Способы снижения потребления реактивной мощности без компенсирующих устройств

Компенсация реактивной мощности

Общие сведения

Для реактивной мощности приняты такие понятия, как потребление, генерация, передача и потери. Считают, что если ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то реактивная мощность потребляется, а если ток опережает напряжение (ёмкостный характер нагрузки), реактивная мощность генерируется.

Рассмотрим понятие реактивной мощности. Пусть приёмник питается синусоидальным напряжением и потребляет ток . При этом мгновенная мощность будет определяться по выражению:

. (5.1)

Любая гармоническая функция может быть разложена в ряд Фурье, очевидно, что будет основная и соответствующая гармоники (см. рис. 1).

Рис. 1.

Для выделения основной и дополнительной гармоники преобразуем (5.1) с помощью тригонометрического выражения

Получим:

(5.2)

где (первая составляющая) - активная мощность;

(вторая составляющая) – реактивная мощность, имеет место при наличии элементов способных накапливать электрическую энергию и возвращать её.

Выражение полной мощности:

. (5.3)

где , - коэффициент активной и реактивной мощности.

Рис. 2. Графическое пояснение выражения (45).

С точки зрения генерации и потребления между реактивной и активной мощностью существуют значительные различия. Если большую часть активной мощности потребляют приёмники и лишь незначительная теряется в элементах сети, то потери реактивной мощности в элементах сети соизмеримы с реактивной мощностью, потребляемой приёмниками электроэнергии. Источниками реактивной мощности являются: генераторы электростанций, синхронные двигатели, воздушные и кабельные линии, а также дополнительно устанавливаемые компенсирующие устройства (КУ).

Производство дополнительного количества реактивной мощности генераторами электростанций (ЭС) экономически нецелесообразно по следующим причинам:

1) При передаче активной и реактивной мощностей через элемент системы электроснабжения с активным сопротивлением потери активной мощности составляют

Дополнительные потери активной мощности , вызванные протеканием реактивной мощности по сети, пропорциональны её квадрату. Большие потери активной мощности и электроэнергии во всех элементах системы электроснабжения требуют приближать источники реактивной мощности к местам её потребления и уменьшать передачу её от мощных генераторов.

2) Возникают дополнительные потери напряжения. Например, при передаче мощностей Р и Q через элемент системы электроснабжения с активным и реактивным сопротивлением потери напряжения составляют

где - потери напряжения, обусловленные соответственно активной и реактивной мощностью. В результате передача значительного количества реактивной мощности по сети, не может быть осуществлена в связи с недопустимым падением напряжения.

С влиянием реактивной мощности на режим напряжения связаны понятия баланса, резерва и дефицита реактивной мощности. Под балансом реактивной мощности понимают равенство генерируемой и потребляемой мощностей при допустимых отклонениях напряжения у приемников электроэнергии. Наибольшее значение реактивной мощности, которая может дополнительно потребляться в данном узле при допустимых отклонениях напряжения, называют резервом реактивной мощности. Наименьшее значение реактивной мощности, которая должна быть скомпенсирована в узле, чтобы режим напряжения вошел в допустимые пределы, называют дефицитом. Понятия баланса, резерва и дефицита реактивной мощности условны, так как реактивная мощность, которая может быть передана в рассчитываемый узел, зависит от нагрузок других узлов, мощности КУ и места их установки, а также от режима работы устройств регулирования напряжения. Они являются характеристикой узла только при определенных конкретных условиях, при которых их вычисляют.

3) Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснабжения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т.п.

Мероприятия, проводимые по компенсации реактивной мощности, могут быть разделены на связанные со снижением потребления реактивной мощности приёмниками электроэнергии и требующие установки КУ в соответствующих точках системы электроснабжения.

Значительного экономического эффекта можно достичь при правильном сочетании различных мероприятий, которые должны быть технически и экономически обоснованы. При этом критерием экономичности является минимум приведенных затрат:

.

Выбор типа, мощности и места установки КУ является сложной многофакторной задачей, требующей расчёта всей системы электроснабжения с одновременным учётом питающих и распределительных сетей промышленных предприятий.

Способы снижения потребления реактивной мощности без компенсирующих устройств

Мероприятия по снижению потребления реактивной мощности электроприёмниками (асинхронные двигатели, трансформаторы, вентильные преобразователи) экономически более выгодны, т.к. не требуют дополнительных капитальных затрат которые обычно сопутствуют внедрению компенсирующих установок.

Методы снижения потребления реактивной мощности электроприёмниками:

1) замена малозагруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности;

2) понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;

3) ограничениеXX асинхронных двигателей;

4) замена или отключение в период малых нагрузок трансформаторов;

5) применение наиболее целесообразной силовой схемы и системы управления вентильного преобразователя.

1. Замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности. Потребление реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от коэффициента загрузки и его технических характеристик. При номинальной загрузке и номинальном напряжении асинхронный двигатель (АД) потребляет реактивную мощность

(5.4)

Реактивную мощность, потребляемую АД из сети при XX, находят из выражения

(5.5)

Для двигателей с номинальным коэффициентом мощности реактивная мощностьXX составляет около 60% реактивной мощности при номинальной загрузке двигателя. Для АД с она достигает 70%.

Увеличение потребления реактивной мощности при полной загрузке двигателя по сравнению с потреблением приXX определяется разностью выражений (5.4) и (5.5), т.е.

(5.6)

При загрузках асинхронного двигателя, меньших номинальной, прирост потребления реактивной мощности по сравнению сXXпропорционален квадрату коэффициента загрузки двигателя

(5.7)

где - коэффициент загрузки двигателя.

Коэффициент мощности АД уменьшается при уменьшении его загрузки, что следует из выражения:

(5.8)

Например, если для какого-то конкретного двигателя при 100%-ной загрузке , то при 50%-ной он равен 0,65, а при 30%-ной 0,51.

Следовательно, замена систематически малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности способствует повышению мощности промышленных электроустановок.

Исследования показали, что если средняя загрузка двигателя составляет менее 45% номинального значения его мощности, то замена двигателя менее мощным всегда целесообразна и проверка расчётами не требуется. При загрузке двигателя более 70% номинальной мощности можно считать, что замена его в общем случае нецелесообразна. При загрузке двигателей 45-70 % целесообразность замены их должна быть подтверждена достаточным уменьшением суммарных потерь активной мощности в электрической системе и двигателе, которые рассчитываются по формуле:

(5.9)

где - коэффициент изменения потерь (задаётся предприятию энергосистемой), ; - прирост потерь активной мощности в двигателе при загрузке 100%, кВт; - расчётный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя; - потери активной мощности АД при ХХ, кВт.

2. Понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой. При невозможности замены малозагруженного асинхронного двигателя следует проверить целесообразность снижения напряжения на его зажимах. Снижение напряжения на выводах АД до определённого минимально допустимого значения приводит к уменьшению потребления реактивной мощности (за счёт уменьшения тока намагничивания) и тем самым к увеличению коэффициента мощности. При этом одновременно уменьшаются потери активной мощности и, следовательно, увеличивается КПД двигателя. Применяют следующие способы снижения напряжения у малозагруженных АД:

а) Переключение статорной обмотки с треугольника на звезду. Рекомендуется для двигателей напряжением до 1кВ, систематически загруженных менее чем на 40% номинальной мощности. Однако, из-за снижения вращающего момента в 3 раза необходимо производить проверку по предельному коэффициенту загрузки двигателя, определяемому условием устойчивости.

(5.10)

где - кратность максимального вращающего момента по отношению к номинальному.

б) Секционирование статорных обмоток. Рекомендуется для двигателей с параллельными ветвями в статорной обмотке.

в) Понижение напряжения в сетях промышленных предприятий путем переключения ответвлений понижающих трансформаторов. Используется для снижения рабочего напряжения АД и направлено на повышение его коэффициента мощности. Однако если данный трансформатор питает одновременно другие приёмники, не допускающие снижения напряжения на их зажимах, то данный способ не используется.

3. Ограничение холостого хода работы асинхронных двигателей. Работа большинства АД характерна тем, что в перерывах между нагрузками они вращаются на XX. Если промежутки работы наXX достаточно велики, то целесообразно на это время отключать двигатель от сети. Применение ограничителей XX приводит к экономии электроэнергии, когда промежутки работы на XX превышают 10с. Когда промежутки XX меньше 10с, вопрос об эффективности ограничителей решается на основании технико-экономических расчётов.

4. Замена или отключение в период малых нагрузок трансформаторов. Повышения коэффициента мощности промышленного предприятия достигают за счёт рационализации работы трансформаторов, которую проводят путём их замены и перегруппировки (в случае недогруженности трансформаторов, см. раздел «выбор трансформаторов»), а также отключения некоторых трансформаторов в часы минимальных нагрузок.

5. Применение наиболее целесообразной силовой схемы в системе управления вентильного преобразователя. Вентильный преобразователь постоянного тока является потребителем реактивной мощности, так как основная гармоника тока отстает от напряжения. Угол сдвига , между основными гармониками напряжения и тока определяется в основном глубиной регулирования выпрямленного напряжения. Считают, что , где - среднее значение выпрямленного напряжения; - выпрямленное напряжение идеального XX, определяемое силовой схемой преобразователя.

Коэффициент мощности преобразователя ( ) определяют по основной гармонике

(5.11)

где - коэффициент искажения тока; - основная гармоника переменного тока преобразователя.

Реактивную мощность на шинах преобразователя со стороны системы переменного тока определяют по уравнениям:

(5.12)

где - среднее значение выпрямленного тока; - расчётный коэффициент, учитывающий силовую схему преобразователя (например, ); - фазное напряжение на входе преобразователя.

Реактивную мощность, потребляемую преобразователем, определяют соотношением между напряжением на стороне переменного тока и средним выпрямленным напряжением (степенью зарегулирования).

Рис. 3. Зависимость относительной реактивной мощности от степени регулирования для различных схем ВП и способов управления:

1 – трехфазный мостовой преобразователь с симметричным управлением; 2 – симметрично управляемый преобразователь с нулевыми вентилями; 3 – поочерёдное управление последовательно соединенными преобразователями; 4 –- несимметричное управление параллельно соединёнными преобразователями

К уменьшению реактивной мощности, потребляемой преобразователем, приводят следующие меры:

1) применение более сложной силовой схемы (включение нулевого вентиля, регулирование напряжения на стороне переменного тока);

2) применение усложненных законов управления (поочередное управление последовательно соединенными преобразователями (см. рис. 2), несимметричное управление);

3) применение искусственной коммутации (одноступенчатой, двухступенчатой).

Перспективной является схема последовательного соединения мостов с поочерёдным управлением (см. рис. 3). Такое исполнение особенно целесообразно для двухъякорных двигателей, включаемых по восьмеричной схеме.

Рис. 4. Схема последовательного соединения преобразователей с поочерёдным управлением.

Так как изменение выпрямленного напряжения осуществляют регулированием одного преобразователя, то потребление реактивной мощности по сравнению с обычными схемами снижается на 30-40%.

В современной технике преобразования электроэнергии, для повышения коэффициента мощности преобразователей, используют схемы с искусственной коммутацией. Основным элементом в устройстве искусственной коммутации служит батарея конденсаторов (специальный трансформатор либо преобразователь частоты). За счёт запасённой электромагнитной энергии конденсаторов, вводимой в контур коммутации, происходит принудительный сдвиг тока в сторону опережения, и преобразователи могут работать, не потребляя реактивной мощности с или генерируя её - в качестве компенсатора.