Потребители реактивной мощности

Асинхронные электродвигатели (АД) и трансформаторы (Тр) потребляют 60–80 % реактивной энергии в промышленных электросетях. Рассмотрим потребление ими реактивной мощности, основываясь на схемах замещения АД и Тр. Эти схемы идентичны, отличаются только ветвью, имитирующей нагрузку, поэтому воспользуемся одной – Г-образной схемой замещения (рис. 15.4).

Рисунок 15.4 - Г-образная схема замещения АД с нагрузкой r2′ и трансформатора с нагрузкой rнт, хнт

Значения сопротивлений ротора АД r₂¹ и x₂¹, аналогично вторичной обмотке трансформатора, приводятся с учетом коэффициентов трансформации к параметрам цепей статора АД (первичной обмотки). Напомним также, что r₀ и х₀ – сопротивления ветви намагничивания.

В обоих случаях реактивная составляющая тока нагрузки

I_p = I_0p + I_1p (15.18)

и соответственно реактивная мощность

Q = Q₀ + Q₁. (15.19)

Мощности Q₀ и Q₁ – реактивные мощности холостого хода и короткого замыкания. Первая из них не зависит от нагрузки, вторая зависит от квадрата загрузки: активной мощности для АД и полной мощности для трансформатора.

Таким образом, для АД

Q_АД = Q_0АД + Q_номk₃², (15.20)

где к₃ = Р / Р_ном.

При расчете Q₀ и Q₁ для Тр используют значения тока холостого хода I_0т (%) и напряжения короткого замыкания трансформатора u_к (%):

Q_т = S_ном.т ( I_0т / 100 + u_к / 100 ∙ β_т), (15.21)

причем β_т = S / S_ном.т– коэффициент загрузки трансформатора по полной мощности.

Для трехобмоточных трансформаторов реактивная мощность определяется как

3

Q_т = Q₀ + ∑Q_нi β_i². (16.22)

i=1

При номинальной нагрузке АД значения обеих составляющих реактивной мощности АД примерно равны и Q_АД = 2Q₀. При β = 0 очевидно, что Q_АД = Q₀.

В паспортах АД приводятся значения коэффициента мощности при номинальной нагрузке, что позволяет легко определить Q₀ и Q_АД при любом значении K_у. В АД значение Q₀ составляет около 50 % номинальной мощности. Этой цифрой можно пользоваться при ориентировочных расчетах.

Значения Q₀ составляют 2–5 % номинальной мощности Тр. Это объясняется отсутствием воздушного зазора в магнитопроводе Тр, благодаря чему для создания основного магнитного потока требуются меньшие значения намагничавающего тока I_0р и реактивной мощности. Несмотря на это, суммарное потребление реактивной мощности трансформаторами соизмеримо с потреблением АД, поскольку суммарная номинальная мощность Тр, как правило, во много раз больше, чем АД.

Для уменьшения потребления реактивной мощности АД выбирают двигатели с небольшим запасом по активной мощности; выполняют переключения статорных обмоток с треугольника на звезду при их загрузке ниже 40–50 %; исключают режим холостого хода путем установки соответствующих ограничителей; заменяют асинхронные двигатели синхронными той же мощности, если это возможно по технико-экономическим соображениям.

Для уменьшения потерь реактивной мощности в Тр рекомендуется отключение в резерв Тр, загруженных менее 40 % номинальной мощности, а также перевод нагрузки на другой трансформатор либо замена на менее мощный.

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) относятся к числу крупных потребителей реактивной мощности. В значительной мере это объясняется необходимостью обеспечить непрерывность горения электрической дуги, что возможно только при наличии индуктивности в цепи ДСП. Достаточный для непрерывного горения дуги угол сдвига по фазе между первыми гармониками тока и напряжения определяется известным выражением

tgφ_n ≥ 2 / π = 0,637; φ_n ≥ 32,5̊ .

Значение угла φ_n должно удовлетворять также следующему соотношению, равнозначному предыдущему:

sinφ_n ≥ U_g / U_m

где U_g – минимальное необходимое напряжение для горения дуги; U_m – амплитудное значение напряжения источника питания.

Наличие автоматических регуляторов, позволяющих воздействовать на уровни U_g и U_m, обеспечивает работу ДСП с углами φ_n < 32,5°.

Таким образом, минимально возможное соотношение между реактивной и активной мощностями, потребляемыми ДСП без применения регуляторов, позволяющих изменить соотношение U и U_m, составляет Q_n = 0,637Р.

На практике в большинстве случаев Q_n > 0,637Р_n, что объясняется наличием значительных индуктивностей в цепи ДСП.

ДСП относятся к резкопеременным несимметричным нагрузкам. В наибольшей мере резкие изменения нагрузки наблюдаются в начальный период плавки – период расплавления; его продолжительность обычно составляет несколько процентов периода плавки. В последний, самый продолжительный период (рафинирование) изменения нагрузки небольшие.

Оценивать значения реактивной мощности, потребляемой ДСП, на основании чисто теоретических предпосылок весьма затруднительно из-за влияния конструктивных параметров ДСП, материала электродов, состава скрапа, несимметрии и несинусоидальности режима и ряда других параметров. Поэтому на практике используют усредненные данные, полученные в результате многочисленных измерений на действующих ДСП.

Средние значения tgφ_n за весь период плавки для печей различной емкости составляют:

Для печей ДСП-100 и ДСП-200 приведенные значения tgφ_n можно использовать также при оценке 30-минутного максимума реактивной нагрузки. Для ДСП меньшей емкости значение tgφ_n, соответствующее 30-минутному максимуму, принимается равным приведенному выше с коэффициентом 0,47.

Максимальное значение реактивной мощности имеет место при так называемом эксплуатационном коротком замыкании:

Q_max = S_п.т k_э.к.з, (15.23)

где S_п.т – номинальная мощность печного трансформатора; k_э.к.з – кратность эксплуатационного короткого замыкания, соответствующего режиму соприкосновения электродов с плавящимся металлом.

В настоящее время более 50 % электроэнергии, поставляемой промышленными предприятиями, преобразуется с помощью выпрямителей и инверторов; эти устройства именуются вентильными преобразователями (ВП). ВП являются крупными потребителями реактивной мощности. На основе ВП, как будет показано в дальнейшем, строят современные регулируемые мощности.

В большинстве случаях на предприятиях используются трехфазные мостовые схемы. Изменением угла α (см. рис. 15.2, б) обеспечивается регулирование выпрямленного напряжения.

Коэффициент мощности соsϕ определяют с учетом не только коэффициента сдвига соsϕ, но и степени искажения тока γ_i :

cosφ = γ_icosφ₁, (15.24)

где

n

γ_i = I₁ / √ I₁² + ∑ I_ν², (15.25)

^ν=2

I_v – действующее значение тока v-й гармоники.

Индукционные печи предназначены для расплавления металлов индуцированными токами, для чего необходимо создание сильных магнитных полей. Для этой цели требуется значительная реактивная мощность. На предприятиях применяют в основном однофазные печи мощностью до 6 МВт для плавления цветных металлов и до 2 МВт – сталеплавильные печи. Для генерирования токов высокой частоты (до 10 кГц) используют главным образом тиристорные преобразователи частоты на напряжения 0,38; 6; 10 кВ. Коэффициент мощности индукционных печей весьма низок: от 0,1 до 0,5–0,6, в связи с чем в комплект индукционной печи входят регулируемые батареи конденсаторов.

Установки дуговой и контактной электросварки являются однофазными резкопеременными нагрузками с cosϕ от 0,2 до 0,6.