Расчёты
Для вычисления полной мощности используют формулу в комплексной форме. Например, для генератора расчет имеет вид:
А для потребителя:
Но применим знания на практике и разберемся как рассчитать потребляемую мощность. Как известно мы, обычные потребители, оплачиваем только за потребление активной составляющей электроэнергии:
P=S*cosФ
Здесь мы видим, новую величину cosФ. Это коэффициент мощности, где Ф – это угол между активной и полной составляющей из треугольника. Тогда:
cosФ=P/S
В свою очередь реактивная мощность рассчитывается по формуле:
Q = U*I*sinФ
Для закрепления информации, ознакомьтесь с видео лекцией:
Всё вышесказанное справедливо и для трёхфазной цепи, отличаться будут только формулы.
Компенсация реактивной мощности на промышленных предприятиях
В странах с хорошо развитой промышленностью от 60% до 70% электрической энергии потребляют промышленные предприятия. На промышленных предприятиях для приведения различных механизмов в движение используются электропривода. Там где не нужно высокой степени точности регулирования механизма, чаще всего, применяться привода переменного напряжения (асинхронные, синхронные). Известно, что двигатели переменного напряжения — основные потребители реактивной энергии.
Так как в отличии от частных потребителей, промышленные предприятия оборудуются еще и счетчиками реактивной энергии, поэтому ее компенсация является приоритетной задачей. Также если реактивная составляющая скомпенсирована, результирующий ток сети будет меньше, что позволит сэкономить на сечении кабелей для подключения нагрузки.
Разница между активной и реактивной составляющей регламентируется коэффициентом мощности cosφ. Определяется формулой cosφ=P/S, где P – активная, а S полная мощность.
Рассмотрим основные способы компенсации реактивной мощности:
- Конденсаторные установки – наиболее простой и дешевый способ. Суть состоит в том, что секции конденсаторов подключаются к сети через автоматический выключатель в зависимости от надобности.
Конденсаторные установки Конденсаторные батареи могут иметь множество различных схем подключения. На рис. 1 приведены лишь единичные примеры.
- Фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ) — представляет собой (L-C) фильтр, настроенный на определенные гармоники сети. Это позволяет не только компенсировать реактивную составляющую, но и улучшить гармонический состав сети. Схема фильтрокомпенсирующего устройства
- Фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ) с декомпенсатором реактивной мощности или статический компенсатор – представляет собой тот же (L-C) фильтр, но с декомпенсатором, т.е. при изменении составляющей сети нет необходимости каждый раз подключать и отключать фильтр. ФКУ и декомпенсатор равны по мощности. Один из самых удобных способов компенсации, но и один из самых дорогих. Как правило полностью автоматизирован. Статический компенсатор или декомпенсатор реактивной мощности
- Синхронный компенсатор – представляет собой облегченный синхронный двигатель который не выполняет механической работы. В перевозбужденном режиме cosφ>1, в недовозбужденном режиме cosφ<1. То есть он автоматически регулирует cosφ. Из-за стоимости и высоких расходов на обслуживание практически нигде не внедряется, а на многих подстанциях заменяется на более дешевое и современное оборудование. С помощью возбудителя регулируется величина потребляемой или отдаваемой реактивной мощности. Синхронный компенсатор
Вывод: существует несколько способов компенсации реактивной мощности на предприятии. Для выбора какого-то из устройств следует более детально изучить график нагрузки предприятия, работу преобразовательных устройств (наличие высших гармоник), а также схему электроснабжения предприятия (где целесообразней разместить компенсатор). Каждый из четырех приведенных вариантов существенно разнятся в цене. Поэтому при выборе устройства следует учесть все факторы и сделать правильный выбор.
Похожие материалы:
- Что значит система промышленных интернет вещей IIoT…
- Кратко о цифровых промышленных сетях
- 5 основных трендов промышленных интернет вещей…
- 5G — в четыре раза больше мощности или больше?
- В чем разница между среднеквадратичным и пиковым…
- В чем разница между пассивной и активной…
Основные компоненты УКРМ
Расчет мощности трехфазной сети
Для компенсации индуктивной составляющей реактивной мощности применяют конденсаторные установки. Иногда их объединяют в целые батареи и оснащают различной коммутирующей аппаратурой. Она необходима для автоматического переключения конденсаторов с целью повышения или понижения конечной ёмкости батареи. Дополнительно требуется к.л. измерительный прибор для отслеживания коэффициента мощности cosф и прочих параметров УКРМ. На сегодняшний день такие контроллеры выполняются на основе микропроцессоров, которые делают всю работу без вмешательства человека.
Конденсаторный компенсатор
Ёмкостная составляющая компенсируется похожим образом. Здесь уже в качестве выравнивающего cosф устройства выступают синхронные двигатели или специальные реакторы (катушки, дроссели). Ёмкостная составляющая свойственна протяжённым кабельным и воздушным линиям, а не самому промышленному оборудованию.
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.
Компенсация реактивной мощности в сетях 0,4 кВ: сколько требуется конденсаторов?
Выбор конденсаторной батареи тесно связан со следующими параметрами:
- cos φ2 – желаемая величина коэффициента мощности
- cos φ1 – начальное значение
- установленная реактивная мощность.
Необходимая компенсирующая мощность определяется выражением:
QC = P (tan φ1 – tan φ2)
Это выражение можно переписать в виде: Qc = k * P, где параметр k легко определить из таблицы 1 и
QC – требуемая реактивная мощность конденсаторов ;
P – активная мощность ;
QL и QL’ – реактивная мощность до и после установки конденсаторной батареи;
A, A’ – полная мощность до и после коррекции коэффициента мощности .
Таблица 1
| Начальный коэффициент мощности | Конечный коэффициент мощности | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,9 | 0,91 | 0,92 | 0,93 | 0,94 | 0,95 | |
| 0,40 | 1,807 | 1,836 | 1,865 | 1,896 | 1,928 | 1,963 |
| 0,41 | 1,740 | 1,769 | 1,799 | 1,829 | 1,862 | 1,896 |
| 0,42 | 1,676 | 1,705 | 1,735 | 1,766 | 1,798 | 1,832 |
| 0,43 | 1,615 | 1,644 | 1,674 | 1,704 | 1,737 | 1,771 |
| 0,44 | 1,557 | 1,585 | 1,615 | 1,646 | 1,678 | 1,712 |
| 0,45 | 1,500 | 1,529 | 1,559 | 1,589 | 1,622 | 1,656 |
| 0,46 | 1,446 | 1,475 | 1,504 | 1,535 | 1,567 | 1,602 |
| 0,47 | 1,394 | 1,422 | 1,452 | 1,483 | 1,515 | 1,549 |
| 0,48 | 1,343 | 1,372 | 1,402 | 1,432 | 1,465 | 1,499 |
| 0,49 | 1,295 | 1,323 | 1,353 | 1,384 | 1,416 | 1,450 |
| 0,50 | 1,248 | 1,276 | 1,306 | 1,337 | 1,369 | 1,403 |
| 0,51 | 1,202 | 1,231 | 1,261 | 1,291 | 1,324 | 1,358 |
| 0,52 | 1,158 | 1,187 | 1,217 | 1,247 | 1,280 | 1,314 |
| 0,53 | 1,116 | 1,144 | 1,174 | 1,205 | 1,237 | 1,271 |
| 0,54 | 1,074 | 1,103 | 1,133 | 1,163 | 1,196 | 1,230 |
| 0,55 | 1,034 | 1,063 | 1,092 | 1,123 | 1,156 | 1,190 |
| 0,56 | 0,995 | 1,024 | 1,053 | 1,084 | 1,116 | 1,151 |
| 0,57 | 0,957 | 0,986 | 1,015 | 1,046 | 1,079 | 1,113 |
| 0,58 | 0,920 | 0,949 | 0,979 | 1,009 | 1,042 | 1,076 |
| 0,59 | 0,884 | 0,913 | 0,942 | 0,973 | 1,006 | 1,040 |
| 0,60 | 0,849 | 0,878 | 0,907 | 0,938 | 0,970 | 1,005 |
| 0,61 | 0,815 | 0,843 | 0,873 | 0,904 | 0,936 | 0,970 |
| 0,62 | 0,781 | 0,810 | 0,839 | 0,870 | 0,903 | 0,937 |
| 0,63 | 0,748 | 0,777 | 0,807 | 0,837 | 0,870 | 0,904 |
| 0,64 | 0,716 | 0,745 | 0,775 | 0,805 | 0,838 | 0,872 |
| 0,65 | 0,685 | 0,714 | 0,743 | 0,774 | 0,806 | 0,840 |
| 0,66 | 0,654 | 0,683 | 0,712 | 0,743 | 0,775 | 0,810 |
| 0,67 | 0,624 | 0,652 | 0,682 | 0,713 | 0,745 | 0,779 |
| 0,68 | 0,594 | 0,623 | 0,652 | 0,683 | 0,715 | 0,750 |
| 0,69 | 0,565 | 0,593 | 0,623 | 0,654 | 0,686 | 0,720 |
| 0,70 | 0,536 | 0,565 | 0,594 | 0,625 | 0,657 | 0,692 |
| 0,71 | 0,508 | 0,536 | 0,566 | 0,597 | 0,629 | 0,663 |
| 0,72 | 0,480 | 0,508 | 0,538 | 0,569 | 0,601 | 0,635 |
| 0,73 | 0,452 | 0,481 | 0,510 | 0,541 | 0,573 | 0,608 |
| 0,74 | 0,425 | 0,453 | 0,483 | 0,514 | 0,546 | 0,580 |
| 0,75 | 0,398 | 0,426 | 0,456 | 0,487 | 0,519 | 0,553 |
| 0,76 | 0,371 | 0,400 | 0,429 | 0,460 | 0,492 | 0,526 |
| 0,77 | 0,344 | 0,373 | 0,403 | 0,433 | 0,466 | 0,500 |
| 0,78 | 0,318 | 0,347 | 0,376 | 0,407 | 0,439 | 0,474 |
| 0,79 | 0,292 | 0,320 | 0,350 | 0,381 | 0,413 | 0,447 |
| 0,80 | 0,266 | 0,294 | 0,324 | 0,355 | 0,387 | 0,421 |
| 0,81 | 0,240 | 0,268 | 0,298 | 0,329 | 0,361 | 0,395 |
| 0,82 | 0,214 | 0,242 | 0,272 | 0,303 | 0,335 | 0,369 |
| 0,83 | 0,188 | 0,216 | 0,246 | 0,277 | 0,309 | 0,343 |
| 0,84 | 0,162 | 0,190 | 0,220 | 0,251 | 0,283 | 0,317 |
| 0,85 | 0,135 | 0,164 | 0,194 | 0,225 | 0,257 | 0,291 |
| 0,86 | 0,109 | 0,138 | 0,167 | 0,198 | 0,230 | 0,265 |
| 0,87 | 0,082 | 0,111 | 0,141 | 0,172 | 0,204 | 0,238 |
Рис.1 — Эффективность использования конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности
Затраты на генерацию РМ Q с помощью ВКБ ЗВ и НКБ ЗН
являются линейной функцией мощности:
ЗВ = З0В + З1В * QВ;ЗН
= З0Н + З1Н * QН,
где З0В и З0Н — постоянные составляющие затрат,
зависящие от стоимости подключения КБ и устройств регулирования мощности,
руб./год;
З1В и З1Н — удельные затраты на КБ, зависящие от
стоимости КБ, потерь активной мощности в них и от напряжения в узле
подключения, грн./квар*год.
Из рис.1 следует, что при необходимости компенсации РМ величиной до QВН
следует отдавать предпочтение НКБ, при больших значениях — ВКБ.
В варианте с ВКБ необходимо учитывать затраты, обусловленные
дополнительными потерями электроэнергии, вызванными передачей РМ QВ
через трансформатор и линию. Функция данных
затрат имеет квадратичный характер и зависит от активных сопротивлений
трансформатора и линии. Дополнительные затраты увеличивают стоимость варианта с
ВКБ (пунктир на рис. 1) и соответственно значение QВН.
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. Эти 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
Поперечная компенсации реактивной мощности
Принципы и теоретические основы поперечной компенсации реактивной мощности будут объяснены ниже. Базовая система переменного тока состоит из источника питания VS, сопротивления линии с сопротивлением R + jX, и типично индуктивной нагрузкой VL (рис. 1). В системе без компенсации, ток источника IS и ток нагрузки IL одинаковы, потому что нагрузка, как правило, индуктивная, и ток отстает от напряжения нагрузки VL. Сдвиг характеризуется углом ?. В результате, источник питания должен генерировать полный ток нагрузки, поддержание высокого уровня тока источника от генератора и через линии электропередачи означает увеличение потерь мощности и снижение возможности передачи электроэнергии. Ток нагрузки IL можно разделить на две составляющие: IP, которая находится в фазе с VL и создает реальную мощность (активная мощность), и IQ, который отстает от напряжения VL на 90° и создает реактивную мощность. Тогда источник VSможет генерировать только реальный составляющую IP , а IQ может быть создан около нагрузки устройством компенсации реактивной мощности.
Рисунок 1 – Принципы поперечной компенсации: (а) – системы без компенсации реактивной мощности, (б) – системы, которая использует поперечную компенсацию реактивной мощности. Схема, векторная диаграмма тока и напряжения приведены в каждой части рисунка
Если реактивная мощность (мнимая мощность) генерируется около нагрузки, то ток от источника уменьшается или сводится к минимуму, что снижает потери мощности и улучшает регулирование напряжения на нагрузке. Поперечную компенсацию можно осуществить тремя способами: с помощью конденсатора, источника тока или источника напряжения. В результате, система регулирования напряжения улучшается, и величина тока, требуемая от источника, уменьшается.
Определение
Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:
P=U*I
P=I2*R
P=U2/R
По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.
Нагрузку разделяют на два основных типа:
- Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
- Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).
Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.
Преимущества установки конденсаторов
Снижение потребления реактивной мощности индуктивных нагрузок обеспечит снижение энергозатрат за счет увеличения коэффициента мощности.
Технические преимущества:
- увеличение активной мощности на выходе силовых трансформаторов,
- снижение потерь энергии в кабелях и проводниках за счет уменьшения силы тока,
- увеличение срока службы распределительных устройств и подключенных к ним кабелей за счет уменьшения силы тока.
- увеличение напряжения на приемном конце. В этом случае конденсаторы рекомендуется подключать к нагрузочному концу или рядом с точкой потребления энергии.
- компенсация реактивной мощности за счет установки высоковольтных конденсаторов в местах генерации гармоник позволят снизить количество составляющих гармоник в низковольтной системе.
Защита конденсаторных установок
Чтобы обеспечить безопасность установки, применяются механизмы:
- датчик температуры, инициирующий подогрев при ее понижении и охлаждение при излишнем нагреве батареи конденсаторов;
- защита от инцидентов короткого замыкания, сильных скачков тока и напряжения;
- блокиратор попыток прикосновения к токоведущим деталям;
- контактный переключатель, отключающий агрегат при отпирании двери с работающим оборудованием.
Монтаж установки с конденсаторной батареей позволит разгрузить электродвигатели, генераторы и другое оборудование, несущее реактивную нагрузку. При подготовке к приобретению нужно рассчитать, куда целесообразнее всего будет подключить агрегат.
