Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных двигателей, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток необходим для создания вращающегося магнитного поля у электрических машин и переменного магнитного потока трансформаторов.
Активная мощность таких потребителей при заданных значениях тока и напряжения зависит от cosφ:
P = UICosφ, I = P / UCosφ
Снижение коэффициента мощности приводит к увеличению тока.
Косинус фи особенно сильно снижается при работе двигателей и трансформаторов вхолостую или при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей используется не полностью. С уменьшением cosφ значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов и катушек электрических аппаратов.
Например, если активная мощность остается постоянной, обеспечивается током 100 А при cosφ=1, то при понижении cosφ до 0,8 и той же мощности сила тока в сети возрастает в 1,25 раза (Iа = Iсети х cosφ, Iс = Iа / cosφ ).
Потери на нагрев проводов сети и обмоток генератора (трансформатора) Pнагр = I2сети х Rсети пропорциональны квадрату тока, то есть они возрастают в 1,252 = 1,56 раза.
При cosφ= 0,5 сила тока в сети при той же активной мощности равна 100 / 0,5 = 200 А, а потери в сети возрастают в 4 раза (!). Возрастают потери напряжения в сети, что нарушает нормальную работу других потребителей.
Счетчик потребителя во всех случаях отсчитывает одно и то же количество потребляемой активной энергии в единицу времени, но в последнем случае генератор подает в сеть силу тока, в 2 раза большую, чем в первом. Нагрузка же генератора (тепловой режим) определяется не активной мощностью потребителей, а полной мощностью в киловольт-амперах, то есть произведением напряжения на силу тока, протекающего по обмоткам.
Если обозначить сопротивление проводов линии Rл, то потери мощности в ней можно определить так:
Таким образом, чем выше потребителя, тем меньше потери мощности в линии и дешевле передача электроэнергии.
Коэффициент мощности показывает, как используется номинальная мощность источника. Так, для питания приемника 1000 кВт при φ= 0,5 мощность генератора должна быть S = P / cosφ = 1000 / 0,5 = 2000 кВА, а при cosφ = 1 S = 1000 кВА.
Следовательно, повышение коэффициента мощности увеличивает степень использования мощности генераторов.
Для повышения коэффициента мощности (cosφ) электрических установок применяют компенсацию реактивной мощности.
Увеличения коэффициента мощности (уменьшения угла φ - сдвига фаз тока и напряжения) можно добиться следующими способами:
1) заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности,
2) понижением напряжения
3) выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу,
4) включением в сеть специальных компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.
На мощных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы - синхронные перевозбужденные электродвигатели.
Чтобы повысить экономичность энергетических установок наиболее часто используют батареи конденсаторов, подключаемые параллельно индуктивной нагрузке (рис. 2 а).
Рис. 2 Включение конденсаторов для компенсации реактивной мощности: а - схема, б, в - векторные диаграммы
Для компенсации cosφ в электрических установках до нескольких сотен кВА применяют косинусные конденсаторы. Их выпускают на напряжение от 0,22 до 10 кВ.
« Подписывайтесь на наши каналы в Telegram: Школа для электрика и Электрика, электромонтажные работы
Емкость конденсатора, необходимую для повышения cosφ от существующего значения cosφ1 до требуемого cosφ2, можно определить по диаграмме (рис. 2 б, в).
При построении векторной диаграммы в качестве исходного вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный характер, то вектор тока I1 отстает от вектора напряжения на угол φ1Iа совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока Iр отстает от него на 90° (рис. 2 б).
После подключения к потребителю батареи конденсаторов ток I определяется как геометрическая сумма векторов I1 и Ic. При этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 2, в). Из векторной диаграммы видно, что φ2 < φ1, т.е. после включения конденсатора коэффициент мощности повышается от cosφ1 до cosφ2
Емкость конденсатора можно рассчитать при помощи векторной диаграммы токов (рис. 2 в) Ic = Iр1 - Iр = Iа tgφ1 - Iа tgφ2 = ωCU
Учитывая, что P = UIа, запишем емкость конденсатора С = (Iа / ωU) х (tgφ1 - tgφ2) = (P / ωU2) х (tgφ1 - tgφ2).
На практике обычно коэффициент мощности повышают не до 1,0, а до 0,90 - 0,95, так как полная компенсация требует дополнительной установки конденсаторов, что часто экономически не оправдано.
