Для чего и как повышают коэффициент мощности

При создании первых энергосистем в конце 19-го века актуальным стал вопрос «войны токов». Его суть заключалась в том, какому электротоку отдать предпочтение — постоянному или переменному. Победил переменный электроток вследствие простоты изменения его напряжения трансформаторами (для цели передачи электроэнергии на большие расстояния) и простоты трехфазных эллектродвигателей переменного электротока в сравнении с ненадежными коллекторно-щеточными двигателями постоянного электротока.

Война токов

Эффекты переменного тока

При работе с переменным элетротоком приходится считаться с эффектами, не проявляющимися на постоянном электротоке (или проявляющимися лишь в моменты переключений). Ток в цепи источника постоянного напряжения определяется, согласно закону Ома, электродвижущей силой источника и суммой электрических сопротивлений нагрузки, подводящих проводов, внутреннего электросопротивления источника, а мощность, развиваемая на нагрузке, определяется электронапряжением на данной нагрузке и ее сопротивлением.

На переменном элетротоке, помимо сопротивления, называемого активным, начинает сказываться реактивное, определяемое индуктивностями и емкостями в электроцепи. Индуктивное реактивное сопротивление возникает под действием изменяющегося магнитного поля. Емкостное — это результат того, что переменное электронапряжение противодействует накоплению заряда на обкладках конденсатора, способствуя протеканию через него тока.

Ввиду наличия реактивного сопротивления в цепи нагрузки, ток и напряжение перестают совпадать по фазе (что наблюдается при чисто активном сопротивлении цепи). В индуктивности ток отстает от напряжения на 90 градусов, а в емкости опережает на 90 градусов. В общем случае комплексной нагрузки разница фаз между электронапряжением и электротоком изменяется от +90 до -90 градусов. В частном случае чисто активной нагрузки составляет ноль градусов.

Сдвиг по фазе между электронапряжением и электротоком в зависимости от характера нагрузки

Что собой представляет реальная нагрузка

Комплексная нагрузка может состоять из ламп накаливания, нагревателей, электродвигателей (синхронных и асинхронных), газоразрядных источников света, тиристорных преобразователей, источников питания бытовых устройств с трансформаторами, зарядных устройств, выпрямителей и пр., что делает нагрузку по большей части индуктивной.

Если в нагрузке индуктивность физически соединена последовательно с активным потребителем, возможно эквивалентное преобразование такого соединения для определенной частоты в параллельную схему индуктивности и активного сопротивления (численно отличных от значений в последовательной схеме).

В данном случае в подводящих проводах сохранится прежняя разность фаз между электротоком и электронапряжением. В активной части нагрузки будет рассеиваться полезная мощность (активная), а параллельная индуктивность эквивалентной схемы будет бесполезно нагружать подводящие провода, что проявится в увеличении их нагрева и потери энергии в них.

Таинственный косинус φ

Потери энергии в электроцепи можно оценить углом сдвига фаз φ между напряжением и током, но электротехники предпочитают пользоваться вместо угла значением его косинуса — cosφ. Именно это косинус и считают коэффициентом мощности, исходя из того, что он представляет собой соотношение активной мощности и полной. Последняя является суммой активной P и реактивной Q мощности, но определяется не как скалярная сумма, а векторная. Поскольку векторы электротока и электронапряжения взаимно перпендикулярны, численно сложение мощностей происходит по теореме Пифагора:

Определение полной мощности

Исходя из того, что потребляемый ток I определяется напряжением на нагрузке и полной мощностью, то I=S/U, а мощность потерь в проводах — I2R, где R — активное сопротивление проводов. Справедливым является такое соотношение:

Значение cos фи

Отсюда вытекает целесообразность повышения коэффициента мощности, а именно cosφ для снижения потерь и расхода материалов на подвод электроэнергии, поскольку при увеличении тока потребления возникает необходимость увеличения сечения проводников.

Физическая суть cos фи

Способы повышения cosφ

Теперь становится ясным, зачем следует стремиться к идеальному значению cosφ = 1. При комплексной индуктивно-активной нагрузке ее можно представить эквивалентной схемой параллельно соединенных активного сопротивления и индуктивности. Если включить параллельно этой схеме конденсатор, подобрав его таким образом, чтобы он образовывал с индуктивностью колебательный контур с резонансной частотой, равной частоте электросети (50 или 60 Гц), полное сопротивление контура возрастает до бесконечности. При этом реактивная составляющая электротока и реактивная мощность спадают до 0 (так в теории при идеальном конденсаторе), а косинус φ возрастает до 1.

Именно этим методом и пользуются на практике, подключая к потребителям электроэнергии конденсаторы, емкость которых рассчитывается исходя из характера нагрузки. На практике принято осуществлять повышение коэффициента мощности путем централизованной компенсации реактивной мощности, для чего фиксируют на электрических подстанциях (обычно крупных предприятий) текущее значение коэффициента мощности, а при падении его ниже установленного уровня подключают (вручную или автоматически) батареи мощных конденсаторов, которые повышают коэффициент мощности до оптимального значения (обычно порядка 0.80-0.95). Недопустимым признается cosφ ниже 0.65.

Конденсаторные установки

Существуют и другие способы повысить коэффициент мощности. Например, оптимальный подбор оборудования по паспортной мощности, в частности эксплуатация трансформаторов и электродвигателей с максимальной их загрузкой со снижением времени работы на холостом ходу.

Все определяет материальный интерес. Предприятия заинтересованы в подобной процедуре, поскольку за низкий коэффициент мощности они наказываются материально, оплачивая избыточную отдачу (обычно допускаемую в пределах 15% от общей) в систему реактивной мощности в пределах 8% от тарифа за потребление активной мощности, либо выплачивая штраф за отсутствие компенсирующей установки.

Подобное положение является вполне справедливым, поскольку индуктивная нагрузка генераторов электростанций снижает их возбуждение, а на доводку возбуждения до паспортного требуется дополнительная затрата активной энергии.

Что касается населения, оплате подлежит лишь фактически потребляемая электрическая энергия, вне зависимости от коэффициента мощности. Потребляемая реактивная мощность лишь бесполезно увеличивает ток в подводящих проводах, что несколько снижает напряжение электрической сети на вводе в квартиру/домовладение.

Видео по теме

Adblock
detector