Навязчивая реклама в интернете и даже на государственных каналах телевидения через телемагазин настойчиво предлагает населению устройство для экономии электроэнергии в виде «новинок» электронной промышленности. Пенсионерам предоставляется скидка 50 % от общей стоимости.
«Saving Box» — так называется один из предлагаемых приборов. О них уже писалось в статье . Пришла пора продолжить тему на примере конкретной модели, объяснив более подробно:
что такое реактивное сопротивление;
каким образом создается активная и реактивная мощность;
как осуществляется компенсация реактивной мощности;
на основе чего работают компенсаторы реактивной мощности и устройство для экономии электроэнергии.
Людям, купившим такое устройство, приходит по почте посылка с красивой коробочкой. Внутри расположен элегантный пластмассовый корпус с двумя светодиодами на лицевой стороне и вилкой для установки в розетку — с обратной.
Чудо-прибор для экономии электроэнергии (для увеличения нажмите на рисунок):
На приложенной фотографии показаны заявленные производителем характеристики: 15000 Вт при напряжении в сети от 90 до 250 В. Оценим их с точки зрения электрика-практика по приведенным под картинками формулам.
При наименьшем указанном напряжении такое устройство должно пропускать через себя ток 166,67 А, а при 250 В — 60 А. Сравним полученные расчеты с нагрузками сварочных аппаратов переменного напряжения.
Ток сварки для стальных электродов диаметром 5 мм составляет 150÷220 ампер, а для толщины 1,6 мм достаточно — 35÷60 А. Эти рекомендации есть в любом справочнике электросварщика.
Вспомните вес и габариты сварочного аппарата, который варит электродами 5 мм. Сравните их с пластмассовой коробочкой, величиной с зарядное устройство мобильного телефона. Подумайте, почему от тока 150 А плавятся стальные электроды 5 мм, а остаются целыми контакты вилки этого «прибора», да и вся проводка в квартире?
Чтобы понять причину такого несоответствия, пришлось вскрыть корпус, показав «внутренности» электроники. Там кроме платы для подсветки светодиодов и предохранителя размещена еще одна пластиковая коробочка, для бутафории.
Внимание! В этой схеме отсутствует устройство для экономии электроэнергии или ее компенсации.
Неужели обман? Попробуем разобраться с помощью основ электротехники и действующих промышленных компенсаторов электроэнергии, работающих на предприятиях энергетики.
Принципы электроснабжения
Рассмотрим типовую схему подключения к генератору переменного напряжения потребителей электричества, как маленький аналог питающей электросети квартиры. Для наглядности его характеристик индуктивности, емкости и активной нагрузки показаны , и . Будем считать, что они работают в установившемся режиме при прохождении по всему контуру тока одной величины I.
Электрическая схема (для увеличения нажмите на рисунок):
Здесь энергия генератора с напряжением U распределится составными частями на:
обмотку индуктивности UL;
обкладки конденсатора UC;
активное сопротивление ТЭН UR.
Если представить рассматриваемые величины векторной формой и выполнить их геометрическое сложение в полярной системе координат, то получится обыкновенный треугольник напряжений, в котором величина активной составляющей UR по направлению совпадает с вектором тока.
UХ образован сложением падений напряжений на обмотке индуктивности UL и обкладках конденсатора UС. Причем это действие учитывает их направление.
В итоге получилось, что вектор напряжения генератора U отклонен от направления тока I на угол φ.
Еще раз обратите внимание на то, что ток в цепи I не меняется, он одинаков на всех участках. Поэтому разделим составляющие треугольника напряжений на величину I. На основании закона Ома получим треугольник сопротивлений.
Общее сопротивление индуктивности XL и емкости ХС принято называть термином «реактивное сопротивление» Х. Приложенное к клеммам генератора полное сопротивление нашей цепи Z состоит из суммы активного сопротивления ТЭН R и реактивного значения Х.
Выполним другое действие — умножение векторов треугольника напряжений на I. В итоге преобразований формируется треугольник мощностей. Активная и у него создают полную приложенную величину. Суммарная энергия, выдаваемая генератором S, расходуется на активную Р и реактивную Q составляющие.
Активная часть расходуется потребителями, а реактивная выделяется при магнитных и электрических преобразованиях. Емкостные и индуктивные мощности потребителями не используются, но нагружают токопроводы с генераторами.
Внимание! Во всех 3-х прямоугольных треугольниках сохраняются пропорции между сторонами, а угол φ не меняется.
Теперь будем разбираться, как проявляется реактивная энергия и почему счетчики бытовые ее не учитывали.
Что такое компенсация реактивной мощности в промышленности?
В энергетике страны, а более точно — государств целого континента, производством электричества занято огромнейшее число генераторов. Среди них встречаются как простые самодельные конструкции мастеров-энтузиастов, так и мощнейшие промышленные установки ГЭС и атомных станций.
Вся их энергия суммируется, трансформируется и распределяется конечному потребителю по сложнейшим технологиям и транспортным магистралям на огромные расстояния. При таком способе передачи электрический ток проходит через большое количество индуктивностей в виде обмоток трансформаторов/автотрансформаторов, реакторов, заградителей и других устройств, создающих индуктивную нагрузку.
Воздушные провода, а особенно кабели, создают в цепи емкостную составляющую. Ее величину добавляют различные конденсаторные установки. Металл проводов, по которым протекает ток, обладает активным сопротивлением.
Таким образом, сложнейшая энергетическая система может быть упрощена до рассмотренной нами схемы из генератора, индуктивности, активной нагрузки и емкости. Только ее необходимо еще объединить в три фазы.
Задача энергетики — дать потребителю качественное электричество. Применительно к конечному объекту это подразумевает подачу на вводной щиток электроэнергии напряжением 220/380 В, частотой 50 Гц с отсутствием помех и реактивных составляющих. Все отклонения этих величин ограничены требованиями ГОСТ.
При этом потребителя интересует не реактивная составляющая Q, создающая дополнительные потери, а получение активной мощности Р, которая совершает полезную работу. Для характеристики качества электричества пользуются безразмерным отношением Р к приложенной энергии S, для чего применяется косинус угла φ. Активную мощность Р учитывают все бытовые электрические счетчики.
Устройства компенсации электрической мощности приводят в норму электроэнергию для распределения между потребителями, уменьшают до нормы реактивные составляющие. При этом также осуществляется «выравнивание» синусоид фаз, в которых убираются частотные помехи, сглаживаются последствия переходных процессов при коммутациях схем, нормализуется частота.
Промышленные компенсаторы реактивной мощности устанавливаются после вводов трансформаторных подстанций перед распределительными устройствами: через них пропускается полная мощность электроустановки. Как пример, смотрите фрагмент однолинейной электросхемы подстанции в сети 10 кВ, где компенсатор принимает токи от АТ и только после его обработки электричество поступает дальше, а нагрузка на источники энергии и соединительные провода уменьшается.
Вернемся на мгновение к прибору «Saving Box» и зададим вопрос: как он может компенсировать мощности при расположении в конечной розетке, а не на вводе в квартиру перед счетчиком?
Смотрите на фото, как внушительно выглядят промышленные компенсаторы. Они могут создаваться и работать на разной элементной базе. Их функции:
плавное регулирование реактивной составляющей с быстродействующей разгрузкой оборудования от перетоков мощностей и снижения потерь энергии;
стабилизация напряжения;
повышение динамической и статистической устойчивости схемы.
Выполнение этих задач обеспечивает надежность электроснабжения и уменьшение затрат на конструкцию тоководов нормализацией температурных режимов.
Что такое компенсация реактивной мощности в квартире?
Электроприборы домашней электрической сети также обладают индуктивным, емкостным и активным сопротивлением. Для них справедливы все соотношения рассмотренных выше треугольников, в которых присутствуют реактивные составляющие.
Только следует понимать, что они создаются при прохождении тока (учитываемого счетчиком, кстати) по уже подключенной в сеть нагрузке. Генерируемые индуктивные и емкостные напряжения создают соответствующие реактивные составляющие мощности в этой же квартире, дополнительно нагружают электропроводку.
Их величину никак не учитывает старый индукционный счетчик. А вот отдельные статические модели учета способны ее фиксировать. Это позволяет точнее анализировать ситуацию с токовыми нагрузками и термическим воздействием на изоляцию при работе большого количества электродвигателей. Емкостное напряжение, создаваемое бытовыми приборами, очень маленькое, как и ее реактивная энергия и счетчики ее часто не показывают.
Компенсация реактивной составляющей в таком случае заключается в подключении конденсаторных установок, «гасящих» индуктивную мощность. Они должны подключаться только в нужный момент на определенный промежуток времени и иметь свои коммутационные контакты.
Такие компенсаторы реактивной мощности имеют значительные габариты и подходят больше для производственных целей, часто работают с комплектом автоматики. Они никак не снижают потребление активной мощности, не могут сократить оплату электроэнергии.
Заключение
Заявленные производителем возможности и технические характеристики «Saving Box» не соответствуют действительности, используются для рекламы, построенной на обмане.
Обществу защиты прав потребителей и правоохранительным органам давно пора принять меры к прекращению продаж в стране некачественной продукции хотя бы через государственные каналы информации.
Методика выбора устройств компенсации реактивной мощности (КРМ) заключается в выборе устройств, позволяющих улучшить коэффициент мощности потребителя до требуемого значения и состоит из следующих этапов:
- вычисление мощности устройства КРМ;
- проведение необходимых проверок и расчетов;
- собственно выбор устройства КРМ.
Выбор места установки устройства КРМ
В зависимости от особенностей конкретной электроустановки устройства КРМ могут быть установлены, как показано на рис. 1.
- На вводе на стороне СН.
- На главной распределительной шине.
- На вторичной распределительной шине.
- Индивидуальные конденсаторы нагрузок.
Вычисление мощности устройства КРМ, проведение необходимых проверок и расчетов
В общем случае мощность устройства КРМ определяется по формуле:
- Kc = tgϕ1 — tgϕ2;
- Qc – мощность установки КРМ;
- P – активная мощность;
- Кс – расчетный коэффициент.
Для определения коэффициента Кс существует специальная таблица по которой, зная cosϕ1 и cosϕ2, можно определить данный коэффициент, не прибегая к математическим вычислениям.
Способ вычисления активной мощности P, а также проведение необходимых проверок и расчетов устройства КРМ зависит от места его установки.
Дальше будет приведен пример ее вычисления в случае установки устройства КРМ на главной распределительной шине.
Выбор устройства КРМ
Устройства КРМ выбираются по следующим техническим характеристикам:
- номинальная мощность;
- номинальное напряжение;
- номинальный ток;
- количество подключаемых ступеней;
- необходимость защиты от резонансных явлений с помощью реакторов.
Необходимая мощность набирается ступенями по 25 и 50 квар, при этом количество ступеней не должно превышать количество выходов контроллера, устанавливаемого в установку КРМ, так как к каждому выходу может быть подключена одна ступень.
Количество выходов контроллера обозначается цифрой, например, RVC6 (фирмы АББ) имеет 6 выходов.
В случае необходимости защиты от резонансных явлений требуется применение защитных реакторов (трехфазных дросселей), в таком случае должны выбираться установки, например типа MNS MCR и LK ACUL (фирмы АББ).
Пример выбора устройств КРМ
Ниже приведен пример выбора устройств КРМ для сети, показанной на рис.2.
Технические характеристики устройств, образующих сеть, следующие:
Питающая сеть:
- Номинальное напряжение 10 кВ;
- Частота 50 Гц;
- Коэффициент мощности cosϕ = 0,75;
Трансформаторы 1, 2:
- Номинальное напряжение первичной обмотки 10 кВ;
- Номинальное напряжение вторичной обмотки 400 В;
- Номинальная мощность S = 800 кВА;
Данные по кабелям и нагрузкам, подключаемым через вторичные распределительные щиты, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Выбор места установки устройства КРМ
В качестве места установки устройств КРМ приняты главные распределительные шины, как показано на рис. 3.
1. Требуемые мощности устройств определим по формуле:
2. Суммарные активные мощности нагрузок, получающих питание от каждого из двух трансформаторов, определим по формуле:
подставив значения из таблицы 1, получим:
3. Определяем средневзвешенный cosφ для первого трансформатора по формуле:
4. Определяем средневзвешенный cosφ для второго трансформатора по формуле:
5. Определим коэффициент Кс при помощи таблицы 2, учитывая, что требуемый cosφ 2 = 0,95.
- для первого устройства КРМ Кс1 = 0,474;
- для второго устройства КРМ Кс2 = 0,526.
6. Зная для каждого трансформатора Кс и P, определим требуемые мощности устройств КРМ:
- для первого трансформатора:
- для второго трансформатора:
Расчет мощности устройства КРМ на основе баланса мощности
7. Определим мощность устройства КРМ по формуле [Л5. с 229].
для первого трансформатора:
- для второго трансформатора:
8. Определяем tgϕ1 и tgϕ2 зная cosϕ1 и cosϕ2:
- для первого трансформатора tgϕ1:
- для первого и второго трансформатора tgϕ2:
- для второго трансформатора tgϕ1:
Как видно из двух вариантов расчета мощности КРМ, значения требуемой мощности практически не отличаются. Какой из вариантов выбора мощности устройства КРМ использовать, решайте сами. Я принимай мощность устройства КРМ по варианту с определением коэффициента Кс по таблице 2.
Соответственно принятая требуемая мощность устройства КРМ составляет 270 и 300 квар.
9. Рассчитаем номинальный ток устройства КРМ для первого трансформатора:
10. Рассчитаем номинальный ток устройства КРМ для второго трансформатора:
Защита УКРМ
При выборе автоматических выключателей для защиты устройства КРМ, нужно руководствоваться ПУЭ 7-издание пункт 5.6.15. Согласно которому аппараты и токоведущие части в цепи конденсаторной батареи должны допускать длительное прохождение тока, составляющего 130% номинального тока батареи.
Определяем уставку по защите от перегрузки:
- для УКРМ1: 390*1,3 = 507 А;
- для УКРМ2: 434*1,3 = 564 А
Уставка защиты от КЗ должна быть нечувствительна к броску тока. Уставка составляет 10 x In.
Определяем уставку защиты от КЗ:
- для УКРМ1: 390 x 10 = 3900 А;
- для УКРМ2: 434 x 10 = 4340 А
Проверка установки КРМ на отсутствие резонанса
В данном примере проверка установки КРМ на отсутствие резонанса не выполнялась, из-за отсутствия нелинейной нагрузки, а также отсутствия существенных искажений в сети 10 кВ.
В случае же, если у Вас преобладает нелинейная нагрузка, нужно выполнить проверку УКРМ на отсутствие резонанса, а также выполнить расчет качества электрической энергии после установки УКРМ и загрузку батарей статических конденсаторов (БСК).
Для удобства расчета по выбору устройства компенсации реактивной мощности, я к данной статье прикладываю архив со всей технической литературой, которую использовал при выборе УКРМ.
Литература:
1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. 2008г.
2. Учебное пособие по электроустановкам от фирмы АВВ. 2007г.
3. Справочник по компенсации реактивной мощности от фирмы RTR-Energia.
4. Выпуск № 21. Руководство по компенсации реактивной мощности с учетом влияния гармоник от фирмы Schneider Electric. 2008г.
5. Б.Ю.Липкин. Электроснабжение промышленных предприятий и установок, 1990 г.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ
Нерегулируемые (постоянной мощности)
Состоят только из фиксированных ступеней. Принцип действия: включение и отключение разъединителя производится в ручном режиме (при отсутствии нагрузочного тока). Марки производимых установок - КРМ, КРМ1, УКЛ, УКЛ56, УКЛ57.
Регулируемые (автоматические)
Состоят только из регулируемых ступеней. Принцип действия: коммутация осуществляется автоматически, включением и отключением ступеней. При этом мощность и момент включения автоматически определяются электронным блоком. Регулируя, повышая значение коэффициента cos(φ), высоковольтные конденсаторные установки "СлавЭнерго" автоматически компенсируют реактивную мощность нагрузки в электрических сетях напряжением 6,3 - 10,5 кВ. Наиболее часто встречающиеся аббревиатуры таких установок - КРМ, УКРМ 6, УКРМ 6,3, УКРМ 10, УКРЛ, УКРЛ56, УКРЛ57.
- Полуавтоматические
Для того, чтобы удешевить установки компенсации реактивной мощности УКРМ 10 кВ и 6 кВ, сохранив при этом высокий уровень их качества, компанией СлавЭнерго были разработаны полуавтоматические компенсаторы реактивной мощности - гибрид двух вышеперечисленных типов УКРМ. В их составе имеются как регулируемые (автоматические) ступени, так и фиксированные (не регулируемые). Такие устройства получили широкое распространение ввиду того, что практически всегда некоторая часть нагрузки в высоковольтной сети присутствует постоянно, в круглосуточном режиме. Для этой "фиксированной" части нагрузки и подбираются соответствующие ёмкости конденсаторных батарей, размещаемых в нерегулируемых ячейках конденсаторных установок. Такие ступени в 2-3 раза дешевле по сравнению с автоматическими ступенями аналогичной мощности, что в свою очередь благоприятно сказывается на стоимости устройства компенсации реактивной мощности УКРМ в целом.
Фильтровые
Любые вышеперечисленные высоковольтные установки (нерегулируемые, регулируемые, полуавтоматические) при необходимости исполняются с защитными дросселями от гармонических искажений. Подробнее о таких установках Вы можете узнать
Технические характеристики основных высоковольтных УКРМ*
| Наименование |
Мощность, |
Шаги регулировки, квар |
Габариты** |
(при U=6.3 кВ) |
(при U=10.5 кВ) |
|||
| Фикс. | Рег. | |||||||
| УКРМ-6,3 (10,5)-150-50 (100р+50р) | 150 | 1х100 | 1х50 | 2394 х 1800 х 770 | 13,75 | 8,25 | 480 | |
| УКРМ-6,3 (10,5)-300-150 (150ф+150р) | 300 | 1х150 | 1х150 | 2394 х 1800 х 770 | 27,49 | 16,50 | 530 | |
| УКРМ-6,3 (10,5)-450-150 (300ф+150р) | 450 | 1х300 | 1х150 | 2394 х 1800 х 770 | 41,24 | 24,74 | 550 | |
| УКРМ-6,3 (10,5)-600-300 (300ф+300р) | 600 | 1х300 | 1х300 | 2394 х 1800 х 770 | 54,99 | 32,99 | 600 | |
| УКРМ-10,5 (6,3)-900-450 (450ф+450р) | 900 | 1х450 | 1х450 | 2394 х 1800 х 770 | 82,48 | 49,49 | 600 | |
| УКРМ-6,3 (10,5)-1350-450 (450ф+2х450р) | 1350 | 1х450 | 2х450 | 3344 х 1800 х 770 | 123,72 | 74,23 | 910 | |
| УКРМ-6,3 (10,5)-2250-450 (3х450ф+2х450р) | 2250 | 3х450 | 2х450 | 4294 х 1800 х 770 | 206,20 | 123,72 | 1375 | |
| УКРМ-6,3 (10,5)-3150-450 (3х450ф+4х450р) | 3150 | 3х450 | 4х450 | 6194 х 1800 х 770 | 288,68 | 173,21 | 1850 | |
Слишком высокая или как еще её называют, реактивная энергия и мощность, способствуют значительному ухудшению работы электрических сетей и систем. Мы предлагаем рассмотреть в нашей статье как производится автоматическая компенсация реактивной мощности (крм) и перекомпенсация в сетях на предприятиях, в квартире и в быту.
Зачем нужна компенсация реактивной мощности
Чем больше требуется энергии – тем выше становится уровень потребления топлива. И это не всегда оправдано. Компенсация мощности, т.е, её правильный расчет, поможет сэкономить в промышленных распределительных электросетях на производстве до 50 % затрачиваемого топлива, а в некоторых случаях и больше.
Нужно понимать, что тем больше ресурсов затрачено на производство, тем выше будет цена конечного продукта. При возможности снизить стоимость изготовления товара, производитель либо предприниматель, сможет снизить его цену, чем привлечь потенциальных клиентов и потребителей.
Как наглядный пример – пара диаграмм ниже. Э ти векторы визуально передают полный эффект от работы установки.
Диаграмма до работы установки
Диаграмма после работы установки
Кроме этого, мы также избавляемся от потерь в электросетях, от чего эффект следующий:
- напряжение ровное, без перепадов;
- увеличивается долговечность проводов (abb – авв, аку) и индукционной обмотки в жилых помещениях и на заводе;
- значительная экономия на работе домашних трансформаторов и выпрямителей тока;
- проведенная компенсация мощности и реактивной энергии значительно продлит время работы мощных устройств (асинхронный двигатель трехфазный и однофазный).
- значительное снижение электрических затрат.
Общая схема преобразователя
Теория и практика
Чаще всего реактивная энергия и мощность потребляется при использовании трехфазного асинхронного двигателя, здесь и нужна компенсация сильнее всего. Согласно последним данным: 40 % – потребляют двигатели (от 10 кв), 30 – трансформаторы, 10 – преобразователи и выпрямители, 8% – расход освещения
Для того чтобы этот показатель уменьшить, используются конденсаторные устройства или установки. Но существует огромное количество подтипов этих электроприборов. Какие бывают конденсаторные установки и как они работают?
Видео: Что такое компенсация реактивной мощности и для чего она нужна?
Для того чтобы производилась компенсация энергии и реактивной мощности конденсаторными батареями и синхронными двигателями, понадобится установка энергосбережения. Чаще всего используют подобные устройства с реле, хотя вместо него может быть установлен контактор либо тиристор. Дома используются релейные приборы дуговой компенсации. Но если проводится компенсация реактивной энергии и мощности на заводах, у трансформаторов (там, где несимметричная нагрузка), то намного целесообразнее применять тиристорные устройства.
В отдельных случаях возможно использование комбинированных устройств, это приборы, которые одновременно работают и через линейный преобразователь, и через реле.
Чем поможет использование установок:
- подстанция снизит скачки напряжения;
- электрические сети станут более безопасными для работы электрических приборов, исчезнут проблемы компенсации электричеста и мощности у холодильных установок и сварочных аппаратов;
- кроме этого, они очень просты в установке и эксплуатации.
Как установить конденсаторные устройства
Предварительно понадобится схема работы электросети, и документы от ПУЭ, по которым и проводится решение о компенсации энергии и реактивной мощности ДСП. Далее необходим экономический расчет:
- сумма потребления энергии всеми приборами (это печи, цод, автоматические машины, холодильные установки и прочее);
- сумма поступления тока в сеть;
- вычисление потерь в цепях до поступления энергии к приборам, и после этого поступления;
- частотный анализ.
Далее нужно сгенерировать часть мощности сразу на месте её поступления в сеть при помощи генератора. Это называется централизованная компенсация. Она может проводится также при помощи установки cos, electric, schneider, tg.
Но существует также индивидуальная однофазная компенсация реактивной энергии и мощности (либо поперечная), её цена намного ниже. В этом случае производится установка упорядоченных регулирующих устройств (конденсаторов), непосредственно у каждого потребителя питания. Это оптимальный выход, если регулируется трехфазный двигатель или электропривод. Но у этого типа компенсации есть существенный недостаток – она не регулируется, и поэтому называется еще и нерегулируемой или нелинейной.
Статические компенсаторы или тиристоры работают при помощи взаимоиндукции. В этом случае переключение производят при помощи двух или более тиристоров. Самый простой и безопасный метод, но его существенным недостатком является то, что гармоники генерируются вручную, что значительно усложняет процесс монтажа.
Продольная компенсация
Продольная компенсация производится методом варистора или разрядника.
Продольная компенсация реактивной мощности
Сам процесс происходит из-за наличия резонанса, который образуется из-за направления индуктивных зарядов друг другу на встречу. Данная технология и теория компенсации мощности применяется для реактивных и тяговых двигателей, сталеплавильной или станочной техники Гармоники, к примеру, и именуется еще искусственная.
Техническая сторона компенсации
Существует огромное количество производителей и типов установок конденсаторных установок:
- тиристорные;
- регуляторы на ферросплавном материале (Чехия);
- резисторные (производятся в Петербурге);
- низковольтные;
- реакторы детюнинг (Германия);
- модульные – самые новые и дорогостоящие на данный момент приборы;
- контакторы (Украина).
Их стоимость разнится в зависимости от организации, для боле точной и исчерпывающей информации посетите форум, где обсуждается компенсаций реактивной мощности.
Электрооборудование во время работы потребляет энергию. При этом полная мощность состоит из двух составляющих: активная и реактивная. Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но вносит в цепь дополнительные потери. Поэтому её стремятся снизить, для чего и приходят к различным техническим решениям для компенсации реактивной мощности в электрических сетях. В этой статье мы рассмотрим, что это такое и для чего нужно компенсирующее устройство.
Определение
Полная электрическая мощность состоит из активной и реактивной энергии:
Здесь Q – реактивная, P – активная.
Реактивная мощность возникает в магнитных и электрических полях, которые характерны для индуктивной и емкостной нагрузки при работе в цепях переменного тока. При работе активной нагрузки, фазы напряжения и тока одинаковы и совпадают. При подключении индуктивной нагрузки – напряжение отстает от тока, а при емкостной – опережает.
Косинус угла сдвига между этими фазами называется коэффициентом мощности.
cosФ=P/S
P=S*cosФ
Косинус угла всегда меньше единицы, соответственно активная мощность всегда меньше полной. Реактивный ток протекает в обратном направлении относительно активного и препятствует его прохождению. Так как по проводам протекает ток полной нагрузки:
То и при разработке проектов линий электропередач нужно учитывать потребление активной и реактивной энергии. Если последней будет слишком много, то придется увеличивать сечение линий, что ведет к дополнительным затратам. Поэтому с ней борются. Компенсация реактивной мощности снижает нагрузку на сети и экономит электроэнергию промышленных предприятий.
Где важно учитывать косинус Фи
Давайте разберемся, где и когда нужна компенсация реактивной мощности. Для этого нужно проанализировать её источники.
Примером основной реактивной нагрузки являются:
- электрические двигатели, коллекторные и асинхронные, особенно если в рабочем режиме его нагрузка мала для конкретного двигателя;
- электромеханические исполнительные механизмы (соленоиды, клапана, электромагниты);
- электромагнитные коммутационные приборы;
- трансформаторы, особенно на холостом ходу.
На графике изображено изменение cosФ электродвигателя при изменении нагрузки.
Основу электрохозяйства большинства промышленных предприятий составляет электропривод. Отсюда и высокое потребление реактивной мощности. Частные потребители не оплачивают её потребление, а предприятия оплачивают. Это вызывает дополнительные затраты, от 10 до 30% и более от общей суммы счета за электроэнергию.
Виды компенсаторов и их принцип действия
В целях снижения реактива используют устройства компенсации реактивной мощности, т.н. УКРМ. В качестве компенсатора мощности на практике используют чаще всего:
- батареи конденсаторов;
- синхронные двигатели.
Так как в течении времени количество реактивной мощности может изменяться, значит и компенсаторы могут быть:
- Нерегулируемые – обычно конденсаторная батарея без возможности отключения отдельных конденсаторов для изменения емкости.
- Автоматические – ступени компенсации изменяются в зависимости от состояния сети.
- Динамические – компенсируют, когда нагрузка быстро изменяет свой характер.
В схеме используется, в зависимости от количества реактивной энергии от одного до целой батареи конденсаторов, которые можно вводить и выводить из цепи. Тогда и управление может быть:
- ручным (автоматические выключатели);
- полуавтоматическим (кнопочные посты с контакторами);
- неуправляемыми, тогда они подсоединены напрямую к нагрузке, включаются и отключаются вместе с ней.
Конденсаторные батареи могут устанавливаться как на подстанциях, так и непосредственно возле потребителей, тогда устройство подключается к их кабелям или шинам питания. В последнем случае обычно рассчитываются на индивидуальную компенсацию реактива конкретного двигателя или другого прибора – часто встречается на оборудовании в электрических сетях 0,4 кВ.
Централизованная компенсация выполняется либо на границе балансового раздела сетей, либо на подстанции, при чем может выполняться в высоковольтных сетях 110 кВ. Хороша тем, что разгружает высоковольтные линии, но плохо то, что не разгружаются линии 0,4 кВ и сам трансформатор. Этот способ дешевле остальных. При этом можно и централизованно разгрузить и низкую сторону 0,4 кВ, тогда УКРМ подключается к шинам, к которым подключена вторичная обмотка трансформатора, соответственно разгружается и он.
Также может быть и вариант групповой компенсации. Это промежуточный вид между централизованным и индивидуальным.
Другой способ – компенсация синхронными двигателями, которые могут компенсировать реактивную мощность. Проявляется, когда двигатель работает в режиме перевозбуждения. Такое решение используется в сетях 6 кВ и 10 кВ, также встречается и до 1000В. Преимуществом этого метода перед установкой конденсаторных батарей – возможность использования компенсатора для совершения полезной работы (вращения мощных компрессоров и насосов, например).
На графике изображена U-образная характеристика синхронного двигателя, которая отражает зависимость тока статора от тока возбуждения. Под ней вы видите, чему равен косинус фи. Когда он больше нуля – двигатель имеет емкостной характер, а когда косинус меньше нуля – нагрузка является емкостной и компенсирует реактивную мощность остальной части индуктивных потребителей.
Заключение
Подведем итоги, перечислив основные тезисы о компенсации реактивной энергии:
- Назначение – разгрузка линий электропередач и электрических сетей предприятий. В состав устройства могут входить антирезонансные дроссели для уменьшения уровня .
- За неё не уплачивают счета частные лица, но платят предприятия.
- В состав компенсатора входят батареи конденсаторов или в этих же целях используют синхронные машины.
Материалы
