скорости вращения находится в пределах 0,1 — 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 cos фи, что объясняется увеличением потоков магнитного рассеяния.
Электродвигатели, обладающие лучшими условиями охлаждения по сравнению с закрытыми электродвигателями, могут нести большую нагрузку (активную мощность) и будут иметь, следовательно, более высокий cos фи.
Электродвигатели с короткозамкнутым ротором вследствие меньших значений индуктивного сопротивления рассеяния имеют cos фи выше, чем электродвигатели с фазным ротором.
Значение cos фи 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 у меньшие 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 cos фи.
Уменьшение числа проводников в пазу статора при перемотке вызывает увеличение намагничивающего тока и снижение cos фи асинхронного двигателя.
Применение газоразрядных ламп (ДРЛ и люминесцентных), имеющих в цепи индуктивное сопротивление (дроссель) при отсутствии компенсирующих устройств, также снижает коэффициент мощности электроустановок (смотрите — Как устроены и работают пускорегулирующие аппараты люминесцентных ламп).
Методы повышения коэффициента мощности
Повышать коэффициент мощности электроустановки нужно в первую очередь правильной и рациональной эксплуатацией электрооборудования, т. е. естественным путем. Мощность электродвигателя следует выбирать в строгом соответствии с мощностью, необходимой для приводимого механизма, а уже установленные, но слабозагруженные электродвигатели заменять электродвигателями соответственно меньшей мощности.
Однако при этом необходимо учитывать, что иногда такая замена может привести к увеличению потерь активной энергии в самом электродвигателе и сети, если к. п. д. вновь устанавливаемого электродвигателя окажется меньше установленного ранее. Поэтому следует проверить расчетом целесообразность такой замены.
Кроме того, необходима проверка заменяющего электродвигателя по условиям допустимого нагрева и перегрузки, а иногда и времени разгона. Как правило, замене подлежат электродвигатели, загруженные меньше чем на 40%. При загрузке больше чем на 70% замена становится нерентабельной.
Во всех возможных случаях нужно отдавать предпочтение электродвигателю с короткозамкнутым, а не с фазным ротором. Нужно отказаться от применения закрытых электродвигателей, если по условиям окружающей среды допускается применение электродвигателей в открытом или защищенном исполнении.
Электродвигатели, приводящие в действие различные станки и механизмы, работают не все время с полной нагрузкой. Например, при установке новой детали для обработки на станке электродвигатель иногда работает на холостом ходу с малым cos фи. Поэтому целесообразно на время холостого хода при длительности межоперационного периода 10 сек и больше отключать электродвигатель от сети (это требование обязательно также в целях экономии активной электроэнергии).
Межоперационным периодом считается то время, которое затрачивается, чтобы отвести инструмент в его исходное положение, снять обработанную деталь со станка, установить на станке новую деталь, подвести инструмент в рабочее положение. На станках и механизмах, у которых периоды работы чередуются с межоперационными периодами, целесообразно устанавливать автоматические ограничители холостого хода.
Рекомендуется также заменять или временно отключать трансформаторы, загруженные в среднем меньше чем на 30% от их номинальной мощности.
Качественный ремонт асинхронного электродвигателя существенно влияет на повышение величины cos фи. Хорошо отремонтированный двигатель должен иметь паспортные номинальные данные. Следует тщательно следить за величиной воздушного зазора между статором и ротором, не допускай отклонения от нормы, укладывать в пазы количество активных проводников соответственно расчету. Отремонтированные электродвигатели должны подвергаться всесторонним испытаниям, включая проверку величины тока холостого хода.
В ряде случаев мероприятия по улучшению естественного коэффициента мощности не позволяют увеличить cos фи до величины 0,92 — 0,95 по условиям технологического процесса. На таких электроустановках применяются искусственные методы компенсации реактивной мощности — повышение коэффициента мощности применением специальных компенсирующих устройств.
К таким устройствам относятся: статические конденсаторы, синхронные компенсаторы и перевозбужденные синхронные электродвигатели. Однако синхронные электродвигатели и компенсаторы, изготовляемые на большие мощности, на предприятиях редко. Наибольшее распространение для повышения коэффициента мощности получили статические конденсаторы.
При соответствующем выборе емкости конденсаторов можно довести угол сдвига фаз между напряжением и током до любой требуемой величины. Уменьшение тока в питающей сети достигается за счет реактивной составляющей, которая компенсируется емкостным током батареи конденсаторов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Вопрос №4. Коэффициент мощности и его технико-экономическое значение (10 мин.)
Технико-экономическое значение коэффициента мощности cosφ заключается в том, что от его значения зависят эффективность использования электрических установок и, следовательно, капитальные и эксплуатационные расходы.
Активная мощность, развиваемая генератором при номинальном режиме
где UНОМ – номинальное напряжение генератора;
IНОМ – номинальный ток, который при длительном прохождении вызывает предельно допустимое нагревание генератора.
Полное использование мощности генератора происходит, когда cosφ=1. В этом случае активная мощность Р максимальна и равна номинальной полной мощности
Влияние значений cosφ на режим работы оборудования:
1) уменьшение cosφ, значение которого определяется характером нагрузки, приводит к неполному использованию генератора;
2) уменьшение cosφ при постоянной мощности потребителя Р приводит к увеличению тепловых потерь в линии передачи, которые растут обратно пропорционально квадрату коэффициента мощности
. (16)
где Р0 – потери в линии при cosφ=1.
Для полного использования номинальной мощности генераторов и уменьшения тепловых потерь необходимо повышать cosφ приемников энергии до значений, близких к единице (0,95–1,0). В этом случае потребитель меньше нагружает линию реактивной мощностью.
Способы повышения коэффициента мощности:
1) естественный – правильный выбор оборудования и его эксплуатация;
2) подключение параллельно приемнику батарей конденсаторов в случае индуктивной нагрузки (асинхронные двигатели). Благодаря этому источником реактивной энергии для приемника становится емкость и линия передачи разгружается от реактивного тока.
Разберем следующие вопросы:
Коэффициент мощности электрической цепи синусоидального тока называется …
- отношение активной мощности Р к полной мощности S
- отношение полной мощности S к активной мощности Р
- произведение активной мощности Р на полную мощность S
- активная мощность Р
Активную мощность Р цепи синусоидального тока можно определить по формуле…
Если Q и S – реактивная и полная мощности пассивной электрической цепи синусоидального тока, то отношение Q к S равно…
- tg φ
- arcsin φ
Вывод по четвертому вопросу: синусоидальные токи и напряжения как функции времени могут быть описаны различными способами: алгебраически, векторными диаграммами и комплексами.
5. Заключение (10 мин.)
1) Процессы, протекающие в однофазных цепях переменного тока со смешанным последовательным соединением приемников, характеризуются появлением понятий полного сопротивления, полной мощности, треугольников сопротивлений и мощностей, повторяющих треугольник напряжений. В них также необходимо учитывать взаимные фазовые сдвиги напряжений и токов. Умение анализировать однофазные цепи со смешанным соединением резисторов является важным при изучении трехфазных цепей, принципа действия и устройства электрических машин. 2) Для расчета параллельного соединения приемников используется метод проводимостей. 3) При резонансном режиме работы цепи, содержащей приемники различного характера, ее сопротивление является чисто активным. Различают резонансы токов и напряжений, которые используются в радиотехнике и повышения коэффициента мощности. 3) От значения коэффициента мощности зависят эффективность использования электрических установок и, следовательно, капитальные и эксплуатационные расходы. Для его повышения необходимо правильно выбирать оборудование и условия его эксплуатации.
Коэффициент мощности. Его технико-экономическое значение. Способы его улучшения
Для электрической сети важно соблюдать баланс полной мощности (количество производимой электроэнергии должно соответствовать количеству потребляемой электроэнергии).
При этом необходимо обеспечивать баланс реактивной мощности как для системы в целом, так и для отдельных узлов питающей сети. Нарушение баланса приводит к изменению уровня напряжения в сети, росту потерь.
Величиной, характеризующей потребляемую реактивную мощность, является коэффициент мощности.
Коэффициент мощности – это соотношение активной мощности (P, кВт) и полной мощности (S, кВАр), потребляемой электроприемником из сети:
Технико-экономическое значение коэффициента мощности cos φ заключается в том, что от его значения зависят эффективность использования электрических установок и, следовательно, капитальные и эксплуатационные расходы.
Низкий cos φ приводит к:
• потерям мощности в сети;
• повышению потерь трансформатора;
• отклонению напряжения сети от номинала;
• дополнительным затратам на сооружение более мощных электростанций.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: